Хотя наш опыт формирует особенности нашего мозга на протяжении всей жизни, мы знаем, что между нами есть много общего. У всех нас одинаковая базовая схема, например, кора V1 всегда находится в одном и том же месте. Таким образом, очевидно, что в то время как часть нейронного развития зависит от опыта, часть является наследственной/генетической или «жестко запрограммированной».
Мне кажется, что степень жесткости мозга зависит от вида. Кажется, что у людей намного больше возможностей для специализации в жизни, в то время как некоторые животные не проявляют особой индивидуальности, стремясь следовать очень регулярным поведенческим моделям, которые, без сомнения, эволюционировали с течением времени, подвергаясь естественному отбору.
Я до некоторой степени читал о том, как работает разработка, зависящая от опыта, но почти не смог найти подробного исследования того, как работает разработка, независимая от опыта. То есть, как ДНК кодирует эти «зашитые» нейронные цепи?
Кроме того, человеческий мозг содержит около 100 миллиардов нейронов. Если я предположу, что, возможно, 1% из них «жестко подключен» к цепям с рождения, это все еще миллиард нейронов, каждый из которых имеет несколько соединений с другими нейронами, которые необходимо каким-то образом закодировать в последовательность ДНК, которая составляет всего пару гигабайт. ценность данных. Так как же сложная структура этих «зашитых» (независимых от опыта) нейронных цепей закодирована в таком ограниченном количестве ДНК? Какая часть мозга на самом деле запрограммирована таким образом, а какая открыта для развития, основанного на опыте? Прав ли я, связывая этот процесс с феноменом «инстинкта», то есть «жестко закодированных» поведенческих паттернов у животных, которые кажутся наследственными?
Есть ли название у этой области знаний? В частности, изучение того, как нейронные цепи генерируются на самых ранних стадиях, чтобы заложить высокоуровневую структуру мозга до того, как развитие, основанное на опыте, сможет взять верх?
Это один из самых важных вопросов в нейронауках, и мы далеки от его понимания. Это также тема всей области нейроразвития (чтобы ответить на ваш последний вопрос).
Во-первых, вы правы в том, что высокая степень и физиологическое соответствие между особями вида и даже между видами указывают на сильную генетическую составляющую. Но вы также правы и в том, что у нас есть убедительные доказательства наличия компонента развития в физиологии мозга. Вот несколько случайных примеров (в голове у меня, возможно, не самые важные/влиятельные документы):
Избирательность клеток в первичной зрительной коре зависит от зрительного опыта. Животные, содержащиеся в среде только с горизонтальными или вертикальными полосами, будут иметь клетки, селективные только к горизонтальной или вертикальной ориентации (Blakemore & Cooper, 1970).
При рождении первичная зрительная кора не имеет корковых карт. Они развиваются со временем (например, Chapman, Stryker & Bonhoeffer, 1993).
Из-за сокращения синапсов у новорожденных на самом деле больше связей, чем в более позднем возрасте. Эти связи будут постепенно устраняться в юности.
Вставка третьего глаза в область лба лягушек соединяется с их зрительным тектумом и создает столбцы глазного доминирования, как и их нормальные 2 глаза (Constantine-Paton & Law, 1978). Хотя наличие третьего глаза явно не закодировано генетически.
Точно так же переподключение проекций сетчатки хорьков к их слуховой коре сформирует столбцы ориентации точно так же, как и в первичной зрительной коре (Sharma, Angelucci & Sur, 2000), хотя эта область обычно обрабатывает совершенно другую модальность.
Помещение грызунов с амблиопией (нарушение зрения, связанное с развитием) в полной темноте на некоторое время, по-видимому, «перезапускает» их зрительную систему и излечивает их от амблиопии (He, Ray, Dennis & Quinlan, 2007).
Эффективное кодирование естественной статистики имитирует свойства реакции клеток нервной системы (например, Olshausen & Field, 1996).
Эти различные эксперименты предполагают, что общая структура мозга определяется генетически, но именно развитие формирует функцию и избирательность клеток.
Блейкмор, К., и Купер, Г.Ф. (1970). Развитие мозга зависит от визуальной среды. Природа, 228 (5270), 477-478.
Чепмен, Б., Страйкер, М.П., и Бонхёффер, Т. (1996). Разработка карт предпочтений ориентации в первичной зрительной коре хорьков. Журнал неврологии, 16(20), 6443-6453.
Он, Х.И., Рэй, Б., Деннис, К., и Куинлан, Э.М. (2007). Зависимое от опыта восстановление зрения после хронической депривационной амблиопии. Неврология природы, 10(9), 1134-1137.
Константин-Патон, М., и Ло, М.И. (1978). Специфичные для глаз концевые полосы в тектах трехглазых лягушек. Наука, 202(4368), 639-641.
Шарма, Дж., Ангелуччи, А., и Сур, М. (2000). Индукция модулей зрительной ориентации в слуховой коре. Природа, 404 (6780), 841-847.
