Нейронные сети мозга - Радиофизический факультет

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»
Радиофизический факультет
Кафедра общей физики
УТВЕРЖДАЮ
Декан радиофизического факультета
____________________Якимов А.В.
«18» мая 2011 г.
Учебная программа
Дисциплины М2.В4.06 «Нейронные сети мозга»
по направлению 011800 «Радиофизика»
Нижний Новгород
2011 г.
1. Цели и задачи дисциплины
Целью изучения спецкурса «Нейронные сети мозга» является краткое ознакомление магистров
с современными представлениями о нейронных сетях мозга, овладение студентами знаний об
основных понятиях и методах современной нейробиологии; формирование у студентов
теоретических представлений об основных понятиях и методах современной нейробиологии;
формирование у аспирантов теоретических представлений о структуре и функции различных
типов нейронных сетей мозга и основных механизмах формирования нейронных сетей в
онтогенезе.
Для достижения цели решаются следующие задачи:
- дать представление о методологических подходах и понятийном аппарате биологии
нейронных сетей мозга;
- изучить современные теоретические положения о физиологических свойствах различных
типов нейронных сетей мозга, методах их исследования;
- дать представление о многообразии механизмов передачи информации в живых системах на
всех уровнях от молекулярного до организменного;
- дать информацию о влиянии факторов среды на пластичность нейронных сетей мозга,
формировании патологических связей при нарушении гомеостаза межклеточных
взаимодействий;
- познакомить с основными направлениями развития и перспективами нейробиологии.
2. Место дисциплины в структуре магистерской программы
Дисциплина «Нейронные сети мозга» относится к дисциплинам по выбору студента
вариативной части профессионального цикла основной образовательной программы по
направлению 011800 «Радиофизика».
3. Требования к уровню освоения содержания дисциплины
В результате освоения дисциплины формируются следующие компетенции:
 способностью использовать базовые знания и навыки управления информацией для решения
исследовательских профессиональных задач, соблюдать основные требования информационной
безопасности, защиты государственной тайны (ОК-l0);
 способность к свободному владению знаниями фундаментальных разделов физики и
радиофизики, необходимыми для решения научно-исследовательских задач (в соответствии со
своим профилем подготовки) (ПК-1);
 способность к свободному владению профессионально-профилированными знаниями в
области информационных технологий, использованию современных компьютерных сетей,
программных продуктов и ресурсов Интернет для решения задач профессиональной
деятельности, в том числе находящихся за пределами профильной подготовки (ПК-2);
 способность использовать в своей научно-исследовательской деятельности знание
современных проблем и новейших достижений физики и радиофизики (ПК-3);
 способность самостоятельно ставить научные задачи в области физики и радиофизики (в
соответствии с профилем подготовки) и решать их с использованием современного
оборудования и новейшего отечественного и зарубежного опыта (ПК-4).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
 знать основные понятия и термины науки о мозге;
 знать физико-химические основы межклеточных взаимодействий;
 уметь ориентироваться в методах изучения структуры и функции нейронных сетей мозга;
 демонстрировать
знание
основных
нейробиологических
методов
исследования
(имиджинговых, электрофизиологических) структуры и функционирования нейронных сетей
мозга на молекулярном, субклеточном, клеточном и организменном уровнях;
 иметь представление о факторах среды, регулирующих работу нейронных сетей мозга в
норме и при патологии.
В результате изучения курса студент должен приобрести следующие общенаучные и
предметно-специализированные компетенции:
2
 способность глубоко осмысливать современные задачи нейробиологии и биоинженерии,
обосновывать использование нейробиотехнологий для их решения путем интеграции
биологических представлений и специализированных знаний в сфере профессиональной
деятельности;
 знать и использовать основные теории, концепции и принципы в данной области
исследований;
 способность самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и
использовать в практической деятельности новые знания и умения;
 способность к системному мышлению;
 способность профессионально оформлять, представлять и докладывать результаты
исследовательских работ.
Программа дисциплины «Нейронные сети мозга» позволит также сформулировать у студентов
общие и профессиональные компетенции, необходимые обучающимся для различных сфер
деятельности, связанных с исследовательской и научной работой.
4.Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетные единицы, 72 часа.
Виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия
Лекции
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Другие виды аудиторных занятий
Самостоятельная работа
Курсовой проект (работа)
Расчетно-графическая работа
Реферат
Другие виды самостоятельной работы
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)
Всего часов
72
32
32
0
0
0
0
40
0
0
0
0
зачет
Семестры
11
32
32
0
0
0
0
40
0
0
0
0
зачет
5. Содержание дисциплины
5.1. Разделы дисциплины и виды занятий
№п/п
Раздел дисциплины
1.
Структура нейронных сетей мозга
2.
Основные принципы взаимодействия клеток в составе
нейронных сетей мозга
3.
Нейрон-глиальные сети. Роль перинейрональных сетей
внеклеточного матрикса мозга в организации и
пластичности нейронных сетей
4.
Методы изучения нейронных сетей мозга
Лекции
7
11
ПЗ (или С)
ЛР
9
5
5.2. Содержание разделов дисциплины
1. Структура нейронных сетей мозга
1.1. Нервная система. Деление нервной системы по функциональному и топографическому
принципам. Общее строение центральной нервной системы: основные отделы спинного и
головного мозга;
1.2. Регуляция физиологических функций: основные принципы и способы регуляции,
механизмы и уровни регуляции физиологических функций;
1.3. Саморегуляция физиологических функций, понятие гомеостаза и гомеокинеза.
