Гордон М. Шеперд

Гордон Мюррей Шеперд (21 июля 1933 г.) – 9 июня 2022 г.) — американский нейробиолог , который провел фундаментальные экспериментальные и вычислительные исследования того, как нейроны организуются в микросхемы для выполнения функциональных операций нервной системы. Используя обонятельную систему в качестве модели, охватывающей несколько уровней пространства, времени и дисциплин, его исследования варьировались от молекулярных до поведенческих, что было отмечено ежегодной лекцией в Йельском университете по «интегративной нейробиологии». На момент смерти он был почетным профессором нейробиологии Йельской медицинской школы . Он окончил Университет штата Айова со степенью бакалавра, Гарвардскую медицинскую школу со степенью доктора медицинских наук и Оксфордский университет со степенью доктора философии.

Ранние работы

Его аспирантура по электрофизиологии обонятельной луковицы в 1963 году позволила создать одну из первых схем микросхемы мозга. Основываясь на этой работе, он сотрудничал с Уилфридом Раллом, который тогда основал новую область вычислительной нейробиологии в Национальном институте здравоохранения, чтобы построить первые вычислительные модели нейронов головного мозга: митральных и гранулярных клеток. Это предсказало ранее неизвестные дендродендритические взаимодействия между митральными и гранулярными клетками, впоследствии подтвержденные электронной микроскопией. Было высказано предположение, что эти взаимодействия опосредуют латеральное торможение обработки сенсорной информации, а также генерируют колебательную активность, участвующую в обработке запахов. Модель предполагала активные свойства дендритов, что впоследствии было подтверждено, благодаря чему модель учитывает нетопографические взаимодействия по всей обонятельной луковице. Эта статья вошла в серию «Очерки классических статей APS»:

Но, вероятно, высшим достижением работ Ралля (и, возможно, вычислительной нейробиологии в целом) является статья 1968 г.

Ралл и Шеперд в Журнале нейрофизиологии. В отличие от большинства других исследований Ралля, которые предоставили концептуальную

Этот подход отличается тем, что он действительно затрагивает недра конкретной системы — обонятельной луковицы.

— 

Следующая проблема, которую мы рассмотрели, заключалась в том, как запахи представлены в мозгу. Коллаборация 1975 года с использованием новых методов визуализации мозга впервые выявила, что запахи кодируются различными паттернами пространственной активности в обонятельных клубочках обонятельной луковицы. Это показало, что нейронная основа обоняния у позвоночных включает представление запаха с помощью паттернов активности клубочков («образы запахов»), которые затем обрабатываются широко распространенными микросхемами обонятельных луковиц.

Среди паттернов, вызванных запахом, особое внимание уделялось «модифицированному клубочковому комплексу», первому из подсистемы «ожерельеобразных клубочков» в главной обонятельной луковице, которая получает специфический сигнал от обонятельных рецепторов, которые реагируют на запаховые стимулы через циклический вторичный мессенджер GMP. система.

Лаборатория Шеперда использовала обонятельную луковицу в качестве общей модели интегративных действий нейрональных дендритов. Это показало, что дендриты могут содержать несколько вычислительных единиц; потенциалы обратного распространения действия в дендритах выполняют определенные функциональные операции; а дендритные шипы могут функционировать как полунезависимые единицы ввода-вывода. Лаборатория также предоставила базовую схему обонятельной коры головного мозга. Были выдвинуты новые концепции, призванные заменить классическое «нейронное учение», а также введен термин «микросхема» для характеристики конкретных закономерностей синаптических взаимодействий в нервной системе.

Более поздняя работа

Исследования Шеперда по визуализации запахов были расширены за счет использования функциональной МРТ высокого поля (7 и 9 Тесла ), работа началась с его давним коллегой Чарльзом Гриром и членами Йельского центра визуализации . Лаборатория внедрила методы отслеживания вирусов, чтобы выявить широко рассредоточенные скопления гранулярных клеток, которые, как предполагается, необходимы для обработки распределенных клубочков, активируемых запаховыми раздражителями. Эти экспериментальные данные были использованы для создания новых трехмерных вычислительных моделей распределенных цепей митральных и гранулярных клеток, чтобы получить представление о природе обработки, лежащей в основе восприятия запахов.

