Neuroștiința (sau neurobiologia) este studiul științific al sistemului nervos. Este o știință multidisciplinară care combină fiziologie, anatomie, biologie moleculară, biologie de dezvoltare, citologie, știința calculatoarelor și modelarea matematică pentru a înțelege proprietățile fundamentale și emergente ale neuronilor și a circuitelor neuronale. Înțelegerea bazei biologice a învățării, memoriei, comportamentului, percepției și conștiinței au fost descrise de Eric Kandel drept „provocarea supremă” a științelor biologice.
Sfera neuroștiinței a fost extinsă în timp pentru a include abordări diferite folosite pentru a studia sistemul nervos la scări diferite și tehnicile folosite de neurologi s-au extins enorm, de la studii moleculare si celulare de neuroni individuali la imagistica sarcinilor senzoriale și motorii din creier.
Istoric
Primul studiu al sistemului nervos datează din Egiptul antic. Trepanarea, practica chirurgicală a găuririi sau răzuirii unei găuri în craniu în scopul vindecării leziunilor craniene sau a tulburărilor mentale sau a ameliorării presiunii craniene, a fost înregistrată pentru prima dată în Neolitic. Manuscrisele datând din 1700 î.Hr. indică faptul că egiptenii aveau unele cunoștințe despre simptomele leziunilor cerebrale.
Primele opinii despre funcția creierului au considerat-o un fel de „umplutură craniană”. În Egipt, începând cu sfârșitul Regatului Mijlociu, creierul a fost îndepărtat în mod regulat în pregătirea pentru mumificare. În acel moment, se credea că inima era sediul inteligenței. Potrivit lui Herodot, primul pas al mumificării era „să se ia o bucată de fier strâmbă și, cu ea, să scoată creierul prin nări, scăpând astfel de o porțiune, în timp ce craniul este curățat de restul prin clătire cu doctorii”.
Opinia că inima era sursa conștiinței nu a fost contestată decât pe vremea medicului grec Hipocrate. El credea că creierul nu este implicat doar în senzație — deoarece majoritatea organelor specializate (de exemplu, ochi, urechi, limbă) sunt situate în cap lângă creier — dar era și sediul inteligenței. Platon a speculat, de asemenea, că creierul este sediul părții raționale a sufletului. Aristotel, totuși, credea că inima este centrul inteligenței și că creierul reglează cantitatea de căldură din inimă. Această viziune a fost acceptată în general până la medicul roman Galen, un adept al lui Hipocrate și medic al gladiatorilor romani. El a observat că pacienții lui și-au pierdut facultățile mentale atunci când au suferit daune ale creierului.
Abulcasis, Averroes, Avicenna, Avenzoar și Maimonide, activi în lumea musulmană medievală, au descris o serie de probleme medicale legate de creier. În Renașterea europeană, Vesalius (1514–1564), René Descartes (1596–1650), Thomas Willis (1621–1675) și Jan Swammerdam (1637–1680) au contribuit, de asemenea, la neuroștiințe.
Munca de pionierat a lui Luigi Galvani la sfârșitul anilor 1700 a pregătit scena pentru studierea excitabilității electrice a mușchilor și neuronilor. În prima jumătate a secolului al XIX-lea, Jean Pierre Flourens a fost pionierul metodei experimentale de efectuare a leziunilor localizate ale creierului la animale vii, descriind efectele lor asupra motricității, sensibilității și comportamentului. În 1843 Emil du Bois-Reymond a demonstrat natura electrică a semnalului nervos, a cărui viteză a fost măsuată de Hermann von Helmholtz, iar în 1875 Richard Caton a găsit fenomene electrice în emisferele cerebrale ale iepurilor și maimuțelor. Fiziologul Adolf Beck a publicat în 1890 observații similare ale activității electrice spontane a creierului iepurilor și câinilor.
