Нейробиология

ЗАВТРА, в 20:30 в наших соцсетях выступит Виктория Коржова, PhD in нейробиологии в Ludwig Maximilian University of Munich.

Сейчас Вика работает Product Manager в бутик-консалтинговой компании Product People и консультирую студентов и молодых ученых по вопросам научной карьеры и ведет телеграм-канал об этом.

Вика расскажет о своей работе над изучением синдрома Альцгеймера и научной карьере в целом.

План выступления

Задавайте вопросы в комментариях и Вика ответит на них во время прямого эфира. Кроме того, она расскажет:

• Что исследовала в аспирантуре: про активность нейронов при болезни Альцгеймера и как мы это можем исследовать на мышах. Немного про это вот тут
• Про поступление в аспирантуру за рубежом и про научное образование, стажировки и работу в науке за рубежом
• Про уход из академии и смену карьеры
• Про научпоп: в России Вика уже 9 лет помогает порталу Биомолекула, сперва как автор, сейчас как редактор
• Как Вика в течение 6 лет я организовывала научпоп фестивали и руководила самым большим научпоп лекторием в Мюнхене

До встречи в эфире!

На этой неделе в наших соцсетях выступала Виктория Коржова, PhD in нейробиологии в Ludwig Maximilian University of Munich.

Сейчас Вика работает Product Manager в бутик-консалтинговой компании Product People и консультирую студентов и молодых ученых по вопросам научной карьеры и ведет телеграм-канал об этом.

Вика рассказада о своей работе над изучением синдрома Альцгеймера и научной карьере в целом.

---

Всем привет, меня зовут Виктория Коржова. По образованию я биолог и нейробиолог, защитила диссертацию по нейронаукам в Мюнхене, в университете Ludwig Maximilian. Сейчас работаю как продукт-менеджер в компании Product People. Напрямую моя деятельность сейчас с наукой или исследованиями не связана; мы работаем с очень разными продуктами как продукт-менеджеры, которые иногда более-менее к науке или научным вопросам близки.

Сначала я расскажу, как эта история развивалась; может быть, про то, почему я в науке больше не работаю, и почему я, несмотря на это, защитила диссертацию. И, может быть, немного прокомментирую злобный комментарий, который мне уже оставили на Хабре, потому что такие комментарии регулярно приходят и, наверно, могут кого-то напугать, кто чувствует себя в какой-то похожей на мою ситуации.

Я после школы не то чтобы хорошо представляла, чем в жизни можно заниматься. В школе про это как-то мало говорилось; я надеюсь, что сейчас у современных школьников ситуация получше, что больше разговаривают о том, чем можно заниматься в жизни, какие бывают профессии, как университетское образование связано с профессиями. Но, когда я заканчивала школу, было больше ощущение, что университетское образование это продолжение обучения, и можно выбрать те предметы, которыми вы хотите больше заниматься, больше изучать. И я выбрала биологию, потому что биология была интересна. У меня вроде бы неплохо получалось, я участвовала в олимпиадах; по сравнению с другими предметами казалось, что это более интересный предмет. Поэтому я пошла на биофак, поступила в СПбГУ, и учиться было очень интересно. Было интересно узнавать, как все устроено, как устроен мир, разные вещи в природе. Нам много рассказывали на лекциях про замечательных ученых, которые делали открытия, и я думала да, я буду ученым, буду заниматься исследованиями и делать открытия.

Уже со второго курса я начала ходить в лабораторию. Читала научные статьи, несмотря на то, что это было очень сложно и непонятно, потому что мне не хватало бэкграунда, но я старалась. Старалась учиться делать что-то руками, какие-то эксперименты делала. И в результате сделала бакалаврскую работу по изучению белков амилоид-бета и PRP в модельной системе дрожжей. PRP это белок, который связан с прионными заболеваниями, а амилоид-бета связан с болезнью Альцгеймера. В процессе изучения я стала читать много статей про мозг, про нервную систему, про эксперименты на животных или препаратах нервных клеток. Так я заинтересовалась нейробиологией. К концу бакалавриата я захотела заниматься именно ею, а не молекулярной биологией, которой хотела заниматься изначально (почему и пошла в лабораторию, которая занималась генетикой, и делала работу с дрожжами).

Я решила, что хочу скорее работать как исследователь, который занимается изучением животных и конкретно нервной системы. Поэтому в магистратуре я пошла в другую лабораторию. Там я сначала занималась исследованием болезни Паркинсона на крысах. Мы моделировали эту болезнь и изучали, как может помочь при этом заболевании повышение производства белков теплового шока. Эти белки можно разными способами индуцировать, и они, как предполагается, могут помогать при болезни Паркинсона и других заболеваниях, где агрегируют белки.

Потом, довольно неожиданно для меня, я перешла в другую лабораторию. Открылась новая лаборатория в Политехническом университете, и они занимались очень интересными вещами, и у них было такое оборудование, с которым я только мечтала тогда работать например, двухфотонный микроскоп. И я перешла на второй курс магистратуры в ту лабораторию. Мне повезло, что лаборатория тогда еще устраивала поездки своих новых студентов, аспирантов и научных сотрудников в лабораторию в США, которой руководил тот же руководитель, который открывал лабораторию в Питере. Я тогда поехала на стажировку в США, и получила больше опыта о том, как идет работа в разных странах. Я сделала там свой магистрский проект, в котором я занималась оптогенетикой на культуре нейронов и изучала болезнь Хантингтона.

У меня также за время магистратуры было два других опыта международной работы. На первом курсе я ездила на стажировку в Швейцарию, в Лозанну, где я изучала молекулярную нейробиологию. И после окончания второго курса магистратуры я была на стажировке в Израиле, в институте Вейцмана, где я тоже изучала молекулярную нейробиологию и морфологию.
А после этого я поступила в аспирантуру в Германии. К концу магистратуры я была уже серьезно убеждена в том, что хочу заниматься именно нейробиологией, изучать что-то в нервной системе. Мне казалось, что академические исследования это тот путь карьеры, который я хочу продолжать. Я был серьезно настроена на аспирантуру; хороших вариантов аспирантуры в России я для себя не видела по группе причин. Было мало лабораторий, которые занимались теми темами в нейробиологии, которые мне были интересны; с другой стороны, в тот момент в принципе было мало хорошо оснащенных лабораторий. Кроме того, шансов, что за интересную тему мне будут платить такую зарплату, на которую я смогу жить в Питере а я сама была приезжей тоже было мало. При этом, хотя мой опыт тогда был не очень большой в сумме я чуть больше полугода провела в разных стажировках за границей мне многое понравилось в том, как работают зарубежные лаборатории, во взаимодействиях между учеными, сотрудниками, студентами и аспирантами. Хотелось побыть подольше за границей, поработать, поэтому я целенаправленно искала зарубежную аспирантуру.

Не скажу, что мой выбор аспирантуры был идеальным. В нем были некоторые недостатки, которые стали понятны уже в процессе. Я не самым лучшим образом выбрала тематику; она меня интересовала, но не так сильно, как мне хотелось. Меня интересовала методическая часть, нравились методы, с которыми я работала, но мне не очень хотелось работать с болезнями, хотя мой предыдущий опыт был весь связан с болезнями. Я работала с белками, прионами, амилоидозом, с болезнью Паркинсона, с болезнью Хантингтона. Поэтому несколько предложений для аспирантуры, которые у меня были, тоже были связаны с болезнями. Мне не очень хотелось продолжать работу в этой области, но мне предлагали очень интересные методические проекты, и также предлагали приехать в Мюнхен, куда я очень хотела поехать; поэтому я решила, что соглашусь на этот проект.

Кроме того, как я поняла в дальнейшем, я выбрала не самого подходящего для меня научного руководителя, с которым потом было не всегда просто работать. И оказалось, что в моем интересном проекте было много технических сложностей, на которые часто не хватало поддержки и знаний внутри лаборатории. Это было довольно сложно. И тут мне часто задают тот самый вопрос: как ты можешь давать людям советы о том, как в аспирантуру поступать, если даже сама не слишком хорошо выбрала аспирантуру? Моя позиция состоит в том, что, потому что я осознала те ошибки, которые я сделала, я могу давать хорошие советы. Я знаю, какие бывают неудачи, и понимаю, почему это происходит. Во многом мой неудачный выбор был связан с тем, что, когда я искала позицию за рубежом, мне все это казалось очень сложным. Несмотря на то, что у меня уже были стажировки, мне все равно казалось: ну, хоть куда-то меня возьмут, и уже будет хорошо. Это несмотря на то, что у меня было несколько предложений в аспирантуру из очень хороших мест. У меня все равно было много сомнений в том, что я молодец, и что можно искать то, что мне реально подходит. Мне казалось, что нужно соглашаться на то, что мне уже предлагают, и особенно не выкобениваться.

На самом деле, по реальным оценкам, у меня был хороший профиль, и я могла гораздо больше выбирать, и выбирать что-то более подходящее для себя. Но было страшно, было непонятно, и тогда мало кто давал советы по этому поводу. И поэтому особенной поддержки не было. Так что я, как человек, который прошел этот путь, пытаюсь поддержать студентов, которые сейчас ищут аспирантуру, помочь им поверить в свои силы, в то, что выбирают не только их, но и они. Они могут быть критично настроены к тем вещам, которые для них важны, и бороться с этим impostor-синдромом. Также я хочу помочь ребятам избежать тех плохих решений, которые я сделала.
Что произошло во время аспирантуры? Я поняла, что, когда ты учишься в университете и только часть времени работаешь в лаборатории, или ты работаешь на проекте, который длится всего 2-3 месяца и заканчивается, и ты снова возвращаешься на учебу, совмещенную с работой в лаборатории такая ситуация сильно отличается от того случая, когда ты ходишь в лабораторию каждый день, делаешь много рутинной работы, и у тебя довольно мало разнообразия в работе, потому что учебы как таковой больше нет. Твое основное занятие теперь это как раз рутинная работа. Когда ты учишься в университете, твое расписание гораздо более разнообразно: у тебя много лекций, разные занятия, предметы, экзамены. Все это перемежается с работой в лаборатории, получается динамичная жизнь и работа это веселит. Я поняла, что мне не очень подходит такая работа, где много научно-экспериментальной рутины: я устаю от рутинной работы, начинаю быть не очень сфокусированной и мотивированной, работать становится сложнее, мне приходится себя заставлять. Это было не очень прикольно.

Одновременно я наблюдала два других момента. Я видела, что есть мои коллеги, которым очень нравится экспериментальная работа: провести всю неделю с пипеткой в руках это прикольно для них. Они входят в какое-то медитативное состояние, и им хорошо. Другое, что я наблюдала что были у меня дополнительные занятия. Я занималась организацией разных мероприятий, организацией команд, построением разных стратегических планов, я помогала людям работать вместе эффективно и там были задачи, которые мне гораздо больше нравились. Больше было работы, связанной с людьми, которой в академии очень мало. В академии ты обычно работаешь сам с собой, и мне не хватало общения и взаимодействий.

В общем, я наблюдала, что есть какие-то вещи, которые мне не нравятся. И это не то, что по умолчанию тяжело; кому-то такие вещи подходят и нравятся, а мне не очень. Но были другие занятия, которые мне нравились, у меня хорошо получалось заниматься организационной работой хотя не у всех моих коллег и знакомых это получалось, и некоторым было тяжело и утомительно то, что для меня интересно. Поэтому я стала думать о том, что, наверно, после аспирантуры стоит искать работу не в исследовательской позиции, а какую-то другую.

При этом я изначально думала, что хотела бы оставаться в академии, заниматься чем-то близким к научной работе, чтобы использовать свое образование. Мне нравилась наука мне нравилось узнавать что-то новое, обрабатывать и синтезировать информацию, общаться с учеными. Поэтому моя первая идея состояла в том, чтобы после аспирантуры пойти работать в научный менеджмент заниматься административно-менеджерской работой в академической организации и помогать ученым эффективно работать, не занимаясь при этом непосредственно исследовательской работой. Я пошла работать в администрацию аспирантской программы, где я, в том числе, работала в приемной комиссии. Мы занимались набором новых студентов, организацией учебного процесса, помогали с разными вопросами организации их времени в аспирантуре, того, как они что делают, как строятся их взаимоотношения с руководителями и как помочь им это делать лучше.

Во многом это была интересная работа. Мне нравилось, что я много взаимодействую с учеными. Я много узнала о том, как устроена администрация, финансирование науки. Но через какое-то время снова стало скучновато. Я уже говорила про то, что в университете веселее благодаря разнообразию; я поняла, что для меня разнообразие в работе, работа с разными задачами, большее количество работы с людьми очень нравится и помогает мне быть продуктивной. А больше количество однообразной работы меня довольно быстро начинает утомлять. И я стала думать, что делать дальше.

У меня был ограниченный контракт на два года в этой администрации. Я решила, что хочу дальше работать не в академии, а в коммерческой компании. В коммерческой компании гораздо более динамическая обстановка и более прикладные задачи, которые находят применение в ближайшем времени, а не в далеком будущем. Я поняла, что это важный для меня параметр: чтобы результаты моего труда помогали людям уже в ближайшее время, а не когда-нибудь. Поэтому следующая моя работа была в коммерческой компании; опять же, было очень близко к академии, к науке, потому что эта компания делает и продает научное оборудование, оборудование для нейробиологических экспериментов таких, как те, которые я делала сама в аспирантуре. Мне хотелось продолжать взаимодействовать с учеными и при этом быть в коммерческой среде и это была идеальная ситуация, где я могла использовать свои прошлые знания, свои какие-то контакты. Мое понимание работы ученого было полезно в общении с клиентами, в поиске новых потенциальных клиентов, в том, чтобы помогать им понять, насколько наше оборудование им подойдет. В этой позиции я проработала почти год. Я занималась непосредственно продажами, digital-маркетингом, общалась с учеными, собирала фидбек от действующих клиентов, чтобы понимать, как дальше развивать продукты.

К сожалению, эту работу я потеряла во время эпидемии. Компания была маленькая, и для них это был очень тяжелый период, а я была единственным иностранным сотрудником, который работал удаленно. Мой контракт разорвали, и я стала думать окей, что будет следующее. Из моего опыта работы и дополнительной волонтерской деятельности я знала, что мне нравится, чтобы среда была динамическая, чтобы нужно было разбираться в новых темах, собирать информацию, анализировать ее, обобщать, делать выводы. Мне нравится стратегическая работа, мне нравится обдумывать, как сделать что-то лучше, мне нравится определять, как вещи устроены, как сделать их лучше. И мне нравится, чтобы результаты моего труда находили применение в реальной жизни.
Поэтому, после некоторых размышлений, я решила, что мне подошла бы позиция продукт-менеджера. Продукт-менеджер обычно работает в коммерческих компаниях на стыке разных функций; с одной стороны есть бизнес-задачи и достижение коммерческих результатов, а с другой желания клиентов, понимание того, что нужно клиентам, понимание рынка и индустрии. И немного связи с дизайном, понимания user interface это тоже важно. Поэтому я стала искать позицию продукт-менеджера, и довольно быстро нашла стажировку в компании, где я сейчас работаю. Стажировка была хорошим способом протестировать, насколько мне действительно подходит эта работа, или это не то, что я думаю; оказалось, что подходит. Я очень рада, что выбрала именно эту компанию: это консалтинговая компания, и у нас нет какого-то своего продукта. Мы работаем с разными продуктами наших клиентов, у нас очень много динамичности, очень много переключения контекста, необходимости разбираться в новой индустрии, понимать, что там важное, что второстепенное; понимать разных клиентов, понимать, как что работает. Это очень интересная динамичная среда, и сейчас я продолжаю работать в этой компании.
Я работала с разными клиентами. У нас были из клиентов логистическая компания, кибербезопасность, медицинские технологии два разных клиента, было приложение для людей, которые увлекаются яхтингом. Был клиент из недвижимости, был производитель электрических скутеров. Очень разнообразные индустрии, разные темы, которые нужно осваивать.

Q: в какие компании можно пойти биологу, которому интересна нейробиология, но в академию не особо хочется идти?

В разные компании. Я думаю, лучше думать не с точки зрения в какие компании пойти, а с точки зрения какую работу хочется иметь и какую функцию выполнять. И там уже смотреть, в каких компаниях какие функции есть.

На самом деле, что значит интересна нейробиология? Какая область? Это же очень большая тематика. Хочется заниматься нейробиологией, изучать ее, рассказывать про нее другим что именно из нейробиологии хочется, чтобы было в работе? Также полезно помнить, что не все наши интересы и увлечения должны становиться нашей работой. Мне по-прежнему интересна наука и научные открытия, но это скорее сейчас мое хобби и причина, по которой я долгое время занималась научпопом. Но я не считаю, что это обязательно должно быть моей работой.
Можно подумать: кроме того, что есть интересующая вас тематика, какие еще есть задачи, функции рабочие, которые вам хотелось бы регулярно выполнять? Что у вас хорошо получается, что вам нравится делать, где вы продуктивны, где вы чувствуете энтузиазм от задач? И потом подумать, как эти задачи совмещаются с интересующей областью или областями, чтобы увидеть, какие получаются профессии или позиции на стыке. И потом уже думать, какие есть компании.

Q: если есть вариант податься на стажировку в биотех/фармакомпании или пойти в лабораторию, то что было бы полезнее на начальных курсах биотехнологического бакалавриата?

Мне кажется, что полезно и то и другое. Лучше делать обе вещи, а не выбирать между ними. Это даст вам больше опыта и понимания этих разных областей: как работает фарма/биотех-исследование в коммерческой компании и как в академической среде. Вы сможете подумать над тем, что именно вам больше подходит. Между этими областями есть принципиальные отличия, а есть что-то общее. Из отличий я бы назвала то, насколько это прикладные исследования; нужно определить, в какой мере вам нравятся прикладные исследования. Кроме того, немного по-разному устроен рабочий день, немного разное оборудование, немного разные отношения в коллективе, в иерархии компании. Лучше изучить и то, и другое, чтобы потом было из чего выбирать.

Q: есть программистское образование и опыт. А вот хочется приложить свои навыки в пока абстрактную нейронауку. Насколько я могу быть востребован у нейробиологов?

Давайте сначала разберемся с нейронауками. Нейронауки это несколько более широкая область, чем нейробиология. Когда мы говорим про нейробиологию, мы имеем в виду, прежде всего, изучение животных; на втором месте изучение человека. Если мы говорим про человека это изучение работы нервной системы на клеточном или молекулярном уровне. Если мы говорим про животных это как исследование поведения, так и клеточный и молекулярный и системный уровень исследований; в основном экспериментальная работа в лаборатории, то, что называется wet lab. То есть, эксперименты с пробирками, жидкостями, микроскопами.

В нейронауке также есть cognitive neuroscience когнитивные науки, когнитивная психология, когнитивные нейронауки. Когда мы говорим про когнитивные исследования, мы имеем в виду исследования человека; может быть, в какой-то степени также высших приматов, где мы исследуем по большей части поведение и какие-то основы этого поведения в мозгу, но на высоком уровне. То есть, человека нельзя вскрыть, его можно только целиком изучать. И мы можем с помощью неинвазивных методов измерять активность его нервной системы и соотносить это с его поведением и восприятием окружающей среды. Это исследования с помощью электроэнцефалографии, функционального МРТ, магнитной энцефалографии, просто поведенческие эксперименты.

Где можно применять программистское образование и опыт? С одной стороны, можно применять в когнитивных нейронауках. Для того, чтобы анализировать данные с этого всего оборудования (ЭЭГ, ФМРТ и так далее) и соотносить их с поведением, нужно много программировать. Это анализ больших, сложных данных. Большие массивы данных также есть в некоторых нейробиологических экспериментах, которые касаются молекулярной биологии там тоже востребовано программирование. Поэтому тут много вариантов. Я думаю, что вы можете быть востребованы в зависимости от того, что вы хотите получать в обмен на свой труд; чем меньше вы хотите получать, тем больше вы будете востребованы.

Постарайтесь понять, какие вам конкретно интересны тематики. Когда вы говорите про нейробиологию или нейронауку про что вы думаете, какие темы в вас зажигают интерес? После этого поищите научные группы в академии или исследовательские группы вне академии, если они есть (зависит от тематики если тематика достаточно прикладная, то они должны существовать). Обратитесь к ним, спросите, что они думают, какие у них потребности, можете ли вы им помочь.

Q: какие советы можете дать тем, кто только-только собирается поступать в магу за рубеж и начинать свой академический путь?

Во-первых, я бы дала совет: академический путь надо начинать до того, как вы поступите в магу. Начинайте уже сейчас. Если мы говорим в плане научно-исследовательской работы идите в лабораторию как можно раньше и получайте практический опыт, его ничего не заменит. Это то, что даст вам дополнительные баллы при поступлении в магистратуру.