Какие сенсорные «примитивы» составляют основу восприятия запахов? Эта фундаментальная проблема была решена путем моделирования молекулярных взаимодействий между молекулами запаха и новыми обнаруженными обонятельными рецепторами. На молекулах запаха были идентифицированы «детерминанты», которые активируют определенные участки рецепторов, кодирующие идентичность молекулы запаха.

Новое понимание человеческого обоняния привело к новому акценту на ретроназальном обонянии, которое активирует обширную «вкусовую систему» ​​в человеческом мозге; это привело в 2015 году к появлению новой области « нейрогастрономии », основанной на его одноименной книге. одной из целей которого является улучшение понимания факторов, способствующих клиническим состояниям и глобальному здоровью. , Келси Рахенкамп, Сиддхарт Капур, Уита Мишель и Брет Смит сформировали новое общество и ежегодное собрание Шеперд, Дэн Хан , Фредерик Морен , Чарльз Спенс , Тим МакКлинток, Боб Перри, Джехангир Мехта под названием Международное общество нейрогастрономии ( ИНН). ISN спонсируется Национальным институтом глухоты и других коммуникативных расстройств / Национальными институтами здравоохранения . Те же принципы были применены к дегустации вин в нейроэнологии. Эти принципы иллюстрируются анимацией по Нейрогастрономии. и нейроэнология.

Обонятельная луковица переходит в обонятельную кору, которая переходит в неокортекс, где происходит восприятие запахов. Ранние исследования обонятельной коры под руководством Льюиса Хаберли привели к открытию базовой схемы пирамидных клеток с обратной связью, латеральным возбуждением и торможением как основой для более высокой обонятельной обработки. Текущие исследования палеонтолога Тимоти Роу показывают, что в ходе эволюции эта базовая трехслойная микросхема объединилась с дорсальной корой рептилий, образовав неокортекс.

Его лаборатория была в числе первых групп, основавших область нейроинформатики , с первым финансированием проекта «Человеческий мозг» в 1993 году. Домашний сайт — «SenseLab», который содержит набор из 9 баз данных, поддерживающих исследования обонятельных рецепторов, карт запахов и т. д. свойства нейронов и дендритов, а также модели нейронов и микросхем. SenseLab была основана Шепердом, Перри Миллером, основателем Йельского центра медицинской информатики, и Майклом Хайнсом, основателем широко используемой программы моделирования NEURON.

Награды и почести

• Почетная степень Копенгагенского университета , 1999 г.
• Почетная степень Университета Павии , 2006 г.
• Премия ISN за выдающиеся достижения, Международное общество нейрогастрономии , 2015 г.

Избранные публикации

Книги

• Шеперд, генеральный менеджер (1974). Синаптическая организация мозга . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета.
• Шеперд, генеральный директор (1983). Нейробиология . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета.
• Шепард, генеральный менеджер (1991). Основы нейронной доктрины . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета.
• Шепард, генеральный менеджер (2010). Создание современной нейронауки: революционные 1950-е годы . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета.
• Шеперд, генеральный менеджер (2011). Нейрогастрономия: как мозг создает вкус и почему это важно . Нью-Йорк: Издательство Колумбийского университета.
• Шепард, генеральный менеджер (2016). Нейроэнология: как мозг создает вкус вина . Нью-Йорк: Издательство Колумбийского университета.

Редактор

• Сегев И., Ринцель Дж. и Шепард ГМ, редакторы. (1995). Теоретические основы дендритной функции: избранные статьи Уилфрида Ралла . Кембридж, Массачусетс: MIT Press.
• Шеперд Г.М. и Гриллнер С., редакторы (2010 г.). Справочник по микросхемам мозга . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета.