Cеминары по теме "Актуальные вопросы нейробиологии, нейроинформатики и когнитивных исследований"

Уважаемые коллеги, студенты, аспиранты!

С 7 апреля по 19 мая 2011 г. в НИЯУ МИФИ прошли семинары по теме "Актуальные вопросы нейробиологии, нейроинформатики и когнитивных исследований".

7 апреля Бондарь И.В. "Представление информации о признаках изображений и сложных зрительных объектах в коре головного мозга млекопитающих"

Бондарь И.В. – заведующий лабораторией физиологии сенсорных систем ИВНДиНФ РАН, кандидат биологических наук.

Аннотация:

Зрительный анализатор представляет собой уникальную систему обработки сенсорной информации в мозге, позволяющую определять биологическую значимость объектов окружающей среды на значительном удалении. Поэтому не случайно, что среди прочих анализаторов именно у активно взаимодействующих с внешней средой хищных видов млекопитающих и птиц зрение выдвинулось на ведущую позицию. Интересно, что у групповых животных зрение активно используется для обеспечения сложных социальных взаимодействий между отдельными особями. Правильное распознавание выражений лиц и эмоций является одним из ключевых аспектов в выстраивании адекватных взаимоотношений в человеческом обществе. Как кванты света, попадающие на сетчатку, помогают нам общаться друг с другом? Обработка информации в зрительной системе - тема данного доклада.

14 апреля Бибиков Н.Г. "Преобразование сигналов в нейронных сетях слухового анализатора"

Бибиков Н.Г. – начальник лаборатории биоакустики, главный научный сотрудник ФГУП ГНЦ Акустический институт им. акад. Н.Н. Андреева, доктор биологических наук.

Аннотация:

Одним из перспективных направлений исследований мозга является изучение преобразования сигналов в сенсорных системах. Такая работа позволяет с одной стороны понять, как осуществляется само преобразование внешнего сигнала, а с другой стороны начать исследование того, каким образом, как именно сенсорные образы сохраняются в памяти. Среди сенсорных систем слуховая представляет особый интерес. Строение этой системы, характеризующейся очень малым числом первичных нейронов и набором последовательно расположенных ядер восходящего слухового пути с постепенно возрастающим числом и разнообразием клеточных элементов, позволяет существенно сузить размеры исследуемого «черного ящика». Разнообразие систем обработки звуков у разных животных и их обычно хорошая подгонка к параметрам экологически важных (обычно коммуникационных) сигналов также способствуют успешному анализу нейронных механизмов обнаружения, классификации и запоминания. В лекции будут рассмотрены общие схемы обработки сигнала в слуховой системе позвоночных, а также некоторые особенности, присущие таким объектам как амфибии, совы, летучие мыши и дельфины. Обосновывается точка зрения, что некоторые принципы этого анализа (выделение каналов «что?» и «где?», повышение дифференциальной чувствительности в процессе адаптации, использование внутреннего шума и «хаотических» изменений возбудимости для расширения динамического диапазона) сохраняются в эволюционном ряду наземных позвоночных. В то же время некоторые виды развивают специализированные механизмы анализа именно экологически важных стимулов (пассивная и активная локация, подробный анализ коммуникационных сигналов). Будут рассмотрены некоторые, касающиеся запоминания звуковых сигналов, также кратко упомянуты огромные успехи в исследовании периферических механизмов слуха и связанный с ними прорыв в задаче полной реабилитации лиц, потерявших слух.

21 апреля Бондарь И.В. "Использование методик визуализации нейронной активности и регистрации ответов одиночных нейронов для изучения сенсорных систем мозга"

Бондарь И.В. – заведующий лабораторией физиологии сенсорных систем ИВНДиНФ РАН, кандидат биологических наук.

Аннотация:

Балансирование между минимальным повреждающим воздействием на мозг и максимальной эффективностью эксперимента является обыденностью нейробиологических исследований. Современные методики визуализации нейронной активности позволяют проводить эксперименты по локализации функций, в том числе, и на интактном мозге человек. Однако в исследованиях такого рода критическим является вопрос о разрешающей способности методики. О том, как разные методические подходы помогают нам понять работу сенсорных систем мозга, и пойдет речь в данном докладе.