Старайтесь побольше узнать по то, что бывает в науке и вне науки, что вам интересно, что у вас хорошо получается для того, чтобы по окончанию магистратуры вы понимали, что вы можете делать, что вам хочется делать, как вы можете применять свои знания.

Не бойтесь ничего. Пробуйте. Помните, что точно не поступают за рубеж только те, кто никогда не пробует. Люди, которые хотят, при приложении усилий и времени, рано или поздно находят варианты. Конечно, зависит от того, насколько у вас хороший и готовый профиль, насколько у вас хороший бэкграунд, насколько у вас хорошие оценки. Шансы поступить за рубеж есть у всех, но иногда на это нужно приложить больше времени и усилий. Все возможно. Не бояться и пробовать однозначно стоит.

Q: на каком курсе вы впервые поехали на стажировку?

Я поехала на стажировку после первого курса магистратуры. Я пробовала подаваться на 3-4 курсах бакалавриата, но меня не взяли может быть, потому что мои заявки не были хорошо написаны. К первому курсу магистратуры я поняла, как лучше писать. Опять же, мне кажется, сейчас студенты находятся в гораздо лучшей ситуации: когда я училась в бакалавриате, еще были 2007-2011 годы. ВК только появился, там особенно не было полезной информации, мало говорилось о зарубежной стажировке. Интернет был не так доступен, как сейчас; сложно представить, но на первом курсе бакалавриата у меня даже не было компьютера я пользовалась интернетом в библиотеке университета. Многие вещи тогда были менее известны, и было сложнее. Российские студенты меньше ездили на европейские, американские или азиатские стажировки; меньше было тех, кто уже это сделал они где-то были, но никто их не знал, и никто не давал никаких советов. Опять же, одна из причин, почему я стала рассказывать про это, весть какую-то просветительскую деятельность для студентов чтобы больше людей имело возможность попробовать, определить, нравится им это или нет, получить опыт кроме того, что уже есть в университете.

Q: когда нужно начинать планировать научную карьеру? какую специальность желательно изучать на бакалавриате, если ребенок хочет заниматься генетикой?

Это довольно сложный вопрос какую специальность изучать. По двум причинам. Во-первых, интерес может измениться; если старшеклассник хочет заниматься генетикой, то это не значит, что после окончания бакалавриата он все еще будет хотеть ею заниматься. Это как раз история про меня: когда я пошла в университет, я была убеждена, что хочу заниматься генетикой, но в результате я защитила PhD по нейронаукам, занималась нейробиологией на физиологическом уровне, очень далеко от генетики. Мой интерес к генетике и молекулярной биологии уменьшился, я поняла, что для меня это не так интересно, как изучение на более высоком, системном уровне поведения нервной системы.

Второй момент: менять специальность потом можно будет. Не так принципиально наличие формального образования по генетике для того, чтобы после бакалавриата заниматься генетикой. Много разных образований подойдет. Можно иметь молекулярно-биологическое, технологическое, медицинское образование и все равно заниматься генетикой.

Генетика бывает разная. Важно понимать, что не будет 100% совпадения между тем, что человек изучает на бакалавриате и тем, чем он потом будет заниматься, и это нормально. Есть смысл идти на специальность, которая интересна и которую можно изучать на хорошем уровне. На самом деле, не по всем специальностям есть хорошие вузы особенно есть ограничиваться регионально. Если человек не может уехать учиться в Москву или Питер, то остается гораздо меньший выбор специальностей из региональных вузов. Стоит делать выбор скорее в сторону более хорошей подготовки, чем в сторону 100% совпадения с интересующей специальностью.

Поэтому, если хочешь заниматься генетикой, я бы сказала, что следует сначала подумать: какая именно генетика? Это скорее медицинская генетика, применимая к пациентам, или исследовательская, которая определяет, как это все работает? Или третий вариант биотехнологическая генетика. Если медицинская можно идти в медицинский вуз, на медико-биологическую специальность; она подразумевает, что человек работает с пациентами и работает, прежде всего, с генетикой человека. Исследовательская генетика здесь лучше идти на биофак или на какую-то фундаментальную биологическую специальность; биоинформатика или биоинженерия тоже подходят сюда. Этот вариант больше про то, как все работает; вы будете исследовать в лаборатории, ставить эксперименты. Третий вариант биотехнологии это больше про то, как применять знания генетики для того, чтобы производить что-то в промышленном масштабе, например, лекарства. Тут и выведение каких-то новых растений для того, чтобы создавать новые продукты питания. То есть, здесь вы будете делать скорее что-то промышленное для того, чтобы было производство. Не просто изучать, как все работает, а применять на практике.

Если у ребенка уже есть понимание того, в какую из сторон направлен его интерес, то можно сделать выбор. Если точного понимания нет, то можно пойти в бакалавриат на биофак и процессе разобраться, какие темы больше интересуют.

Q: какие советы можете дать провинциальным студентам, которые хотят в науку? Стоит ли на первых курсах переживать по поводу отсутствия возможности участия в конференциях/практики в лабе?

Главное совет стараться работать в лабе. В провинции с этим сложнее, но какие-то лаборатории все же есть. Выбирайте из тех лабораторий, которые есть, самые толковые, по более-менее подходящим по интересам темам. Тут так же, как и с университетом: не обязательно 100% попадание. Если ваш первый опыт в лаборатории, или даже дипломная работа не будет на 100% по той теме, которой вы хотите заниматься в дальнейшие годы это тоже нормально. Если вас научат делать хорошие вещи, если вас научат работать руками, вы узнаете, как вообще строится научный процесс это уже хорошо. То есть, поищите, какие лабы все-таки есть и постарайтесь начать работать в той, которая достаточно адекватна, где делают экспериментальную работу, публикуют хотя бы какие-то статьи. Тогда вы будете понимать, как все устроено.
В конференциях участвовать, принципе тоже можно. В России достаточно много студенческих конференций, на которые несложно попасть, и, когда вы начнете работать в лабе, у вас будут такие шансы. Но конференции на ранних этапах имеют гораздо меньшее значение для будущего вашей карьеры. Гораздо важнее получить опыт практической работы в лаборатории.

Q: есть ли смысл (и полезно ли это) подаваться на летние стажировки после первого курса, если у тебя не идеальные средние баллы? (но есть олимпиадные заслуги, правда, не на международном уровне)

Во всех случаях, когда меня спрашивают стоит ли подаваться однозначно стоит. Даже если вы никуда не пройдете вы потренируетесь, и вы впервые это сделаете, у вас уже будет какой-то опыт. В следующей раз подаваться уже будет не так страшно. Если вы отложите это на год будет все еще страшно, и это будет мешать. Страх несколько блокирует мыслительные способности, и студенты, которые сильно переживают, довольно плохо пишут заявки и допускают ошибки. Это нормально. Лучше этот этап пройти пораньше, а через год у вас будет больше опыта, лучше оценки, и вы сможете подаваться с меньшим страхом. И у вас лучше получится. Хуже от подачи точно не будет.

Q: можно ли совершить подобный путь: программист -> доп. образование Института биоинформатики -> Сколтех или другой вуз -> развиваться в сторону нейроинтерфейсов / нейрофизиологии? Я на втором курсе бакалавриата сейчас

Если отвечать прямо на вопрос конечно, такой путь можно совершить. Если вы хотите спросить что-то более конкретное, что я могла бы подсказать по поводу этого пути напишите, пожалуйста, более конкретный вопрос. В широком смысле, в нейронауках работают люди с очень разной изначальной подготовкой. Люди с computer science, биологи, программисты, физики, психологи, инженеры. Бакалаврская специальность не является жестким ограничением, если она все-таки из областей STEM наука, технологии, инженерия, медицина. Из всех этих областей можно легко перейти в нейронауку.

Q: так чем интересна ваша биография, помимо стандартного пути после PhD ушел продавцом оборудования? И того, что вам повезло с лабораторией, которая отправляла сходу на стажировки?

Я не знаю. Я и не говорила, что моя биография чем-то интересна.

если вы не готовы работать каждый день просто сразу не идите в науку, а то будете тем студентом, на которого мы в лабе потратим время и ресурсы, а потом не, ну не мое это
Если вы уже знаете, что не хотите заниматься наукой да, не надо. Но, если вы думали, что хотите, пробуете заниматься, а потом оказывается, что нет, то ничего страшного. Вы по-прежнему нормальный, хороший человек.

Q: существует ли удаленная работа в мире биотехнологий и биоинформатики?

В биоинформатике 100%, вы работаете с компьютера из любого места. В мире биотехнологий смотря, чем вы будете заниматься. Если по биотехнологиям вы поднимаете работу промышленно, там есть разные аспекты; есть работа на производстве, есть R&D мокрая биологическая работа, которую можно делать только в лаборатории. Но есть также много работы, связанной с анализом данных, которую можно делать удаленно но она стоит ближе к биоинформатике. Также бывают работы, связанные, например, с анализом литературы то есть, надо читать эту литературу, вычленять важную информацию. Это очень важно в биотехе и фарме, и это тоже можно делать удаленно. Прежде, чем фармкомпания займется поиском нового лекарства, нужно узнать, что уже было в литературе по этому поводу, какие есть предполагаемые потенциальные вещества и для этого нужно, чтобы аналитик сидел и читал научные статьи.

Q: как начать академическую карьеру, если ты из очень слабого по науке ВУЗа, и поступил в аспирантуру в другой хороший ВУЗ, но к плохому руководителю?

Если вы попали к плохому руководителю, самый лучший способ это найти хорошего руководителя и перейти. Нет никакого обходного пути. Если вы знаете, что это временное дело например, вы пришли делать дипломный проект, сделаете его за год, и можно будет потом перейти то может быть, год потерпеть стоит, если вы получаете от этого опыта что-то полезное. Если вас учат методам, если лаборатория по каким-то параметрам хорошая. Но если ничего такого нет я не вижу смысла оставаться. Ищите другого руководителя.

Может быть, если у вас совсем мало опыта в исследовательской работе вы пишете, что вы из слабого по науке вуза то, возможно, стоит потерпеть ради наработки опыта. Имея хотя бы год опыта за плечами, можно будет найти другую лабораторию. А пока старайтесь знакомиться с другими лабораториями в этом вузе, общайтесь с людьми, узнавайте, какие лаборатории чем занимаются, где кого ищут, какие нужны знания и навыки для поиска более подходящего места.

