مبانی علوم اعصاب اریک کندل؛ قرن بیست و یکم: علوم اعصاب: زیست شناسی ذهن

White matter fiber architecture of the human brain, showing the corpus callosum and brainstem pathways. The image was constructed from magnetic resonance (MR) imaging data with the diffusion spectrum imaging technique, which uses the rate and preferred direction of diffusion of water molecules to generate contrast in MR images to reveal bundles of axons traveling in fiber tracts. The fibers are color-coded by direction: red, left-right; green, anterior-posterior; blue, ascending-descending (RGB = XYZ axes). From the Connectome Scanner dataset. (From the Connectome Scanner dataset. Courtesy of the USC Laboratory of Neuro Imaging and Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging. Consortium of the Human Connectome Project- www .humanconnectomeproject.org.)

معماری فیبر ماده سفید مغز انسان، مجاری جسم پینه ای و ساقه مغز را نشان می‌دهد. این تصویر از داده‌های تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MR) با استفاده از تکنیک تصویربرداری طیف انتشار، که از سرعت و جهت ترجیحی انتشار مولکول‌های آب برای ایجاد کنتراست در تصاویر MR استفاده می‌کند تا دسته‌هایی از آکسون‌ها را که در امتداد مسیرهای فیبر حرکت می‌کنند، ایجاد کند. الیاف بر اساس جهت کدگذاری می‌شوند: قرمز، چپ-راست. سبز، قدامی‌خلفی؛ آبی، صعودی-نزولی (محورهای RGB = XYZ). از مجموعه داده Connectome Scanner. (از مجموعه داده اسکنر Connectome. با اجازه آزمایشگاه تصویربرداری عصبی USC و مرکز تصویربرداری زیست پزشکی آتینولا A. Martinos. کنسرسیوم پروژه کانکتوم انسانی – www.humanconnectomeproject.org.)

Overall Perspective

دیدگاه کلی

URING THE SECOND HALF OF THE 20TH CENTURY, the central focus of biology was on the gene. Now in the first half of the 21st century, the focus has shifted to neural science, and specifically to the biology of the mind. We wish to understand the processes by which we perceive, act, learn, and remember. How does the brain-an organ weighing only 1.5 kg-conceive of the infinite, discover new knowledge, and produce the remarkable individuality of human thoughts, feelings, and actions? How are these extraordinary mental capabilities distributed within the organ? What rules relate the anatomical organization and the cellular physiology of a region to its specific role in mentation? What do genes contribute to behavior, and how is gene expression in nerve cells regulated by developmental and learning processes? How does experience alter the way the brain processes subsequent events, and to what degree is that processing unconscious? Finally, what are the neural bases of neurological and psychiatric disorders? In this introductory section of Principles of Neural Science, we begin to address these questions. In so doing, we describe how neural science attempts to link the computational logic of neural circuitry to the mind-how the activities of nerve cells within defined neural circuits mediate complex mental processes.

در نیمه دوم قرن بیستم، تمرکز اصلی زیست شناسی بر روی ژن بود. اکنون در نیمه اول قرن بیست و یکم، تمرکز به علوم عصبی و به طور خاص به زیست شناسی ذهن معطوف شده است. ما می‌خواهیم فرآیندهایی را درک کنیم، عمل کنیم، یاد بگیریم و به خاطر بسپاریم. چگونه مغز – عضوی با وزن تنها 1.5 کیلوگرم – بی نهایت را درک می‌کند، دانش جدید را کشف می‌کند و فردیت چشمگیر افکار، احساسات و اعمال انسان را تولید می‌کند؟ این قابلیت‌های ذهنی خارق‌العاده چگونه در اندام توزیع می‌شوند؟ چه قواعدی سازمان تشریحی و فیزیولوژی سلولی یک منطقه را به نقش خاص آن در ذهن مرتبط می‌کند؟ ژن‌ها چه نقشی در رفتار دارند و چگونه بیان ژن در سلول‌های عصبی توسط فرآیندهای رشد و یادگیری تنظیم می‌شود؟ چگونه تجربه نحوه پردازش رویدادهای بعدی توسط مغز را تغییر می‌دهد و این پردازش تا چه حد ناخودآگاه است؟ در نهایت، پایه‌های عصبی اختلالات عصبی و روانپزشکی چیست؟ در این بخش مقدماتی از اصول علوم عصبی، شروع به پرداختن به این سوالات می‌کنیم. با انجام این کار، ما توضیح می‌دهیم که چگونه علم عصبی تلاش می‌کند منطق محاسباتی مدارهای عصبی را به ذهن مرتبط کند – چگونه فعالیت‌های سلول‌های عصبی در مدارهای عصبی تعریف‌شده میانجی فرآیندهای ذهنی پیچیده است.

