Twój mózg — jak działa?
„Mózg to część ciała najtrudniejsza do zbadania” — zauważa E. Fuller Torrey, psychiatra z Państwowego Instytutu Zdrowia Psychicznego w USA. „W tej puszce, którą nosimy na karku, bada się go bardzo niewygodnie”.
NIEMNIEJ naukowcy twierdzą, że już sporo wiedzą o sposobie, w jaki mózg przetwarza informacje dostarczane mu przez pięć narządów zmysłu. Przyjrzyjmy się na przykład, jak sobie radzi z wrażeniami wzrokowymi.
Oczy twego umysłu
Światło dociera do oczu i pada na siatkówkę, zbudowaną z trzech warstw komórek leżących z tyłu gałki ocznej. Przenika do trzeciej warstwy. Zawiera ona komórki zwane pręcikami, wrażliwe na natężenie światła, oraz czopki, które reagują na określone długości fal świetlnych, odpowiadające barwie czerwonej, zielonej i niebieskiej. Pod wpływem światła barwnik znajdujący się w tych komórkach ulega rozpadowi. Wtedy sygnał zostaje przesłany do drugiej warstwy, a stamtąd do komórek w warstwie najwyższej. Połączone aksony tych komórek tworzą nerw wzrokowy.
Miliony neuronów nerwu wzrokowego zbiegają się w mózgu w miejscu zwanym skrzyżowaniem nerwów wzrokowych. Tutaj neurony przenoszące impulsy z lewych połówek siatkówki każdego oka spotykają się i równolegle płyną do lewej półkuli mózgu. Podobnie sygnały z siatkówki prawych połówek obu oczu łączą się i wędrują do prawej półkuli. Następnie docierają do stacji przekaźnikowej we wzgórzu, a stamtąd do obszaru w tylnej części mózgu — do kory wzrokowej.
Różne aspekty informacji wzrokowej przemieszczają się równoległymi drogami. Naukowcy wiedzą dziś, że pierwotna kora wzrokowa wraz z otaczającym ją obszarem działa jak urząd pocztowy, gdyż segreguje rozmaite informacje dostarczone przez neurony, wyznacza im odpowiednią trasę oraz łączy je ze sobą. Kolejny obszar, trzeci, wykrywa kształt, na przykład krawędzie przedmiotu, oraz ruch. Czwarty rozpoznaje zarówno formę, jak i kolor, a piąty — śledząc ruch — nieustannie aktualizuje wizerunki uzyskane z danych wzrokowych. Ostatnie badania wskazują, że w przetwarzaniu informacji zbieranych przez oczy bierze udział aż 30 obszarów mózgu! Ale w jaki sposób te dane łączą się ze sobą, byś miał zupełny obraz? Innymi słowy, jak „widzi” twój umysł?
Jak mózg „widzi”
Wprawdzie informacje dla mózgu zbiera oko, lecz ich przetwarzaniem zajmuje się kora. Jeśli zrobisz zdjęcie, będą na nim widoczne wszystkie elementy sfotografowanej sceny. Ale kiedy to samo obserwujesz oczami, świadomie dostrzegasz tylko rzeczy, na których skupiasz uwagę. Jak mózg tego dokonuje, pozostaje tajemnicą. Niektórzy uważają, że jest to rezultat stopniowej integracji wrażeń wzrokowych w tak zwanych obszarach konwergencji, dzięki czemu możesz porównać to, co widzisz, z tym, co już znasz. Inni sugerują, że jeśli nie dostrzegasz czegoś wyraźnie, to po prostu dlatego, że nie zostały pobudzone neurony kontrolujące mechanizm uwagi.
Jednakże kłopoty naukowców z wyjaśnieniem, na czym polega widzenie, bledną wobec trudności związanych z ustaleniem prawdziwej natury „świadomości” i „umysłu”. Techniki obrazowania, takie jak tomografia rezonansowa oraz emisyjna tomografia pozytonowa, otworzyły przed naukowcami nowe możliwości badania mózgu. A obserwacja przepływu krwi do określonych obszarów mózgu w czasie procesu myślenia pozwoliła im stwierdzić z dość dużą pewnością, że za słyszenie słów, jak również ich widzenie i wypowiadanie odpowiedzialne są różne rejony kory. Niemniej, jak podsumował to pewien pisarz, „fenomen umysłu i świadomości jest znacznie bardziej złożony (...) niż ktokolwiek się spodziewał”. Mózg rzeczywiście kryje w sobie jeszcze wiele zagadek, które czekają na rozwiązanie.
Mózg — czy tylko doskonały komputer?