Q: не надо идти в аспирантуру, нужно идти в НИИ

Это не очень хорошее обобщение, но все же это стоит иметь в виду. Хотя есть сильные лаборатории при российских вузах, не забывайте, что можно заниматься наукой в НИИ.

Аспирантуру или кандидатскую диссертацию тоже можно делать там, не обязательно быть в вузе. Если вы ищете новую лабораторию рассматривайте все лаборатории вашего города по интересующей вас тематике, в том числе те, что в НИИ.

Q: как часто после русской магистратуры можно поступить в зарубежную? Направления смежные или одинаковые, когнитивные науки

Можно поступить. Не то чтобы часто это люди делают, и я не могу сказать, что это самое лучшее решение. Надо понимать, почему вы хотите это сделать. Если вы уже можете поступить в аспирантуру почему бы не сделать этого? В материальном смысле это более легкая задача, в зарубежной аспирантуре вам будут платить зарплату, на которую будет можно жить, а в магистратуре нужно будет получать стипендию, и это может быть сложнее, чем получить место в аспирантуре.

Хотя есть и позитивная сторона. Если вы не уверены, что вы хотите еще 4-5 лет заниматься исследовательским проектом, то есть, не уверены, что хотите идти в аспирантуру, то магистратура может быть хорошим решением. Побольше узнать, потестить; может быть, узнать подходит ли вам заграница, хотите ли вы там жить и работать или нет.

Как часто я не могу сказать в процентах, потому что не занималась анализом этой информации. Но такое возможно и происходит.

Q: вы упоминали негативные комментарии на хабре, как бы вы посоветовали справляться с негативом публичному спикеру?

Я не знаю. Негативные комментарии всегда получать неприятно, потому что это нормальная эмоциональная реакция любого человека, когда ему говорят, что он вообще никто. С другой стороны вспомните про позитивные комментарии? Если для кого-то то, что вы делаете, полезно, если кто-то ценит то, что вы рассказываете, если кому-то это помогает, то это достаточно хороший повод, чтобы продолжать это делать. Особенно, если вам нравится это делать.
Люди, которые высказывают негативные комментарии и критикуют все на свете, обычно чем-то сильно недовольны по жизни и ищут, где бы им поделиться своим недовольством. Скажем откровенно, нужно много сил и времени для того, чтобы пойти и написать большой, подробный злобный комментарий в то время, как не очень понятно, какое ты можешь привнести изменение. В ситуации, когда что-то плохое происходит, можно сказать ребята, это плохо, нельзя так делать; но, когда ничего плохого не происходит, но люди все равно приходят и в комментариях льют на вас желчь ну, наверно, у них трудная жизнь.

Q: можно ли экстраполировать опыт поступления в аспирантуру по нейробиологии на другие специальности?

Экстраполировать какой-то опыт одного человека можно только в ограниченной степени.

Q: встречаю много историй / советов от том, как поступали в областях биологии / медицины / и. т.д., но о своей специальности нахожу мало информацию. Общие шаги поступления одинаковые или есть отличия?

Если говорить про зарубежную аспирантуру, то отличия связаны со страной, со специальностью и с особенностями конкретного университета или научного центра, где вы будете делать аспирантуру или куда вы будете поступать. Но есть и общие советы, главный из которых ищите хорошего научного руководителя. Это тот, который будет вам хорошим супервайзером, будет вам помогать в вашем проекте, будет вас учить, будет ментором, и которому будет небезразлично, что с вами будет после аспирантуры. Это ключевое, и это одинаково для всех специальностей. В остальном на самом деле, вопросы подготовки документов не так сложны, их можно найти по любой специальности. Конкретики полно, и это должно быть написано на сайте принимающей организации, куда вы поступаете. А дальше можно поискать какие-то советы. Но в целом, советы по составлению документов вроде как писать хорошее CV по научной области или как написать хорошее мотивационное письмо они одинаковы. Я успешно помогала студентам разных специальностей готовить документы и биологам, и физикам, и химикам, и студентам гуманитарных специальностей, и психологам, и историкам, и экономистам. Все очень похоже. При приеме на работу в нашу компанию идеи те же самые: написание CV и мотивационного письма переносится и на индустрию. Это если вы за этими советами не ищете формальные шаблоны например, какие слова надо писать а понимаете, в чем, собственно, идея. Когда вы уловили идею, вы можете везде ее применять.

Q: насколько важно крутое CV при поступлении в магу? Я скоро выпускаюсь и переживаю, что за период бакалавра не было ни статей, ни конференций

Ничего страшного, что не было статей и конференций. Такое бывает. Поступить в магистратуру можно без конференций и тем более статей; статей для поступления в магистратуру никто не ожидает.

Насчет CV не могу ответить на такой вопрос. Все важно, все документы, которые есть в заявке, важны, они все влияют. Чем лучше каждый из документов, тем лучше вся заявка в целом. Нельзя ни на один забивать. Нужно каждый вариант подготовить максимально хорошо, как вы только можете в этом главная идея.

Q: [продолжение вопроса о плохом руководителе] В нашей лабе это невозможно есть ли смысл менять город?

Если возможно менять город конечно, есть смысл менять город. Если вы пойдете в аспирантуру с плохим руководителем ничего хорошего из этого не выйдет. Вы можете просто разочароваться и бросить по дороге. Вас, скорее всего, мало чему хорошему научат, и ваши шансы найти более интересную работу с лучшим руководителем будут уже ниже.

Q: кстати, что там у вас была за идея про БП и белки теплового шока? Я как-то не видел литературы о связи патогенеза БП с этими белками. Или это предполагались биомаркеры для диагностики? Я недопонял

Идея в том, что белки теплового шока могут помогать предотвращать либо уменьшать количество агрегированных белков в амилоидозах. Я не следила последние несколько лет подробно за этой темой, поэтому не могу сказать, какая есть новая литература, но, в целом: белки теплового шока занимаются укладкой белков, помогают уничтожению либо неправильно сложенных белков, либо клеток, в которых находятся агрегаты белков. Собственно, в этом была идея. Гипотеза нашей работы той, которую я сделала за год как студент магистратуры, это не была масштабная работа, а маленькое пилотное исследование была в том, что мы смотрели, будет ли активация белков теплового шока снижать количество нейронов, которые погибли в черной субстанции при вводе туда вещества, название которого я забыла, но которое мешает нормальной очистке поврежденных или агрегирующих белков.

Q: как при поступлении на PhD реагируют на год работы после вуза?

Нормально реагируют в Европе, Америке, Великобритании. Люди далеко не всегда идут в аспирантуру сразу после магистратуры. Они работают иногда в лабораториях как research assistant, или даже в индустрии какое-то время год, два и потом все-таки решают поступать в аспирантуру.

Q: можете поподробнее рассказать конкретно про вуз (Ludwig Maximilian University of Munich): что вам в нем понравилось/нет?

Я не могу подробно рассказать, потому что для аспиранта вуз это не такая важная вещь, как лаборатория. Лаборатория, в которой я работала, находилась даже не в самом вузе, а в научном институте. Формально я была аспирантом этого университета и проходила какое-то количество курсов в нем, но это совершенно не соответствует опыту студента, который учится в бакалавриате или в магистратуре. Вообще, это очень сильный вуз один из топовых в Германии по life sciences; собственно, он входит в топ-2 вместе с Техническим университетом Мюнхена и соревнуется с ним за первое место. Они отличаются программами; скорее, важнее смотреть учебную программу и выбирать вуз, исходя из этого, а не из каких-то других параметров.

Q: если выбирать между отличным средним баллом и работой в лаборатории / стажировкой, то что лучше выбрать?

Лучше ничего не выбирать. Но тут еще не хватает информации: зависит от того, что вы хотите делать, и средний балл на каком этапе учебы? Если мы говорим о поступлении за рубеж, то средний балл будет иметь значение. Но также будет иметь значение ваш опыт работы и стажировки. Поэтому, по возможности, не стоит ни на что забивать. Это как в вопросе с документами. Один из параметров, по которым студентов выбирает это удалось ли студенту учиться достаточно хорошо, но достаточно хорошо это не означает отличный средний балл. В Германии этого почти никогда не бывает; самый высокий балл это 1.0, и студентов, которые получают 1.0 по результатам магистратуры только несколько процентов по всей Германии.
Работать в лаборатории однозначно нужно. И нужно стремиться не просто проводить там больше времени, но и делать осмысленную работу. Если вы приходите туда 5 дней в неделю и работаете по 8 часов, но вам не дают никакие настоящие экспериментальные задания, а дают (условно) мыть пробирки, то это для вас и вашей карьеры бесполезно. Если вы приходите 2 дня в неделю по 4 часа, но у вас есть проект, который вы постепенно продвигаете делаете эксперименты, получаете данные, анализируете, осмысляете то у вас будет опыт настоящей исследовательской работы, который вам потом пригодиться. Поэтому думайте о том, как в лаборатории делать осмысленную работу и учиться, а не просто проводить время.

Q: учусь в не очень хорошем вузе, 1 курс, что лучше: переводиться сейчас в вуз сильнее или остаться и поступать уже в магистратуру? Когда стоит готовиться к поступлению в магистратуру? Неудачный опыт поступления в бакалавриат, не хотелось бы повторить с магистратурой

Поизучайте сначала, какие магистратуры есть. В целом, если у вас есть возможность перейти в лучший вуз в этом есть много смысла. Вы будете получать более хорошее образование, у вас будет доступ к ресурсам сильного вуза, а не слабого. Поэтому перевестись будет однозначно лучше.

По поводу магистратуры тут очень зависит от вуза. Если у вас есть какие-то целевые вузы посмотрите, какие там требования для магистратуры, узнайте, что там ожидается, пообщайтесь с теми, кто сейчас там учится, узнайте, как их отбирали. Тогда вы поймете, когда вам нужно начать готовиться и что готовить.

Q: подтвердите или опровергните любимое утверждение российских либералов от науки: на западе вся наука делается в вузах, никаких НИИ и академии наук там нету, это пережиток совка

Академии наук есть, хотя они выполняют совершенно другую функцию, чем в России. Надо сказать, что в разных странах академии наук выполняют различные функции но, в основном, это более репрезентативная функция; это, скорее, про почетность. Стать академиком в Германии почетно, но академия наук не занимается распределением финансов, у нее нет своих институтов, ее функция скорее, репрезентация ученых в государстве и в общественном поле.
НИИ, естественно, есть. В разных странах они устроены по-разному, и финансируются из разных источников. Например, в США есть частные институты (и университеты тоже), которые финансируются из частного капитала. В Германии есть четверка больших сообществ: сообщества Макса Планка, Гельмгольца, Лейбница и Фраунгофера. Они имеют смешанное финансирование государственное и из частного капитала.

