Φυσικές Αρχές Νευροεπιστήμης

Abstract

Η αντίληψή μας για τον κόσμο, οι γνώσεις, οι αναμνήσεις, τα συναισθήματά μας πραγματώνονται από τον εγκέφαλό μας. Η διερεύνηση της λειτουργίας του είναι γοητευτική και είναι λογικό να προκαλεί έντονο ενδιαφέρον. Η κατοχή ενός υπόβαθρου βασικών βιολογικών, φυσικών και μαθηματικών αρχών που διέπουν τη λειτουργία και εφαρμόζονται στη μελέτη του εγκεφάλου και γενικότερα του νευρικού συστήματος είναι σημαντική για όσους θελήσουν να εμβαθύνουν σε κάποιο πεδίο της νευροεπιστήμης. Το παρόν σύγγραμμα επιχειρεί μια εισαγωγή στη μελέτη του ανθρώπινου κεντρικού νευρικού συστήματος, εστιάζοντας σε φυσικομαθηματικές θεωρίες που χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη και τη χρήση τεχνικών μελέτης, ερμηνείας και πρόβλεψης στο πεδίο της νευροεπιστήμης. Απευθύνεται, κυρίως, σε φοιτητές σχολών θετικών επιστημών και σχολών μηχανικών και ερευνητές για να τους εισαγάγει σε βασικές έννοιες της νευροεπιστήμης και των τεχνολογιών που την υποστηρίζουν. Στο πρώτο μέρος, παρουσιάζονται τα βασικά, απαραίτητα στοιχεία ανατομίας και φυσιολογίας του εγκεφάλου και του Κεντρικού Νευρικού Συστήματος (ΚΝΣ), καθώς και η ανάδυση των αισθητικών λειτουργιών και οι θεωρίες λειτουργίας των διαδικασιών μάθησης και μνήμης. Στο δεύτερο μέρος, παρουσιάζονται βασικές νευροδιαγνωστικές μέθοδοι απαγωγής σήματος ή λειτουργικής απεικόνισης που περιλαμβάνουν την ηλεκτροεγκεφαλογραφία, τη μαγνητοεγκεφαλογραφία, τη λειτουργική φασματοσκοπία εγγύς υπερύθρου, τη λειτουργική μαγνητική απεικόνιση και την ποζιτρονική τομογραφία εκπομπής. Αναφέρονται, επίσης, τα δυναμικά μοντέλα που έχουν αναπτυχθεί και αναπτύσσονται για τη λειτουργία του κεντρικού νευρικού συστήματος τόσο σε επίπεδο νευρώνα όσο και σε επίπεδο νευρωνικών ομάδων και καταγράφονται οι αναπτυσσόμενες μέθοδοι διεπαφής ανθρώπου – υπολογιστή. Για την πληρότητα της παρουσίασης, αναφέρονται και πιο διαδεδομένες θεωρίες σχετικά με την ανάδυση της συνείδησης, όπως προκύπτουν από τη διεθνή βιβλιογραφία. Το σύγγραμμα δεν φιλοδοξεί να καλύψει αναλυτικά τη θεματολογία που περιέχει, υπάρχει άλλωστε πολυάριθμη εξαιρετική βιβλιογραφία για όποιον θέλει να εμβαθύνει περισσότερο σε κάποιο από τα πεδία που παρουσιάζονται.

Our perception of the world, our knowledge, our memories, our emotions are realised by our brain. The study of its function is fascinating and certain to arouse intense interest. Possessing a background in basic biological, physical and mathematical principles that govern the function and are applied to the study of the brain and the nervous system in general, is important for anyone who wishes to delve into the field of neuroscience. This textbook attempts an introduction to the study of the human central nervous system, focusing on the physical and mathematical principles used to develop and apply techniques for study, interpretation, and prediction in the field of neuroscience. It is primarily aimed at students of science and engineering schools and researchers to introduce them to basic concepts of neuroscience and the technologies that support it. The first part of the textbook presents the basic, essential elements of the anatomy and physiology of the brain and the Central Nervous System (CNS) as well as the emergence of sensory functions and the theories of the functioning of learning and memory processes. The second part presents basic neurodiagnostic methods of signal extraction or functional imaging, including electroencephalography, magnetoencephalography, functional near-infrared spectroscopy, functional magnetic resonance imaging and positron emission tomography. The dynamic models that have been and are being developed for the functioning of the central nervous system at both the neuron and the neuronal group levels are also mentioned, and the developing methods of human-computer interface are recorded. For the completeness of the presentation, the most widespread theories regarding the emergence of consciousness are also mentioned, as derived from the international scientific literature. The textbook does not aspire to cover the subject in detail, as there is a wealth of excellent publications for anyone who wants to delve deeper into any of the fields presented.