Studiile asupra creierului au devenit mai sofisticate după inventarea microscopului și dezvoltarea unei proceduri de colorare de către Camillo Golgi la sfârșitul anilor 1890. Procedura folosea o sare de cromat de argint pentru a dezvălui structurile complicate ale neuronilor individuali. Tehnica sa a fost folosită de Santiago Ramón y Cajal și a condus la formarea doctrinei neuronului, ipoteza că unitatea funcțională a creierului este neuronul. Golgi și Ramón y Cajal au împărțit în 1906 Premiul Nobel pentru medicină pentru observațiile lor extinse, descrierile și clasificările neuronilor din creier.
În paralel cu această cercetare, lucrul cu pacienții cu creierul afectat de către Paul Broca a sugerat că anumite regiuni ale creierului sunt responsabile pentru anumite funcții. La acea vreme, descoperirile lui Broca erau văzute ca o confirmare a teoriei lui Franz Joseph Gall conform căreia limbajul era localizat și că anumite funcții psihologice erau localizate în zone specifice ale cortexului cerebral. Ipoteza specializării funcționale a creierului a fost susținută de obervații pe pacienți epileptici efectuate de John Hughlings Jackson, care a dedus în mod corect organizarea cortexul motor urmărind progresia convulsiilor prin corp. Carl Wernicke a dezvoltat în continuare teoria specializării structurilor cerebrale specifice în înțelegerea și producerea limbajului. Cercetarea modernă prin tehnici de neuroimagistică utilizează încă harta citoarhitectonică cerebrală Brodmann (referindu-se la studiul structurii celulare) definiții anatomice din această epocă, continuând să arate că zone distincte ale cortexului sunt activate în executarea sarcinilor specifice.
În secolul al XX-lea, neuroștiința a început să fie recunoscută ca o disciplină academică distinctă în sine, mai degrabă decât ca studii ale sistemului nervos în cadrul altor discipline. Eric Kandel și colaboratorii i-au menționat pe David Rioch, Francis O. Schmitt și Stephen Kuffler ca jucând roluri critice în stabilirea domeniului. Rioch a început integrarea cercetării anatomice și fiziologice de bază cu psihiatria clinică la Institutul de Cercetare al Armatei Walter Reed, începând cu anii 1950. În aceeași perioadă, Schmitt a stabilit un program de cercetare în neuroștiințe în cadrul Departamentului de Biologie de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts, reunind biologia, chimia, fizica și matematica. Primul departament de neuroștiințe independent (numit pe atunci Psihobiologie) a fost fondat în 1964 la Universitatea din California. A fost urmat de Departamentul de Neurobiologie de la Harvard Medical School, care a fost fondat în 1966 de Stephen Kuffler.
Înțelegerea neuronilor și a funcției sistemului nervos a devenit din ce în ce mai precisă în secolul al XX-lea. De exemplu, în 1952, Alan Lloyd Hodgkin și Andrew Huxley au prezentat un model matematic pentru transmiterea semnalelor electrice în neuronii axonului gigant al unui calmar, pe care l-au numit „potențial de acțiune” și modul în care acestea sunt inițiate și propagate, cunoscut sub numele de Modelul Hodgkin–Huxley. În 1961–1962, Richard FitzHugh și J. Nagumo au simplificat Modelul Hodgkin–Huxley, în ceea ce se numește modelul FitzHugh– Nagumo. În 1962, Bernard Katz a modelat neurotransmisia în spațiile dintre neuroni, cunoscute sub numele de sinapse. Începând din 1966, Eric Kandel și colaboratorii au examinat modificările biochimice ale neuronilor asociate cu învățarea și stocarea memoriei. În 1981, Catherine Morris și Harold Lecar au combinat aceste modele în modelul Morris-Lecar. O astfel de muncă tot mai cantitativă a dat naștere la numeroase modele de neuroni biologici și modele de calcul neuronal.
Ca urmare a interesului tot mai mare cu privire la sistemul nervos, s-au format mai multe organizații de neuroștiințe proeminente pentru a oferi un forum tuturor neurologilor. De exemplu, Organizația Internațională Brain Research a fost înființat în anul 1961, Societatea Internațională pentru Neurochimie în 1963,The Beginning , International Society for Neurochemistry Societatea europeană Creier și Comportament în 1968, și Societatea pentru Neuroștiințe în 1969.