Так что НИИ есть, и у них бывает различное устройство и финансирование. То, что вся наука в вузах это, конечно, неверно.

Q: а наука в частных компаниях?

У частных компаний есть R&D с разной степенью прикладных вопросов и с разной степенью возможности работы над неприкладными вопросами. Например, в Google есть отдел, который занимается квантовыми компьютерами, хотя эти компьютеры пока не могут решать никаких задач и неизвестно, когда смогут. Это исследование, идущее на пользу науке.

Q: R&D отделы коммерческих компаний не совсем то, никто не даст вам публиковать результаты, например

R&D могут публиковать результаты. Зависит от того, что это за результаты и как они могут быть использованы. Компании публикуют клинические исследования, например.
Опять же, защитив патентом какое-то открытие, компания может обезопасить себя и потом опубликовать данные, если они имеют исследовательскую ценность.

Q: а насколько важно для работы в области нейронаук иметь профиль магистратуры такой же

Нет, на самом деле; я уже говорила, что нейронауками занимаются не только нейроученые, которые имеют специальное образование. У меня тоже нет образования нейробиолога из университета я закончила магистратуру по профилю физиология. В научных лабораториях, которые занимаются нейроисследованиями, есть математики, биологи, программисты, физики, инженеры. Потому что в нейронауках много разных ответвлений, много вопросов, которые нужно решать. В том числе разрабатывать устройства, программировать, анализировать данные. Так что можно иметь и другой профиль. Ищите, какая тематика вам интересна и думайте, как вы можете приложить там свои знания и умения.

Эксперименты на лабораторных мышах выявили способность мозга подавлять акустические шумы на уровне слуховой коры. Дэвид Шнейдер (David Schneider) с группой исследователей из Медицинской школы Университета Дьюка и Нью-Йоркского университета провели серию опытов, которая приблизила ученых к пониманию механизмов шумоподавления на уровне восприятия звука центральной нервной системой. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature. Ученые считают, что их исследование поможет понять, каким образом люди учатся говорить и исполнять музыку на различных инструментах, определить связь особенностей слуха человека и животных с конкретными участками слуховой коры. В экспериментах была использована аудиальная иллюзия (виртуальная реальность), разработанная для лабораторных животных.

Предмет исследования

В процессе эксперимента мышей заставили бегать на тренажере, при этом подменили звуки их шагов звуком, который существенно тембрально отличался от него. Известно, что источником шумов может быть как внешняя среда, так и действия индивида, например, шаги, речь и дыхание.

У человека, как и у животных в процессе эволюции развилась способность подавлять фоновые шумы, отличая их от внешних аудиальных раздражителей. Иными словами, мы предпочитаем не слышать постоянно шум нашего дыхания, а скорее будем прислушиваться к тому, что за неведомая бяка прискачет из внешней среды, может ли она нас съесть или, напротив, сгодится в пищу.

Эта способность стала одной из базовых основ нашего слуха. Сегодня нейронные цепи в слуховой зоне коры, которые учатся распознавать внешние и собственные звуки, а также маскируют и компенсируют их в восприятии, остаются малоизученными, если не сказать хуже, практически неизвестны нейробиологам.

Эксперимент

Ученые использовали 11 лабораторных мышей, сформировав у них ассоциацию постороннего звука с их шагами. Для этого было создано некое подобие виртуальной реальности, но не визуальной, а акустической. Животным фиксировали голову и ставили на миниатюрную беговую дорожку. В такт шагам воспроизводилась запись специальных звуков, которые назначались в качестве звукового сопровождения движений. Звук был принципиально новым и не похожим на естественный шум. При этом новый стимул от аудиального раздражителя постоянно отслеживался при помощи регистрации изменения локального потенциала поля (LFP).

Со временем кора перестала реагировать на раздражитель, а стимул с измененной частотой (изменение в пол октавы) был достаточно сильно подавлен и не вызывал столь выраженного возбуждения нервной ткани, как на старте эксперимента. Эффект был четко связан с движением мыши и не наблюдался в её отсутствие. В покое сенсорные нейроны слуховой зоны реагировали на тестовые звуковые раздражители также, как на прочие внешние звуки. Датчики также зафиксировали, что в инфрагранулярной части коры тестовые звуки вызывают более сильные изменения, нежели в супрагранулярной. Такая локализация ответной реакции свидетельствует, что в шумоподавлении принимают участие именно нейроны слуховой коры, а подавление происходит вне когнитивных процессов, как предполагалось в некоторых гипотезах ранее.

Подтверждение по Павлову и эволюционные закономерности

Для проверки результатов было проведено ещё несколько экспериментов. Мышей обучили поиску награды, который должен был начинаться после двух различных звуковых сигналов. Равно как и в первом эксперименте один из тестовых звуковых раздражителей ассоциативно привязали к двигательной активности.

Было отмечено, что сигнал, привязанный к движению, распознавался мозгом хуже, чем тот, что не был с ними связан. При этом в состоянии относительного покоя они одинаково хорошо распознавали оба сигнала.

В исследовании дополнительно упоминается эволюционная важность подавления собственных шумов. Особенно для мышей, которые являются потенциальными жертвами разнообразных хищников, а звук один из важнейших сенсорных индикаторов опасности. Многочисленные исследования подтверждают, что для человека аудиальные маркеры опасности также крайне значимы, что отмечается в исследовании о психоакустическом влиянии низких частот, работах о локализации источников звука в пространстве и т.д.

Система нейронного шумоподавления у человека, очевидно, выполняет и более сложные функции, уже привязанные к высшей нервной деятельности, таким как овладение устной речью, а также освоение исполнения на музыкальных инструментах. Дело в том, что этот, казалось бы, простой механизм на прямую связан с музыкальной памятью, которая в свою очередь имеет механизм репрезентативного предсказания звуков и способов их извлечения. Именно этот механизм позволяет связать слух, восприятие, память и моторные реакции в таких сложных комплексных процессах.

По словам Шнайдера В процессе речевого обучения и получения исполнительских навыков, мы прогнозируем извлекаемые звуки, которые намерены услышать. Например, перед тем, как нажать клавишу пианино. В дальнейшем (прим. авт.) сравниваем их с результатом в действительности. Несоответствие между ожиданиями и реальностью используем, чтобы корректировать исполнение. Со временем у нас получается все лучше, так как мозг стремится уменьшить количество ошибок.

В качестве заключения

Исследование Шнайдера и его коллег демонстрирует прямую зависимость между нейробиологическими возможностями слуха человека и животных с эволюционными механизмами, влияющими на их развитие. Полагаю, что пристальное изучение таких явлений и связей ключ к максимально глубокому пониманию феноменов и явлений, связанных с человеческим слухом.

Реклама
В нашем каталоге нет лабораторных мышей, литературы по нейробиологии, а в шоурумах не проводятся научные эксперименты, но мы готовы предположить широкий ассортимент аудио и видео электроники для бытовых и профессиональных нужд

В известной работе Емельянова-Ярославского Л.Б. Интеллектуальная квазибиологическая система. Индуктивный автомат (М., Наука, 1990) была предложена модель взаимодействия нейронов, образующих новые управляющие связи с формированием сети взаимодействий за счет добавления нового свойства, путем изменения функционального состояния нейронов (возбуждения) в зависимости от необходимости получения дополнительных энергетических ресурсов, с последующим использованием этих управляющих взаимодействий для получения общего свойства активности сети системы управления ресурсами. Гипотетическое допущение о необходимом притоке энергии и его последующем межнейронном перераспределении, потребовалось в качестве обоснования идеи возникновения и постоянного обновления импульсной нейронной индуктивности для поддержания активности нейросети. Очевидно автором модели так было понято, как могли бы работать нейронные механизмы живого протомозга на ранних эволюционных этапах. Также предполагалось, что в дальнейшем происходила самосборка активных сетей управления ресурсами в укрупненные нейронные ансамбли с последующим наращиванием их функционала и формирования интеллекта.



Однако, гипотетическое допущение о необходимости нейронного управления притоком энергии противоречит теории клеточной биоэнергетики, первый закон которой гласит: Живая клетка избегает прямой утилизации энергии внешних ресурсов при совершении полезной работы. Сначала она трансформирует эту энергию в конвертируемую форму АТФ, Na+ (разность электрохимических потенциалов натрия) или Н+ (разность электрохимических потенциалов протона) и использует её затем в различных энергоёмких процессах. Биологическая логика любой живой клетки в обеспечении себя энергией такова целью окисления глюкозы является получение АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты). Путь по которому глюкоза окисляется для получения энергии, называется гликолиз. Конечным продуктом гликолиза является пировиноградная кислота (пируват). В зависимости от присутствия или отсутствия кислорода образуются ацетил-коэнзим-А (электротранспортный метаболит) либо молочная кислота (лактат). Оба эти вещества вместе с пируватом входят в гомеотстатический субстрат, который клетка утилизует в своих внутренних метаболических процессах и в этом ей не требуется регулирование извне.

Механизм регуляции это нормирование концентрации веществ самим гомеостазом, если к примеру концентрация лактата возрастает выше нормы, то запускаются реакции превращающие молочную кислоту в пировиноградную и утилизация этих излишков в том же цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса) с образованием АТФ. Таким образом объясняется, значимость глюкозы для клетки такова, что всякое замедление через внешнее управление противоестественно в том числе для самого нейрона. К тому же, ввиду известного обстоятельства обмена веществ, мозговая ткань зависит от внешних источников энергии и получает глюкозу вместе с кислородом из локального кровотока, а сама глюкоза попадает в кровоток в результате гидролиза углеводов в желудочно-кишечном тракте, откуда транспортируется во все клетки организма, и хотя мозговая активность коррелирует с флуктуацией вызываемой пульсацией сосудистого русла, но она не является регулятором гликолиза.