Over the past several decades, technological advances have opened new horizons for the scientific study of the brain. Today, it is possible to link the cellular dynamics of interconnected circuits of neurons to the internal representations of perceptual and motor acts in the brain and to relate these internal mechanisms to observable behavior. New imaging techniques permit us to visualize the human brain in action to identify specific regions of the brain associated with particular modes of thinking and feeling and their patterns of interconnections.

در طول چند دهه گذشته، پیشرفت‌های فناوری، افق‌های جدیدی را برای مطالعه علمی‌مغز گشوده است. امروزه، می‌توان دینامیک سلولی مدارهای به هم پیوسته نورون‌ها را به بازنمایی‌های درونی اعمال ادراکی و حرکتی در مغز مرتبط کرد و این مکانیسم‌های درونی را با رفتار قابل مشاهده مرتبط کرد. تکنیک‌های جدید تصویربرداری به ما اجازه می‌دهد تا مغز انسان را در عمل تجسم کنیم تا مناطق خاصی از مغز مرتبط با حالت‌های خاص تفکر و احساس و الگوهای ارتباط متقابل آنها را شناسایی کنیم.

In the first part of this book, we consider the degree to which mental functions can be localized to specific regions of the brain. We also examine the extent to which such functions can be understood in terms of the properties of individual nerve cells, their molecular constituents, and their synaptic connections. In the later parts of the book, we examine in detail the mechanisms underlying cognitive and affective functions of the brain: perception, action, motivation, emotion, learning, and memory.

در قسمت اول این کتاب، درجه ای را در نظر می‌گیریم که عملکردهای ذهنی را می‌توان در مناطق خاصی از مغز محلی کرد. ما همچنین میزان درک چنین عملکردهایی را از نظر ویژگی‌های سلول‌های عصبی منفرد، اجزای مولکولی و اتصالات سیناپسی آنها بررسی می‌کنیم. در قسمت‌های بعدی کتاب، مکانیسم‌های زیربنای عملکردهای شناختی و عاطفی مغز را به تفصیل بررسی می‌کنیم: ادراک، عمل، انگیزه، احساسات، یادگیری و حافظه.

The human brain is a network of more than 80 billion individual nerve cells interconnected in systems-neural circuits that construct our perceptions of the external world, fix our attention, guide our decisions, and implement our actions. A first step toward understanding the mind, therefore, is to learn how neurons are organized into signaling pathways and how they communicate by means of synaptic transmission. One of the chief ideas we shall develop in this book is that the specificity of the synaptic connections established during development and refined during experience underlie behavior. We must also understand both the innate and environmental determinants of behavior in which genes encode proteins that initially govern the development of the neural circuits that can then be modified by experience-dependent changes in gene expression.

مغز انسان شبکه‌ای از بیش از ۸۰ میلیارد سلول عصبی است که در مدارهای عصبی سیستم‌ها به هم متصل شده‌اند و ادراک ما را از دنیای بیرونی می‌سازند، توجه ما را معطوف می‌کنند، تصمیم‌های ما را هدایت می‌کنند و اعمال ما را اجرا می‌کنند. بنابراین، اولین قدم برای درک ذهن، یادگیری نحوه سازماندهی نورون‌ها در مسیرهای سیگنالینگ و نحوه ارتباط آنها از طریق انتقال سیناپسی است. یکی از ایده‌های اصلی که در این کتاب توسعه خواهیم داد این است که ویژگی اتصالات سیناپسی ایجاد شده در طول توسعه و اصلاح شده در طول تجربه، زمینه ساز رفتار است. ما همچنین باید عوامل تعیین‌کننده ذاتی و محیطی رفتار را درک کنیم که در آن ژن‌ها پروتئین‌هایی را کد می‌کنند که در ابتدا بر توسعه مدارهای عصبی نظارت می‌کنند و سپس می‌توانند با تغییرات وابسته به تجربه در بیان ژن اصلاح شوند.

A new science of mind is emerging through the application of modern cell and molecular biological techniques, brain imaging, theory, and clinical observation to the study of cognition, emotion, and behavior. Neural science has reinforced the idea first proposed by Hippocrates more than two millennia ago that the proper study of mind begins with study of the brain. Cognitive psychology and psychoanalytic theory have emphasized the diversity and complexity of human mental experience. These disciplines can now be enriched by insights into brain function from neural science. The task ahead is to produce a study of mental processes, grounded firmly in empirical neural science, concerned with questions of how internal representations and states of mind are generated.