3
Физиологические константы. Обратная связь
2. Основные принципы взаимодействия клеток в составе нейронных сетей мозга
2.1. Нервный механизм регуляции физиологических функций. Понятие рефлекса. Основные
морфо-функциональные звенья рефлекса;
2.2. Системная организация управления. Функциональная система;
2.3. Физиология нервных центров. Три принципа взаимодействия нейронов;
2.4. Закономерности проведения возбуждения по нервной сети мозга.
2.5. Понятия возбуждения и торможения в ЦНС. Механизмы торможения;
2.6. Общие свойства нервных центров.
2.7. Межклеточные контакты в возбудимых и невозбудимых элементах сетей мозга;
2.8. Морфо-функциональные особенности синапса как единицы межнейронной связи в сети
связанных элементов.
3. Нейрон-глиальные взаимодействия
3.1. Основные понятия о глиальных элементах;
3.2. Структура и функции астроцитов.
3.3. Глиотрансмиттеры, их синтез, регуляция высвобождения.
4. Методы изучения нейронных сетей мозга
3.1.Оптические методы: структурный и функциональный нейроимиджинг;
3.2. Электрофизиологический метод: мультиэлектродные матрицы.
6. Лабораторный практикум.
Не предусмотрен.
7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
7.1. Рекомендуемая литература.
а) основная литература
1. Николлс Дж. Г., Мартин О.В., Валлас Б. Дж., Фукс П.А. От нейрона к мозгу. 2003. С 522-540
2. Пимашкин А.С., Корягина Е.А., Гладков А.А., Симонов А.Ю., Мухина И.В., Казанцев В.Б.
Исследование биоэлектрической активности нейронных сетей в культурах гиппокампа:
стимуляция, регистрация и анализ. Учебно-методическое пособие.
Нижний Новгород:
Издательство Нижегородского госуниверситета, 2011. – 26 с.
б) дополнительная литература
1. Auld D.S., Robitaille R. Glial cell and neurotransmission: An inclusive view of synaptic function //
Neuron. 2003. Vol. 40. P.389-400.
2. Pfrieger F.W. Role of glia in synapse development // Curr. Opin. Neurobiol. 2002. Vol. 12. P. 486490
3. Toni – fei Wang, Chen Zhou, Ai – hui Tang, Shi – qiang Wang, Zhen Chai. Cellular mechanism for
spontaneous calcium oscillations in astrocytes. Acta Pharmacologica Sinica, July, 2006. 27 (7).
4. Perea G, Navarrete M, Araque A. Tripartite synapses: astrocytes process and control synaptic
information. Trends Neurosci. 2009 Aug;32(8):421-31
5. Douglas Fields R. and Beth Stevens-Graham. New insights into neuron-glia communication.
Science, October, 18, 2002.
6. Gary P. Schools, Min Zhou, and Harold K. Kimelberg. Development of gap junctions in
hippocampal astrocytes: evidence that whole cell electrophysiological phenotype is an intrinsic
property of the individual cell. Journal of Neurophysiology 96, June, 14, 2006.
7. Swanson С., Bures M., Johnson M., Linden A-M, Monn J, Schoepp D., Metabotropic glutamate
receptors as novel targets for anxiety and stress disorders, Nature Reviews Drug Discovery 4, 131-144,
2005
8. Вопросы для контроля
1. Понятие о регуляции физиологических функций. Основные принципы и способы
4
регуляции. Уровни регуляции физиологических функций.
2. Механизмы регуляции физиологических функций – миогенный, гуморальный, нервный.
3. Саморегуляция физиологических функций, понятие гомеостаза. Физиологические
константы.
4. Обратная связь. Системная организация управления. Функциональная система.
5. Понятие биологических нейронных сетей. Иерархические и локальные нейронные сети.
Общие закономерности структурного взаимодействия нейронов в локальных сетях.
6. Физиология нервных центров. Общие свойства нервных центров.
7. Закономерности проведения возбуждения по рефлекторной дуге.
8. Торможение в ЦНС. Механизмы торможения. Координационная деятельность ЦНС.
9. Строение мембраны. Способы взаимодействия возбудимых клеток (электрический синапс,
химический синапс).
10. Роль глии в ЦНС. Классификация глиальных клеток. Каналы, наносы, рецепторы
мембраны глиальных клеток.
11. Межмембранные взаимодействия глии с другими клетками. Глия – регулятор
внеклеточного калия.
12. Глия и нейромедиаторы (ГАМК, глутамат). Понятие о глиотрансмиттерах. Кальциевые
волны в астроцитах.
9. Критерии оценок
Зачтено
Не зачтено
Успешное освоение основных компетенций курса. Умение правильно
сформулировать ответ на поставленный вопрос, умение сопоставить
теоретические знания о нейронных сетях мозга с возможностью их
практического применения в различных областях биологии и радиофизики.
Необходима дополнительная подготовка для успешного прохождения
испытаний.
10. Примерная тематика курсовых работ и критерии их оценки
Курсовые работы не предусмотрены.
5
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом по
направлению 011800 «Радиофизика».
Автор программы _________________ Мухина И.В.
Программа рассмотрена на заседании кафедры 29 марта 2011 года
протокол № 04-10/11
Заведующий кафедрой ___________________ Бакунов М.И.
Программа одобрена методической комиссией факультета 11 апреля 2011 года
протокол № 05/10
Председатель методической комиссии _________________ Мануилов В.Н.
6