Таким образом трофическая функция мозговой ткани сама собой разрешает исходный вопрос зачем нейрону нужен мозг?, которым у Емельянова-Ярославского Л.Б. открывается развернутое модельное рассуждение о возможности возникновения в природе квазибиологического индуктивного автомата, в качестве вычислительной надстройки над физиологическим механизмом клеточного питания. Сразу требуется разъяснение, как нейрон справляется с флуктуациями обеспечивающими приток питательных веществ и кислорода, это древний физиологический механизм возникший еще до того, как у биологического нейрона появились электрический и химический синапсы. Кровоток обеспечивает трофику и дыхание у всех прочих клеток организма, не только у нейронов, и эта общность имеет структурное подкрепление, так у других клеток как и у нейронов, главным образом из электротонически возбудимых тканей (каковыми являются скелетная мускулатура и некоторые специализированные клеточные образования, такие как глия), у этих клеток есть коннексоны. Они представляют собой распространенный тип контактов между животными клетками, являющие собой щелевые бислойные структурные элементы образуемые мембранами соприкасающихся клеток.

Данная контактная структура существует в виде водного канала между цитоплазмой двух соседних клеток, в просвете которого находятся особые белки коннексины, изгибающиеся доступным им образом из-за собственных физико-химических взаимодействий в результате чего просвет канала то перекрывается, то открывается и одной из основных движущих сил этого клапано-подобного действия подвижных белковых молекул являются механические флуктуации кровотока, к которым податливо чувствительны клеточные мембраны. Через коннексоны осуществляется обмен ионами и также водорастворимыми сигнальными молекулами, а в тех случаях когда одна из соседствующих клеток собственным метаболизмом не может обеспечить фосфатный синтез АМФ, АДФ или АТФ, через коннексоны проникает этот вид конвертируемой энергии из других клеток.

И на этом эволюционно сложившемся уровне клеточной взаимообусловленности главенствующим образом передачи информации от клетки к клетке является прямое сигнальное семиохимическое взаимодействие. На этом уровне организации внутриклеточной кибернетики собственно нейрон не имеет инициирующих онтогенетических предпосылок для проявления себя в качестве интеллектуального вычислительного элемента. Так как молекулярные рецепторы-мишени со своими сенсорными свойствами выполняют функции молекулярного распознавания и формирования сигнала об объекте с которым произошло взаимодействие внутриклеточно, и не транслируются далее структурообразования идущего внутри клетки (нейрона). Вещества компактизируются в комплексы взаимодействия по тем биологическим основаниям, которые жестко обусловлены клеточной биологией в механизме стабилизации химических превращений. Все взаимодействующие частицы живой материи имея свой характерный размер (атом, молекула, макромолекула, органелла, клетка, организм) одновременно участвуют в разных процессах с разными кинетическими временами. Поэтому образуют иерархии организации биологической материи, каждая со своим временем жизни, связность же их в единое целое обусловлена в том числе и способами передачи информации между химическими индивидами (специфическими соединениями) из которых они состоят.

Исходя из этих представлений, биохимия внутренней среды организма являет собой сложную полииерархическую систему (ДНК, РНК, пептиды, липиды, сахара, биоэлектролиты и другая органика) с ее разнообразными химическими и физико-химическими процессами лежащими в основе жизнедеятельности всех видов тканей и органов. Биологическая полииерархичность является порождающей машиной эволюции, когда для управления физическими состояниями организма (тканей и органов) становятся востребованными иные знаковые воздействия на биологическое вещество, тогда химические структуры становятся подчиненными элементами в передаче информации. Семиохимическая система молекул инициирует особые изменения в клетке, очередность которых прописана в биохимических мессенджерах, веществах концентрация которых строго контролируется гормонами, нейромедиаторами и другой внеклеточной биохимией, синергией всех этих факторов обусловлена строгая периодичность роли мессенджеров в клеточном метаболизме. Сами же молекулы мессенджеры обладая сродством к белкам нужны для регуляции взаимодействий между внутриклеточными белками, которые находятся на определенном расстоянии друг от друга, обусловленном процессами формирования пространственной белковой структуры (фолдинг).

Корректная работа белков в клетке возможна лишь при правильно сформировавшихся белковых глобулах (трехмерных структурах), тогда на внешней поверхности молекулы в нужном месте сложится такая конформация вещества (активный центр), которая способствует правильному прикреплению белковой молекулы к мембране клетки. С учетом того, что активный центр это прежде всего конфигурация химических свойств, таких как гидрофильность, гидрофобность и электрический заряд, этим определяются энергетические состояния готовности белка к выполнению его специфической функции. Кроме того особым образом происходит стимуляция терминальных участков нейронной мембраны рецептором белковой природы (например, ацетилхолином), являющимся донором электронов (лигандом) придающим дополнительную электроотрицательность и одновременно служащим координационным мостиком для продвижения электрического заряда. Чем в значительной мере предопределяются функциональные возможности для импульсного разряда нейрона при выполнении его миссии по передаче информации в мозге.

В связи с этим требуется пересомысление еще одного теоретического предположения Емельянова-Ярославского Л.Б., а именно Разряд в нейроне нужен самому нейрону. Зачем нейрону эта потеря энергии и как она может быть восполнена? Только в том случае, когда отклик структуры на которую направлен разряд по энергетической отдаче будет большей или равной величины? Непреложным фактом является наличие у нейрона также таких структурных элементов, как электрический (эфапс) и химический синапсы, имеющих непосредственное отношение к электро-импульсной передаче информации. Принимая во внимание факт того что, синапсы с химическим механизмом передачи возбуждения и эфапсы с их электрическим механизмом передачи возбуждения одинаковым образом встроены в механизм распространения биоэлектрического импульса по нервным волокнам, чем существенно отличаются от пассивного канально-контактного механизма коннексонов. Нервное волокно аксонов и дендритов, как бы изолирует мембранные контакты с разными локальными потенциалами, при этом все происходит в единой биоэлектролитной среде с ионной электрической проводимостью, где водные и органические биоэлектролиты самоупорядочиваются термодинамикой.

Как внутри клеток, так и в межклеточном пространстве, так и в жидкой среде кровотока биоэлектролиты представляют ту среду в которой соотнесены и увязаны в одну систему сигнальные молекулярные структуры, которые только таким образом могут выполнять свои биологические функции внутри и вне органелл, и клеточных компартаментов. Ведь клетка является проточным реактором, в ячейках которого (квази-ящиках Вант-Гоффа) накапливаются термодинамические самоорганизующиеся структуры (Васнецова, Гладышев
Экологическая биофизическая химия с.61) и об этих функциональных событиях осуществляется запись в конформациях олигопептидов синтез которых идет в химических синапсах. Конформация складывающаяся в момент олигомеризации белкового полимера определяет его молекулярные реакционные характеристики, структурно складывается конфигурация вещества с большой долей поверхностных атомов, предопределяющих особенности физико-химических свойств.

Так как в нейроне существует разнообразие веществ обязательных для гомеостатической нормы его существования, более 10000 химических индивидов, но все эти вещества (нейропротекторы) подчиняются надмолекулярным силам (температура, давление, время установления межмолекулярного равновесия) осуществляющим гомеостатические перестройки, то все вариации химического состава могут быть отображены в избранной конформации молекулы памяти М-дзета (PKM), для этого не нужно строгое количественное и видовое определение участвующих веществ, достаточно что молекула памяти помечена собственной морфологией являющейся неотъемлемым свойством органического вещества и вместе с тем указателем знаковой принадлежности к отрефлексированной совокупности внутринейронных событий. При этом складывается метастабильное состояние полимера PKM удовлетворяющее потребным временам поддержания гомеостаза.

Прохождение тока через биоэлектролиты сопровождается переносом вещества, поэтому представляется единственно возможный эволюционный переход произошел, когда появилось статическое вещество нервного волокна обладающее универсальной импульсной проводимостью за счет встроенных лигандов и перенос вещества перестал быть необходимостью при передаче сигнальной информации. С появлением химического и электрического синапсов произошла своего рода условная информационная развязка семиохимической информации в связке ДНК-РНК-белки, где знаковая информация в связанном виде создается и хранится в олигопептидах химического синапса (Protein kinase M zeta, PKM), а знакопеременная летучая информация имульсных токов проскакивает эфапсы для быстрых перестроек биоэлектролитов и фоновых химических сред внутри нейронов. Только после этого эволюционного шага природа начала строить индуктивные автоматы с условно-обособляемыми контурами, которые нам известны и морфологически классифицированы по типам топического расположения эфапсов и химических синапсов относительно сомы нейронов и других их неотъемлемых частей: аксоаксональные, аксодендритические, аксосоматические, дендро-дендритические, дендросоматические, соматосоматические.

Благодаря этому разнообразию вариантов оконтуривания связей и в том числе с обратной связью (если таковую понимать как прохождение потенциалов в обратном антидромном направлении) возникли и эволюционно закрепились такие варианты передачи коэффициентов импульсов, когда величина отношения потенциалов, возникающих в пре- и постсинаптической мембранах в процессе возбуждения характеризует функциональные свойства нейронного автомата. Однако, этого достаточно лишь для предсказанной Емельяновым-Ярославским Л.Б. системы управления ресурсами, с оговоркой, что это информационные ресурсы, а не энергетические, как предполагал автор квазибиологического учения. Но, индуктивный автомат не является думающей машиной со своей психофизикой создающей свои индивидуальные нейромодели корректирующие бытие, это самый простой интеллект межнейронных взаимодействий. Это низовой класс реальных информационных систем отслеживающих семиохимические сигналы для последующей конвертации их в сигналы другой физической размерности, оказывающие энергетическое стимулирующее влияние на управляемые ими структуры.

Так как конформация молекулы памяти вместе с топологией химсинапсов, эфапсов и даже коннексонов образуют единое геометрическое множество в системе информационных взаимодействий, то контуры их связности являются структурной схемой автоматизированной системы управления физическими возможностями организма (его гомеостатическим самочувствием). Нейронам не нужна реминесценция о химической рецепции (незачем дублировать память прописанную в энхансерах ДНК), у нейронов потребность в информации о допустимых отклонениях гомеостаза. Эту информацию они синтезируют в химсинапсах, получая такую укладку белкового полимера PKM, которая возможна в тех условиях гомеостаза при которых совпадают все необходимые множественные физико-химические параметры парциального давления кислорода, концентрации глюкозы, etc., и все это отображается на сборке укладки молекул памяти протеин-киназы М-дзета.