علم جدید ذهن از طریق استفاده از تکنیک‌های بیولوژیکی سلولی و مولکولی مدرن، تصویربرداری مغز، نظریه و مشاهدات بالینی برای مطالعه شناخت، احساسات و رفتار در حال ظهور است. علم عصبی این ایده را که برای اولین بار توسط بقراط بیش از دو هزار سال پیش مطرح شد، تقویت کرده است که مطالعه صحیح ذهن با مطالعه مغز آغاز می‌شود. روانشناسی شناختی و نظریه روانکاوی بر تنوع و پیچیدگی تجربه ذهنی انسان تأکید کرده است. اکنون می‌توان این رشته‌ها را با بینش‌هایی در مورد عملکرد مغز از علوم عصبی غنی کرد. وظیفه پیش رو این است که مطالعه ای در مورد فرآیندهای ذهنی، مبتنی بر علوم تجربی تجربی، با پرسش‌هایی درباره چگونگی ایجاد بازنمایی‌های درونی و حالات ذهنی انجام دهیم.

Our goal is to provide not simply the facts but the principles of brain organization, function, and computation. The principles of neural science do not reduce the complexity of human thought to a set of molecules or mathematical axioms. Rather, they allow us to appreciate a certain beauty-a Darwinian elegance in the complexity of the brain that accounts for mind and behavior. One might ask whether an idea gleaned from the detailed dissection of a more basic neural mechanism contains insight about higher brain function. Does the organization of a simple reflex bear on a volitional movement of the hand? Do the mechanisms that establish circuitry in the developing spinal cord bear on the mechanisms at play in storing a memory? Are the neural processes that awaken us from sleep similar to those that allow an unconscious process to pierce our conscious awareness? We hope readers will delight in the principles as they delve into their factual basis. No doubt, it is a work in progress.

هدف ما ارائه نه صرفاً حقایق، بلکه اصول سازماندهی، عملکرد و محاسبات مغز است. اصول علم عصبی پیچیدگی اندیشه انسان را به مجموعه ای از مولکول‌ها یا بدیهیات ریاضی کاهش نمی‌دهد. در عوض، آنها به ما اجازه می‌دهند که زیبایی خاصی را درک کنیم – ظرافت داروینی در پیچیدگی مغز که ذهن و رفتار را توضیح می‌دهد. می‌توان پرسید که آیا ایده‌ای که از کالبد شکافی دقیق یک مکانیسم عصبی پایه‌تری به دست آمده است، بینشی در مورد عملکرد بالاتر مغز دارد یا خیر. آیا سازماندهی یک رفلکس ساده بر حرکت ارادی دست تأثیر می‌گذارد؟ آیا مکانیسم‌هایی که مداری را در طناب نخاعی در حال رشد ایجاد می‌کنند، بر مکانیسم‌های موجود در ذخیره سازی حافظه تأثیر دارند؟ آیا فرآیندهای عصبی که ما را از خواب بیدار می‌کنند شبیه به فرآیندهایی هستند که به یک فرآیند ناخودآگاه اجازه می‌دهند تا آگاهی خودآگاه ما را سوراخ کند؟ ما امیدواریم که خوانندگان از اصول آن لذت ببرند، زیرا آنها در پایه واقعی آنها تحقیق می‌کنند. بدون شک کار در حال انجام است.

Part Editors: Eric R. Kandel and Michael N. Shadlen

ویراستاران بخش: اریک آر. کندل و مایکل ان. شادلن

Part I

Chapter 1   

The Brain and Behavior

Chapter 2   

Genes and Behavior

Chapter 3   

Nerve Cells, Neural Circuitry, and Behavior

Chapter 4   

The Neuroanatomical Bases by Which Neural Circuits Mediate Behavior

Chapter 5   

The Computational Bases of Neural Circuits That Mediate Behavior

Chapter 6     

Imaging and Behavior 

بخش اول

فصل 1

مغز و رفتار

فصل 2

ژن‌ها و رفتار

فصل 3   

سلول‌های عصبی، مدار عصبی و رفتار

فصل 4

مبانی عصبی آناتومیکی که مدارهای عصبی رفتار را واسطه می‌کنند

فصل 5   

مبانی محاسباتی مدارهای عصبی که واسطه رفتار هستند

فصل 6

تصویربرداری و رفتار