28 апреля Чижов А.В. "Математическая модель зрительной коры"

Чижов А.В. – старший научный сотрудник Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург), Кандидат физико-математических наук.

Аннотация:

В корковых структурах мозга отдельные нейроны работают на фоне активности нейронных популяций. Поэтому для биофизически детального математического моделирования активности коры мозга требуются как модели единичных нейронов, так и модели макроскопической активности нейронных популяций. Теория построения популяционных моделей, их сравнительный анализ и применение в составе модели участка первичной зрительной коры будут обсуждаться на семинаре. Будут приведены примеры согласования модели с экспериментальными данными внутриклеточных измерений и оптических регистраций.

5 мая Вартанов А.В. "Механизмы семантики: мозг, психика, сознание (теория и эксперименты)"

Вартанов А.В. - канд.психол.наук, снс, кафедра психофизиологии факультета психологии МГУ имени М.В.Ломоносова.

Аннотация:

Будет затронута проблема соотношения мозга и психики, пути ее решения, а также понятие информации. На основе интеграции данных из трех областей - психологии (теория деятельности, уровни развития психики, психология речи и мышления, психолингвистика), физиологии ВНД (принципы кодирования информации в нервной системе, иерархия сигналов) и кибернетики (принципы и уровни управления, математические модели) - будет изложена авторская концепция нейронных механизмов семантики, критерии разделения психических и сознательных процессов, определение, что такое "знак", а что такое "значение", чем "знак" отличается от "признака". Предполагается также краткое изложение некоторых экспериментальных данных, позволяющих проверить сформулированные теоретические следствия.

19 мая Цитоловский Л.Е. "Сознание и законы физики"

Цитоловский Л.Е. - докт.биол.наук, профессор, Биологический факультет, университет Бар-Илан, Израиль.

Аннотация:

Явление природы объективно существует, если оно происходит и в отсутствии наблюдателя. Поэтому естественные науки не изучали субъективные явления, которые подразумевают присутствие наблюдателя, по крайней мере, самого себя. Согласно крайней точке зрения, сознание так же первично, как и материя и зачаточное сознание является одним из свойств элементарных частиц (панпсихизм). Другая крайняя точка зрения рассматривает сознание, как эпифеномен: все наши осознанные действия – не более, чем проявление работы уникальной вычислительной машины – мозга. В последние годы проблема Разум-Мозг продвинулась вперед не только в области новых знаний, но и нового понимания. На сознание удается воздействовать химическим путем, а химический фон может менять содержание сознания. Обычно, но не всегда, при активации сознания возникает электромагнитное поле 30-70 Гц. Установлено, что, в зависимости от качественного содержания сознания, активируются разные (и разрозненные) области мозга, хотя взаимнооднозначного соответствия между содержанием сознания и картой активации мозга не установлено. При этом, искусственная активация мозговой ткани отнюдь не всегда вызывает осознанные ощущения. Более того, отсутствие 80% мозга не препятствует существованию простых форм сознания. Элементы сознания присущи примитивным животным и, быть может, даже одной клетке. Эти особенности сознания нетривиальны, но потенциально объяснимы. Вместе с тем, некоторые свойства сознания не находят опоры в мире нашего повседневного опыта. Если поведение не сводить к рефлексам, то осознанные действия нельзя объяснить в рамках физического детерминизма. Совершенно непонятно, как сознание управляет материальными объектами, например собственным телом. Сознание нельзя описать через массу, протяженность, импульс, заряд и т.п. При этом, сознание способно направить стрелу времени в любую точку прошлого или будущего. Сознание непрерывно, бесконечномерно, зависит от множество образов, целей и состояний, но реализуется в виде одного целостного состояния, через коллапс потенциальных состояний в реальное. Путь и результат перехода от непрерывной суперпозиции возможных состояний к дискретному реальному состоянию нельзя предсказать с определенностью. Эти свойства сознания перекликаются с квантовыми явлениями в микромире и поэтому иногда полагают, что мозг, хотя и является макрообъектом, способен приобретать квантовые свойства. Тогда дуализм Разум-Мозг подобен корпускулярно-волновому дуализму. Однако, на данном этапе наших знаний, сходство между сознанием и квантовым состоянием сводится к тому, что и то и другое не вписывается в рамки обыденного опыта, а этого не достаточно, чтобы их отождествить.