И уже эта синтетическая информация может быть получена другими нейронами в порядке информационного обмена в контурах управления отклонениями гомеостаза. Так происходит, потому что скопление молекул памяти, увеличивает вероятность того, что во время потоковой ионизации внутри химического синапса белковый полимер PKM превратится в многозарядный ион характерного семиотически идентифицируемого вида. Последующее семиохимическое преобразование зависит от того, каким способом ионные заряды переместятся с поверхности многозарядной молекулы в иные биоэлектролитические структуры переносящие импульсные токи, в итоге это будет уже иная сигнальная знаковая информация межнейронного общения (регуляции, управления, исполнения). Отбор которой происходит вероятностным образом, где структура вероятности предзадана нейромедиаторами, логично предположить что в каждом случае отбираются корреляты отклонений с получением рабочей выборки индуктивных аналогий близких исходным семиохимическим посылкам.

Перед нейроном стоит задача получения информации об отклонениях в собственном аутогомеостазе, следовательно он должен или получить отклики от других нейронов с которыми связан дендро-аксональным деревом, или каким-то образом перенаправить собственную синтетическую информацию в свой собственный адрес. Из этого следует, что для решения этой задачи объектом управления нейрона является дендро-аксональное дерево связей с другими нейронами и на эту непростую систему связей распространяются семиохимические законы управления требуемыми энергоинформационными событиями. Это означает, что в критически важных точках дендро-аксональных путей происходит индуктивное преобразование нейроимпульса в сигнал под воздействием регуляторных веществ. Примером такого вещества является ацетилхолинэстераза, которая полностью и мгновенно гидролизует ацетилхолин с образованием уксусной кислоты и холина, передача нервного импульса прекращается. Это прерывание имеет решающее значение для импульсного нейрона, за время прерывания развивается торможение гасящее возбудимость нейрона, функциональная активность понижается вместе с энерготратами, аутогомеостаз стабилизируется. Учитывая, что подобное прерывание может быть не единичным, а множественным с участием иных веществ (аденозин, глутамат, дофамин, норадреналин, серотонин и др.) на всем спектре дендро-аксональных связей в том числе за счет многочисленных повторов информация приобретает иной процессуальный ресурсный вид, бионический. И для извлечения из этого типа ресурса дополнительной полезности нужен информационный прибор отличный от индукционного автомата, такой который строит функциональные нейромодели.

Литература:
Интеллектуальная квазибиологическая система Индуктивный автомат Л.Б. Емельянов-Ярославский МОСКВА НАУКА 1990 www.aha.ru/~pvad/f0.htm

ЗАКОН БИОЭНЕРГЕТИКИ В.П. Скулачев, МГУ имени М.В. Ломоносова nature.web.ru/db/msg.html?mid=1159125&s

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ А.Л. Васнецова, Г.П. Гладышев МОСКВА НАУКА 1989 search.rsl.ru/ru/record/01001483035

Информация и сигналы в молекулярных системах Крук Н.Н. cyberleninka.ru/article/n/informatsiya-i-signaly-v-molekulyarnyh-sistemah/viewer

Перспективы моделирования мышления Александр Львович Шамис Компания ABBYY, базовая кафедра ФИЗТЕХ samlib.ru/s/shamis_aleksandr_lxwowich/iskusstwennyjintellekt-mifilirealxnostx.shtml

Нейронные модели мышления к.т.н., ст.научн.сотр., В.Г. Страхов www.gotai.net/documents/doc-msc-018.aspx

К введению в психологию Л.Б. Емельянов-Ярославский, В.Г. Страхов. ailab.ru/media/kunena/attachments/82/____.rtf

Разбираясь в сигналах, скрытых в электрической болтовне мозга, учёные получают сведения о сне, старении и других процессах

В январе 2020 года на симпозиуме, посвящённом сну, Янна Ленднер представила открытия, способные помочь нам нащупать границы между бодрствованием и бессознательным состоянием в деятельности человеческого мозга. Для пациентов в коме или под наркозом очень важно, чтобы врачи смогли правильно провести это различие. И это гораздо сложнее, чем может показаться ведь мозг человека в фазе быстрого сна выдаёт те же самые знакомые, плавно пульсирующие волны, что и во время бодрствования.

Однако Ленднер утверждала, что ответы на эти вопросы кроются не в обыкновенных мозговых волнах а в том аспекте мозговой деятельности, который учёные обычно игнорируют. Речь идёт о беспорядочном фоновом шуме.

Некоторые исследователи скептически отнеслись к этому заявлению. Они сказали: вы имеете в виду, что там в шуме спрятана полезная информация? говорит Ленднер, анестезиолог из Университетского медицинского центра г. Тюбинген в Германии, недавно получившая титул постдок в Калифорнийском университете в Беркли. Я сказала: да, кому шум, а кому сигнал.

Ленднер принадлежит к всё возрастающей по количеству группе нейробиологов, вдохновляющихся идеей о том, что шум в электрической активности мозга может содержать ключи к загадкам его работы. То, что когда-то считали нейрологическим эквивалентом раздражающей телевизионной статики, может неожиданно сильно повлиять на процесс изучения мозга.

Брэдли Войтек наслышан от различных скептиков о том, что в шуме мозга нет ничего, заслуживающего изучения. Однако результаты его самостоятельного исследования изменений этого шума в процессе старения людей, а также сведения из литературы, касающиеся статистических тенденций нерегулярной активности мозга, убедили его, что нейробиологи что-то упускают. И он потратил несколько лет на то, чтобы помочь учёным переосмыслить собранные данные.

Недостаточно просто выступить перед группой учёных с заявлением: Я думаю, что мы что-то делаем не так, сказал Войтек, адъюнкт-профессор когнитивистики и науки о данных в Калифорнийском университете в Сан-Диего. Им нужно дать новый рабочий инструмент, улучшенный или просто другой.


Брэдли Войтек

Совместно с нейробиологами из Калифорнийских университетов в Сан-Диего и Беркли Войтек разработал программу, изолирующую периодические колебания такие, как альфа-волны, которые активно изучали у бодрствующих и спящих людей прячущиеся в апериодической активности мозга. В результате у нейробиологов появился новый инструмент, позволяющий исследовать как периодические волны, так и апериодическую активность мозга, чтобы разделить их роли в поведении, распознавании и болезнях.

Исследуемое Войтеком и другими учёными явление они называют по-разному. Кто-то зовёт его уклон 1/f, или безмасштабная активность. Войтек продвигает название апериодический сигнал или апериодическая активность.

И это не просто какой-то каприз мозга. Искомые учёными закономерности связаны с явлением, которое учёные начали находить в разных сложных системах, порождённых как природой, так и технологиями, в 1925 году. Эта статистическая структура загадочным образом проявляется в таком количестве разных контекстов, что некоторые учёные считают её одним из неоткрытых законов природы.

Хотя в последние 20 лет публиковались работы, где учёные искали и описывали аритмическую активность мозга, никто из них не смог понять, что она конкретно собой представляет. Однако сегодня у биологов есть инструменты, позволяющие лучше изолировать апериодические сигналы в новых экспериментах, а также глубже изучать старые данные. Благодаря алгоритму Войтека и другим методам в последние годы появилась целая плеяда работ, исповедующих идею о таящихся в апериодической активности сокровищах знания, способных провести революцию в изучении старения, сна, детского развития и т.д.

Что такое апериодическая активность?

Наши тела получают удовольствие от знакомых ритмов сердцебиения и дыхания устойчивых циклов, необходимых для выживания. Однако в мозге раздаётся ритм, казалось бы, не имеющий закономерностей, но настолько же важный для жизни и в нём могут скрываться ключи к разгадкам поведения и сознания.

Когда нейрон отправляет другому нейрону сигнал при помощи такого соединения, как глутамат, у принимающей стороны возрастает вероятность активации. Эта ситуация называется возбуждением. И наоборот, когда нейрон выделяет такой нейротрансмиттер, как гамма-аминомасляная кислота, или GABA, вероятность активации принимающий стороны уменьшается это называется ингибированием, или подавлением. Всё хорошо в меру: слишком большое возбуждение приводит к припадкам, слишком сильное подавление свойственно сну, а в более серьёзных случаях коме.

Чтобы изучить хрупкий баланс возбуждений и подавлений, учёные измеряют электрическую активность мозга при помощи электроэнцефалографии, ЭЭГ. Циклы возбуждения и подавления формируют волны, различные формы которых связывают с разными состояниями сознания. К примеру, волны мозга с частотой от 8 до 12 Гц формируют альфа-волны, связанные со сном.

Но выходной сигнал мозга это не идеальная гладкая кривая. Поднимаясь к максимумам и падая к минимумам, графики активности скачут туда и сюда. Иногда в работе мозга вообще не прослеживается регулярности, и она становится больше похожей на электрический шум. У него действительно есть по-настоящему случайный компонент, белый шум, однако у некоторых компонентов проявляется более интересная статистическая структура.

Именно эти несовершенства, портящие гладкость кривой, а также шум интересуют Войтека и других учёных. Он, конечно, случайный, но случайности бывают разные, сказал он.


Не все шумы были созданы равными. На приведённых спектрограммах низкие частоты внизу, высокие вверху. Чем ярче цвет, тем больше интенсивность. Слева белый шум, у которого интенсивность сигнала не меняется в зависимости от частоты. В центре розовый шум, 1/f, у которого на высоких частотах интенсивность падает с определённой скоростью. У коричневого шума, справа, интенсивность падает гораздо сильнее.

Чтобы численно оценить апериодическую активность учёные разделяли сырые данные с ЭЭГ примерно так, как призма разделяет солнечный луч на радугу. Сначала они применили анализ Фурье. Любой график изменения данных по времени можно выразить в виду суммы тригонометрических функций, которые, в свою очередь, можно выразить через частоту и амплитуду. Зависимость амплитуды от частоты можно построить на графике спектра мощности.

Амплитуды спектра мощности обычно размещают в логарифмических координатах, поскольку те имеют большой разброс. Для совершенно случайного белого шума кривая спектра мощности будет относительно плоской и горизонтальной, с нулевым уклоном ведь на всех частотах он примерно одинаковый. Данные активности мозга дают кривые с отрицательным уклоном, когда на низких частотах амплитуды оказываются выше, а у высоких частот интенсивность падает по экспоненте. Такую форму называют 1/f, намекая на обратное соотношение частоты и амплитуды. Нейробиологи интересуются тем, что горизонтальность или же уклон этого графика могут сказать о происходящих в мозге процессах.

Анализировать ЭЭГ таким образом всё равно, что смотреть на запись звука, сделанную на железнодорожном мосту, перекинутом через шоссе, как говорит Лоуренс Уорд, нейробиолог-когнитивист из университета Британской Колумбии. Гул шин от случайным образом проезжающих машин даёт апериодические фоновые звуки, а свистки проходящих по расписанию каждые 10 минут поездов будут давать периодический сигнал с пиками, превышающими по громкости фоновый шум. Внезапные одиночные шумы типа гудков клаксонов или столкновений автомобилей дадут заметный всплеск звуковой волны, внося свой вклад в уклон 1/f.

