Исследовательские проекты Института перспективных исследований мозга
Наши проекты направлены на решение фундаментальных загадок мозга: как мимолетные впечатления превращаются в устойчивые воспоминания, как нейроны кодируют наш субъективный опыт и какие механизмы лежат в основе сознания. Мы используем комплексный подход, исследуя эти вопросы на клеточном, системном и поведенческом уровнях, чтобы создать целостную картину работы высших функций нервной системы.
1. От нейрона к поведению: механизмы формирования памяти на разных уровнях
Память — это не единый процесс, а сложная иерархия явлений, разворачивающихся во времени. Наша исследовательская программа следует этой логике, от отдельных клеток до целых нейросетей и конечного поведенческого акта.
- На клеточном уровне мы изучаем, как нейронные группы кодируют отдельные воспоминания. Согласно концепции следов памяти (энграм) память о событии оставляет физический след в мозге — ансамбль нейронов, претерпевших специфические изменения. Мы исследуем молекулярные и синаптические механизмы, которые позволяют нейрону перейти из состояния покоя в состояние активного участия в энграме. Как именно кратковременная память (секунды-часы), основанная на электрической активности, консолидируется в долговременную (часы-месяцы) через синтез новых белков и структурные перестройки синапсов? Этот процесс лежит в основе обучения и накопления индивидуального опыта. Мы уделяем особое внимание переходу от лабильной, уязвимой памяти к стабильной, а также процессам реконсолидации, когда при каждом припоминании память на время становится снова хрупкой, что открывает возможности для ее модификации.
- На системном уровне мы фокусируемся на том, как распределенные группы нейронов взаимодействуют для формирования единого воспоминания. Нарушения в этой тонкой координации являются причиной тяжелых патологий. Например, при посттравматическом стрессовом расстройстве (ПТСР) наблюдается патологическая устойчивая к угашению память и гиперактивность многих структур мозга. При болезни Альцгеймера, напротив, происходит дегенерация и гибель нейронов в гиппокампе и коре, что ведет к разрушению самих следов памяти и неспособности формировать новые воспоминания. Понимание этих механизмов на системном уровне — ключ к созданию методов коррекции и лечения.
- На поведенческом уровне мы связываем активность нейронных ансамблей с реальными действиями животного. Как активация специфической энграммы преобразуется в принятие решения, воспроизведение сложного навыка или проявление ассоциативной памяти? Используя современные методы поведенческого тестирования в сочетании с методами регистрации и стимуляции активности нейронов, мы можем наблюдать, как внутренние процессы в мозге материализуются в конкретное поведение и память.
2. Субъективный опыт: от селективных нейронов к популяционному коду
Субъективный опыт — это не абстракция, а результат работы конкретных клеток и их ансамблей. Мы исследуем, как появляются специализированные (или, по-другому селективные) нейроны, которые становятся носителями уникальной информации, и как их совместная активность формирует наше восприятие мира.
- Одним из ярких примеров являются так называемые «нейроны места» в гиппокампе. В наших исследованиях мы идем дальше, изучая нейроны, которые кодируют не просто место, а конкретные объекты, события, их эмоциональную окраску или даже абстрактные понятия. Мы задаемся вопросом: что делает нейрон селективным? Почему один нейрон реагирует на конкретное лицо, а другой — на определенный звук? Изучая переменные кодирования на уровне отдельного нейрона, мы раскрываем принципы, по которым мозг дробит непрерывный поток сенсорной информации на дискретные, значимые единицы.
- Ключевой задачей является сопоставление селективности отдельных нейронов и популяционного кода. Воспоминание или восприятие никогда не представлено активностью одного-единственного нейрона магистра Йоды. Оно рождается из уникального паттерна возбуждения тысяч и тысяч нейронов, работающих вместе. Индивидуальная селективность нейрона — это его «профессия», а популяционный код — это «язык», на котором нейроны общаются, чтобы создать целостный образ. Мы исследуем, как избирательность отдельных клеток вписывается в общую картину активности нейронного ансамбля. Как динамически перестраивается этот ансамбль при обучении? Как он искажается при патологиях? Понимание этого перехода от единичного элемента к системному свойству — центральная проблема в исследовании нейронных основ субъективного опыта.
3. Нейробиология сознания: от бодрствования к анестезии
Понимание нейронных основ сознания — одна из главных задач современной науки. Мы подходим к этой проблеме, сравнивая работу мозга в разных состояниях.
Анестезия предоставляет нам уникальную экспериментальную модель. Она обратимо «отключает» сознание, оставляя многие автоматические функции мозга нетронутыми. Сравнивая картину нейронной активности в бодрствовании и под наркозом, мы можем вычленить ключевые компоненты, необходимые для сознания. Работы по регистрации нейрональной активности in vivo во время анестезии позволяют идентифицировать критические узлы в нейронных сетях мозга, потеря активности в которых приводит к утрате субъективного опыта. Мы исследуем, как анестетики нарушают не просто активность, а именно способность нейронов формировать сложные, интегрированные паттерны, лежащие в основе сознания.
В состоянии бодрствования мозг демонстрирует сложную, десинхронизированную электрическую активность, отражающую обработку информации и ее интеграцию в единое целое. Мы исследуем, как взаимодействуют нейроны, чтобы поддерживать это состояние, и как в нем рождаются содержательные переживания. Какова разница в активности нейронов, когда животное просто бодрствует, и когда оно осознает стимул или принимает решение? Мы изучаем, как информация, обрабатываемая в специализированных зонах, становится частью субъективного осознания, и какие системы мозга ответственны за этот процесс.