Recent, aplicarea rezultatelor cercetării în neuroștiințe a dat naștere, de asemenea, la discipline aplicate ca neuroeconomie, neuroeducație,Zull, J. (2002). The art of changing the brain: Enriching the practice of teaching by exploring the biology of learning. Sterling, Virginia: Stylus Publishing, LLC neuroetică, și neuro-jurisprudență.
De-a lungul timpului, cercetarea creierului a trecut prin faze filosofice, experimentale și teoretice, lucrările privind simularea creierului fiind prognozate a fi importante în viitor.
Neuroștiințe moderne
Studiul științific al sistemului nervos a crescut semnificativ în a doua jumătate a secolului al XX-lea, în principal datorită progreselor în biologia moleculară, electrofiziologie și neuroștiințe computaționale. Acest lucru le-a permis neurologilor să studieze sistemul nervos în toate aspectele sale: cum este structurat, cum funcționează, cum se dezvoltă, cum funcționează defectuos și cum poate fi schimbat.
De exemplu, a devenit posibil să se înțeleagă, în detaliu, procesele complexe care au loc într-un singur neuron. Neuronii sunt celule specializate pentru comunicare. Sunt capabili să comunice cu neuroni și alte tipuri de celule prin joncțiuni specializate numite sinapse, la care semnalele electrice sau electrochimice pot fi transmise de la o celulă la alta.
Mulți neuroni extrudează un filament subțire lung de axoplasmă numit axon, care se poate extinde până la părți îndepărtate ale corpului și sunt capabili să transporte rapid semnale electrice, influențând activitatea altor neuroni, mușchi sau glande în punctele lor de terminare. Un sistem nervos apare din ansamblul de neuroni care sunt conectați între ei.
Sistemul nervos al vertebratelor poate fi împărțit în două părți: sistemul nervos central (alcătuit din creier și măduva spinării) și sistemul nervos periferic. La multe specii — inclusiv toate vertebratele — sistemul nervos este cel mai complex sistem de organe din corp, cea mai mare parte a complexității rezidând în creier. Creierul uman singur conține în jur de o sută de miliarde de neuroni și o sută de miliarde de sinapse; constă din mii de substructuri distincte, conectate între ele în rețele sinaptice ale căror complexități abia au început să fie dezlegate. Cel puțin una din trei din cele aproximativ 20.000 de gene aparținând genomului uman este exprimată în principal în creier.U.S. National Institute of Neurological Disorders and Stroke. Brain basics: genes at work in the brain. Date last modified: 2018-12-27. Retrieved Feb. 4, 2019.
Datorită gradului ridicat de plasticitate a creierului uman, structura sinapselor sale și funcțiile rezultate ale acestora se schimbă de-a lungul vieții.The United States Department of Health and Human Services. Mental Health: A Report of the Surgeon General. "Chapter 2: The Fundamentals of Mental Health and Mental Illness" pp 38 Retrieved May 21, 2012
Sensul complexității dinamice a sistemului nervos este o provocare de cercetare formidabilă. În cele din urmă, neurologii ar dori să înțeleagă fiecare aspect al sistemului nervos, inclusiv cum funcționează, cum se dezvoltă, cum funcționează defectuos și cum poate fi modificat sau reparat. Prin urmare, analiza sistemului nervos se efectuează la mai multe niveluri, variind de la nivelurile moleculare și celulare la sisteme și niveluri cognitive. Subiectele specifice care formează principalele focare ale cercetării se schimbă în timp, determinate de o bază de cunoștințe în continuă expansiune și disponibilitatea unor metode tehnice din ce în ce mai sofisticate. Îmbunătățirile tehnologice au fost principalele motoare ale progresului. Dezvoltări în microscopie electronică, informatică, electronică, neuroimagistica funcțională și genetică și genomică au fost toate principalele motoare ale progresului.
Ramuri majore Activitățile moderne de educație și cercetare în neuroștiințe pot fi foarte aproximativ clasificate în următoarele ramuri majore, bazate pe subiectul și scara sistemului în examinare, precum și pe abordări experimentale sau curriculare distincte. Cu toate acestea, neurologi individuali lucrează adesea la întrebări care se întind pe mai multe subdomenii distincte.