С этим явлением учёные знакомы с 1925 года, с работы Джонсона из телефонных лабораторий Белла, изучавшим шум в электронных лампах. Немецкий учёный Ганс Бергер опубликовал первую ЭЭГ человека всего четыре года спустя. В последовавшие десятилетия нейробиология увлеклась заметными периодическими волнами, присутствующими в активности мозга. При этом флуктуации вида 1/f встречаются во всяческих электрических шумах, биржевой активности, биологических ритмах и даже в музыке и никто не знает, почему.


Апериодическая 1/f активность мозга (вверху) при помощи преобразования Фурье переводится в набор волн различных частот (в середине), а затем спектр мощности строится на графике (внизу).

Возможно из-за универсальности этого явления многие биологи отметали идеи о том, что из характеристик 1/f активности можно извлечь полезные сигналы. Они считали, что причиной этого шума могут быть научные инструменты так писала Бийю Хе, адъюнкт-профессор нейрологии, нейробиологии и физиологии из Гроссманской медицинской школы при Нью-Йоркском университете в своём обзоре в 2014 году.

Однако Хе и другие развенчали эти подозрения при помощи экспериментов с контролируемым шумом измерительных инструментов. Этот шум оказался гораздо меньше активности мозга. В работе 2010 года в журнале Neuron Хе с коллегами также обнаружили, что, хотя графики ЭЭГ, сейсмические волны земной коры и флуктуации биржевых котировок демонстрируют тренды 1/f, статистические структуры более высокого порядка у них отличаются. Эта работа поставила под сомнение идею о том, что апериодические сигналы создаются каким-то единым законом природы.

Вопрос, однако, ещё не решён окончательно. Уорд нашёл математические сходства различных контекстах, и считает, что в их основе должно лежать что-то фундаментально общее. В любом случае, Уорд и Хе соглашаются с тем, что стоит посильнее углубиться в зондирование мозга.

Десятилетиями активность мозга, выражающаяся в графике с наклоном в 1/f, считалась неважной, и её часто просто удаляли из анализа, чтобы подчеркнуть периодические колебания, писала Хе в работе 2014 года. Однако в последнее время накапливаются свидетельства того, что непериодическая активность мозга вносит большой вклад в его работу.

Новые сигналы из шума

Войтек наткнулся на тему апериодических сигналов почти случайно: сначала он хотел построить модель, удаляющую белый шум из ЭЭГ. Но, углубившись в дебри кода, работающего с данными, он заинтересовался тем, что в них содержалось.

В исследовании 2015 года, которое Войтек провёл со своим научным руководителем Робертом Найтом, профессором нейробиологии из Беркли, было описано, как в мозге пожилых людей апериодической активности наблюдается больше, чем у взрослых помоложе. Войтек и Найт увидели, что в процессе старения в мозге начинает доминировать белый шум. Также они нашли корреляцию между этим шумом и возрастным ухудшением памяти.

Войтек захотел дать нейробиологам ПО, способное автоматически разделять периодические и апериодические особенности в данных, в т.ч. в собранных давно, и помочь исследователям выискивать осмысленные 1/f тенденции. И они с командой написали такую программу.

Наличие запроса на такой инструмент сразу же стало очевидным. После публикации программы на сайте biorxiv.org 11 апреля 2018, за месяц её скачали почти 2000 раз довольно много для нишевого вычислительного инструмента из области нейробиологии. В ноябре того же года Войтек делал для нейробиологического сообщества доклад с описанием того, как использовать эту программу. Из-за её большой популярности он организовал семинар, где вместе с командой помог разобраться с программой десяткам заинтересованных учёных. В результате семинара и последовавшего обмена сообщениями начали образовываться новые коллаборации.

С одной из них было связано исследование признаком возбуждения во время сна, опубликованное Ленднер в июле 2020 года в журнале eLife. При помощи этой программы Ленднер с коллегами обнаружили, что в апериодическом шуме, зарегистрированном в ЭЭГ испытуемых, высокочастотная активность в фазе быстрого сна падала быстрее, чем во время бодрствования. Иначе говоря, уклон спектра мощности был больше.


Спектрограмма активности мозга во время сна. Белый график отслеживает изменения угла наклона спектра

В своей работе Ленднер с соавторами утверждают, что апериодические сигналы могут служить уникальной характеристикой, подходящей для описания состояния сознания человека. Подобный новый маркер мог бы помочь при применении наркоза и лечении людей, находящихся в коме.

Среди других публикаций, использующих код Войтека, есть исследования эффективности лекарств от дефицита внимания и различий мозговой активности аутистов в зависимости от их пола. Впервые в рецензируемом журнале Nature Neuroscience код был опубликован в ноябре 2020 года. Работу кода демонстрировали на симулированных данных.

Натали Шаворонков, постдок из лаборатории Войтека, обычно изучает периодические колебания, типа альфа-волн. Они, по её словам, красивее апериодических сигналов. Однако недавно, обратившись к изучению мозга младенцев и электрических сигналов, характеризующих их когнитивное развитие, она столкнулась с проблемой: младенцы не выдают элегантных альфа-волн. Как и когда эти волны начинают появляться вопрос открытый.

При помощи алгоритма Войтека она проанализировала открытые данные по ЭЭГ у мозга младенцев. В новой работе, опубликованной в Developmental Cognitive Neuroscience, они с Войтеком описали значительные изменения, обнаруженные ими в первые семь месяцев жизни ребёнка. Однако чтобы понять, связана ли эта активность с вовлечением детей в задачи, относящиеся к развитию мозга, или просто возникает из-за роста плотности серого вещества, нужно проводить дополнительные исследования.

Код Войтека породил множество новых исследований, но это не единственный пример анализа апериодического шума. В 2015 году, когда Хайгуанг Вен из компании Nvidia и Жонминг Лиу из Мичиганского университета работали в Университете Пердью, они опубликовали другой пример подхода к изоляции периодических и апериодических компонентов активности мозга аутоспектральный анализ с нерегулярной передискретизацией (irregular-resampling auto-spectral analysis, IRASA). А Бийю Хе при этом работал над этим вопросом ещё до того, как появились оба эти инструмента как и недавно ушедший от нас нейробиолог Уолтер Фриман, чьими работами вдохновлялся Войтек. Эту задачу, кстати, можно выполнять и вручную, хотя это займёт гораздо больше времени.

Важность наличия инструмента, облегчающего нейробиологам анализ данных, состоит в том, что данные сами по себе это просто набор чисел, собранный на определённом промежутке времени. Сам по себе график ничего не говорит о том, правильно ли работает мозг, или нет.

В нейробиологии главное интерпретация. На её основе мы принимаем решения по лечению или разработке лекарств, сказал Войтек. По его словам, огромное количество накопленных в литературе данных потенциально может породить новые идеи после их обработки новым способом. Мы недостаточно глубоко обрабатывали эти данные.

Что это значит?

Серьёзным препятствием на пути изучения этих апериодических сигналов служит то, что никто точно не знает, что именно их порождает. Чтобы уточнить вклады различных нейротрансмиттеров, нервных контуров и взаимодействия сетей нейронов, требуются дополнительные исследования так говорит Сильвейн Байле, профессор нейробиологии и нейрохирургии, биомедицинских технологий и информатики в университете Макгилла.

Причины и источники до сих пор не определены, сказал Байле. Однако исследования проводить надо, чтобы накапливать знания и наблюдения.

По одной из теорий апериодические сигналы отражают деликатный баланс между возбуждением и подавлением активности, требующийся мозгу для здоровой и активной деятельности. Слишком большое возбуждение может перегрузить мозг, слишком сильное подавление может его усыпить.

Найт считает, что такое объяснение недалеко от истины. Я бы не сказал, что уверен в том, что это связано с изменениями соотношения возбуждения и подавления, но думаю, что это наиболее вероятное объяснение, сказал он.

Альтернативное объяснение состоит в том, что апериодические сигналы это следствие физической организации мозга.

На основании того, как в других физических системах проявляется 1/f-поведение, Уорд делает вывод, что в мозге есть некая структурно-иерархическая система, порождающая апериодическую активность. Это, например, может быть следствием того, как группируется огромное количество нейронов, формируя затем более крупные регионы, работающие в унисон.

Эта активность мозга может идеально подходить для обработки данных с органов чувств, поскольку в таких данных часто проявляются 1/f-флуктуации. В исследовании от 2018 года, опубликованном в The Journal of Neuroscience, изучается вопрос того, как мозг предсказывает звуки, структура которых содержит в себе 1/f, и как апериодическая активность участвует в обработке и предсказании естественных стимулов. Неудивительно, что в любой музыке, от Баха до джаза, тоже могут содержаться 1/f-особенности ведь музыку создаёт человеческий мозг.

Войтек сказал, что для проверки гипотез происхождения апериодических сигналов нужно тщательно изучить различные виды активности нейронов. Затем нейробиологи могут попробовать связать участки мозга с общей физиологией, чтобы лучше понять, какие нейронные механизмы генерируют определённые паттерны активности, и предсказать, как апериодические и периодические сигналы должны выглядеть при различных нарушениях работы мозга.

Также Войтек надеется провести больше крупномасштабных исследований с применением его кода к существующим наборам данных, что позволит вывести на свет незамеченные ранее сигналы.

В настоящее время Ленднер и Найт анализируют данные находящихся в коме пациентов из Алабамского университета, чтобы узнать, коррелирует ли эта активность мозга с развитием комы. Они предсказывают, что при выходе человека из комы увеличение высокочастотной активности мозга проявит себя в виде изменения наклона графика 1/f. По её словам, предварительные результаты выглядят многообещающе.

Для Байле апериодические сигналы мозга чем-то напоминают тёмную материю невидимый каркас Вселенной, взаимодействующий с нормальной материей только посредством гравитации. Мы не знаем, из чего она состоит, и каковы её свойства, но она присутствует на небесном фоне, незаметно удерживая Млечный Путь от распада.

Учёные пока не поняли, что вызывает эти апериодические сигналы, однако они тоже могут быть отражением жизненно важной вспомогательной структуры вселенной, содержащейся в наших головах. Что-то загадочное может помочь отвлечь наш разум от полудрёмы.