Он, Х.И., Рэй, Б., Деннис, К., и Куинлан, Э.М. (2007). Зависимое от опыта восстановление зрения после хронической депривационной амблиопии. Неврология природы, 10(9), 1134-1137.
Ольсхаузен, BA (1996). Появление свойств рецептивного поля простых клеток путем изучения разреженного кода для естественных изображений. Природа, 381 (6583), 607-609.
Я не буду предлагать вам описание «независимого от опыта» развития, так как это не моя область, но вот взгляд на то, каковы его пределы. Фактически я отвечаю:
Какая часть мозга на самом деле запрограммирована таким образом, а какая открыта для развития, основанного на опыте?
Где будет формироваться область мозга, определяется генотипом и микроокружением, с которым сталкивается любая конкретная клетка во время развития. Или, другими словами, я не знаю ни одного исследования, показывающего, что опыт во время развития может резко изменить топографию мозга. То же самое относится к аксонам и дендритам определенных клеток, хотя они проявляют большую гибкость после радикальных манипуляций с опытом, таких как сенсорная депривация на ранних стадиях постнатального развития .
Это означает, что межобластные связи жестко связаны с развитием в том смысле, что целевые области мозга или конкретной клетки фиксированы. Например, некоторые нейроны таламуса предопределены для нацеливания на кору и наоборот. Способ, которым опыт может повлиять на этот факт, заключается в разрушении связи между двумя областями (например, монокулярная депривация ). Но я был бы чрезвычайно удивлен, если бы какое-то исследование утверждало, что в результате какой-то манипуляции с опытом во время развития та же самая часть таламуса, которая обычно проецируется в кору, теперь проецируется в совершенно не связанную с ней удаленную область, такую как, скажем, ствол мозга.
Мне кажется, что степень жесткости мозга зависит от вида. Кажется, что у людей намного больше возможностей для специализации в жизни, в то время как некоторые животные не проявляют особой индивидуальности, стремясь следовать очень регулярным поведенческим моделям, которые, без сомнения, эволюционировали с течением времени, подвергаясь естественному отбору. [...] Прав ли я, связывая этот процесс с явлением «инстинкта», то есть «жестко закодированных» моделей поведения у животных, которые кажутся наследственными [?]
Я призываю вас подтвердить это утверждение исследованиями, поскольку оно не перекликается ни с чем, что я знаю о нервной системе. Во всяком случае, у приматов просто относительно больше места для связей в коре и мозжечке.даже с учетом их относительно больших мозгов. Таким образом, дело не в том, что они менее «зашиты» в том смысле, который описан выше, а в том, что они обладают огромным потенциалом синаптической пластичности в двух ключевых областях мозга, связанных с более сложным поведением. Когда вы сравниваете достаточно близкородственных позвоночных, вы обнаружите, что филогенетически предковые области в основном являются общими, и, таким образом, их «зашитые» области связаны очень похожим образом. Следовательно, приматы лишь добавляют дополнительный уровень сложности поверх этого наследственного паттерна связности, имея больше пространства для изменений.
В заключение, во время развития предопределены только «магистрали» мозга. Фактическая связь вылеплена опытом. Поскольку общая структура не меняется с опытом, животные приспосабливаются к окружающей среде в основном за счет небольших синаптических изменений .
Это классный вопрос, и хотя я не нейро(биолог)олог, я попытался быстро разобраться в этом.
По сути, то, что вы просите, — это часть (человеческого) коннектома (это то, что исследователи называют картой/данными/... нейронных связей), которая жестко связана. Возможно, вы захотите поближе познакомиться с проектом коннектома человека . Если кто-то и найдет ответы на ваши вопросы, то это будут они. Эта статья, кажется, описывает последнее состояние проекта, и эта статья больше фокусируется на связи между коннектомом и геномикой. К сожалению, обе газеты защищены платным доступом, и у меня сейчас нет доступа к журналам Elsevier, поэтому я не могу дать вам больше информации.
Есть ли название у этой области знаний? В частности, изучение того, как нейронные цепи генерируются на самых ранних стадиях, чтобы заложить высокоуровневую структуру мозга до того, как развитие, основанное на опыте, сможет взять верх?
Короткий ответ: область называется «управление аксонами» как подобласть нейробиологии развития. По сути, он изучает, как ранние нейроны посылают свои проекции (аксоны) в свои широкие целевые области, где они будут устанавливать свои связи (синапсы). Этот процесс запрограммирован генетически и происходит сам по себе с помощью «направляющих сигналов», которые буквально направляют их рост через мозг (притягивая к каким-то областям, отталкивая от неправильных). см. [ссылка 1]
После того, как будут установлены широкие пути аксонов, ранний опыт/обучение будут формировать связи так, чтобы полезные сохранялись, а бесполезные вырождались.
Это удивительный материал, посмотрите видео живых аксонов, растущих в раннем развитии мозга [Ref. 2]. Мне посчастливилось получить докторскую степень. изучаю это явление :)
[Ссылка 1]: Основополагающий обзор молекулярной биологии управления аксонами [Ссылка. 2]: Рост фигуры аксонов
ДженералДжеймс
Оливер Хьюстон