Между тем, существует механизм, который, быть может, и лежит в основе появления сознания. Субъективный компонент – неотъемлемое свойство живого, а система является живой, пока поддерживает свою целостность при наличии возмущающих влияний. Этот очень не простой процесс, гомеостаз, может порождать связь между физиологией и психикой, так как нарушение гомеостаза вызывает мотивацию восстановить нормальное состояние. Мотивация – это субъективное отношение индивидуума к его физиологическому состоянию, которое каким-то образом модулирует генерацию действий, пока не будет достигнут оптимум. Для того, чтобы объяснить другие категории сознания, такие как ощущения и волевой акт, не обязательно вводить дополнительно новые сущности. Гомеостаз улучшает состояние повреждённого нейрона, восстанавливает его работоспособность и так генерирует намеренные действия. Усиление компенсационного метаболизма - это движущая сила, направленная против повреждения. Если повреждение не удаётся компенсировать за счёт внутренних ресурсов, действие направлено на среду.

Лишь в простейших случаях гомеостаз возвращает параметры к исходному уровню. Когда невозможно восстановить норму, гомеостаз создает для менее важных параметров новую систему оптимальных величин, чтобы сохранить более важные параметры. В этой иерархии наивысшим приоритетом служит, видимо, шкала «жизнь-смерть». Независимо от того, какой параметр определяет положение на этой шкале (запасы свободной энергии, рН, ионное равновесие, мембранный потенциал или что-то иное), деятельность гомеостаза так целесообразна, как будто им руководит демон Максвелла. Мы не знаем, как нейрон оценивает своё состояние: «Слишком низкий рН» или «Это плохо», однако возникшее в результате этого целенаправленное поведение выглядит, как проявление стремления к жизни и вполне соответствует осознанному принятию решения. Важно найти объяснение этого сложного эффекта.

Как нейрон решает, какой параметр более важен и что есть оптимум? Учитывая, что оптимумов может быть столько же, сколько мыслимых состояний среды, гомеостаз вряд ли алгоритмически настроен генетическим аппаратом. В линейном случае, когда система восстанавливает прежнее состояние, работа гомеостаза напоминает термостат, действие упругой пружины или может быть организована согласно принципу Ле Шателье, то есть на основе закона сохранения энергии и, согласно теореме Нётер, однородности времени. Возможно, играют роль и другие законы сохранения и типы симметрии физической системы. Суперпозиция линейных функций может обеспечить любой сложный путь движения к цели, но вряд ли обеспечит смену целей, да и сами цели окажутся заранее предопределенными.

На выбор цели оказывает влияние нестабильность системы. Нестабильность выполняет важную роль в деятельности мозга, учитывая, что она особенно заметна в высших нервных центрах и у высших животных, усиливается в состоянии бодрствования и при осознанном поведении. Конечно, случайные действия – это плохая замена детерминизму поведения, но поиск оптимума может обеспечить контроль интенсивности нестабильности, а не сама нестабильность. Если система действует в случайном направлении, но сильнее при больших отклонениях от оптимума, она в конце концов оптимум найдёт: так, например, происходит диффузия примеси у полюса холода. Поиск оптимума протекает медленно, но значительно быстрее, чем при ненаправленном блуждании. Результат действия такой системы не предопределён и, если есть несколько целей, система может достигнуть любой из них. Таким образом, проблема Сознания не является неразрешимой, хотя ее решение еще предстоит найти.

Информация по семинарам можно посмотреть на сайте http://nnci.mephi.ru