Aby zrozumieć działanie naszego skomplikowanego mózgu, warto dokonać pewnych porównań. W połowie XVIII wieku, na początku rewolucji przemysłowej, modne było przyrównywanie mózgu do maszyny. Później, gdy miarą postępu stały się telefony, ludzie dopatrywali się analogii między mózgiem a centralą telefoniczną z operatorem, który podejmuje decyzje. Ponieważ obecnie najtrudniejsze zadania wykonują komputery, do nich właśnie porównuje się mózg. Czy w pełni odzwierciedla to jego pracę?
Mózg różni się od komputera pod zasadniczymi względami. Przede wszystkim nie jest układem elektrycznym, lecz chemicznym. W każdej jego komórce zachodzą liczne reakcje chemiczne, zupełnie obce komputerowi. Ponadto profesor Susan A. Greenfield zauważa, że „nikt nie programuje mózgu: jest to organ samoczynny, działający spontanicznie”. Natomiast komputer trzeba zaprogramować.
Neurony komunikują się ze sobą w skomplikowany sposób. Wiele z nich reaguje na 1000 lub więcej sygnałów przepływających przez synapsy. Aby zrozumieć, co się za tym kryje, weźmy pod uwagę wnioski pewnego neurobiologa. Badał on wnętrze mózgu nad nosem i tuż za nim, chcąc się dowiedzieć, w jaki sposób rozpoznajemy zapachy. „Nawet tak prosta z pozoru czynność”, mówi, „wydająca się igraszką w porównaniu z udowodnieniem twierdzenia z geometrii czy zrozumieniem kwartetu smyczkowego Beethovena, angażuje 6 milionów neuronów, a każdy z nich odbiera z innych komórek nerwowych chyba z 10 000 sygnałów”.
Mózg nie jest jednak tylko zbiorem neuronów. Na każdy z nich przypada kilka komórek glejowych. Oprócz tego, że scalają one mózg, zapewniają też neuronom izolację elektryczną, zwalczają infekcje i łączą się ze sobą, tworząc ochronną barierę krew-mózg. Zdaniem uczonych komórki glejowe mogą pełnić wiele nie odkrytych dotąd funkcji. „To narzucające się porównanie [mózgu] ze skonstruowanym przez człowieka komputerem, który przetwarza informacje elektroniczne w formie cyfrowej, ma takie braki, że właściwie wprowadza w błąd” — podsumowuje czasopismo The Economist.
Do wyjaśnienia pozostaje nam jeszcze inna zagadka.
Jak powstają wspomnienia?
Pamięć, która zdaniem profesora Richarda F. Thompsona jest „chyba najbardziej zdumiewającym zjawiskiem w przyrodzie”, wiąże się z kilkoma różnymi funkcjami mózgu. Większość badaczy wyróżnia dwa rodzaje pamięci: deklaratywną i proceduralną. Ta druga obejmuje umiejętności i nawyki. Natomiast pierwsza gromadzi fakty. W książce The Brain — A Neuroscience Primer (Mózg — podstawy neurologii) dokonano podziału według czasu trwania śladu pamięciowego i wymieniono: pamięć bezpośrednią, trwającą około 100 milisekund; krótkotrwałą, która utrzymuje się kilka sekund; operacyjną, gromadzącą bieżące doświadczenia, oraz pamięć długotrwałą, przechowującą przyswajane materiały werbalne i umiejętności ruchowe.
Według jednego z możliwych wyjaśnień pamięć długotrwała uruchamia się przy pobudzeniu przedniej części mózgu. Informacja przeznaczona dla tej pamięci przepływa w postaci impulsu elektrycznego do hipokampa. Tutaj proces zwany długotrwałym wzmocnieniem synaptycznym zwiększa zdolność neuronów do przekazywania informacji (patrz ramka „Zmniejszanie szczeliny”).
Inna teoria ma związek z uznawaniem kluczowej roli fal mózgowych. Jej zwolennicy uważają, iż przypominające uderzenia bębna rytmiczne oscylacje, jakim podlega aktywność elektryczna mózgu, pomagają łączyć wspomnienia i decydują o momencie pobudzenia odpowiednich komórek nerwowych.
Uczeni twierdzą, że nasz mózg gromadzi rozmaite aspekty wspomnień w różnych miejscach, przy czym każda informacja przechowywana jest w obszarze wyspecjalizowanym w jej przyjmowaniu. Niektóre części mózgu z pewnością mają związek z pamięcią. Ciało migdałowate — mała, wielkości migdała, wiązka komórek nerwowych niedaleko pnia mózgu — magazynuje wspomnienia wywołujące lęk. Zwoje podstawy koncentrują się na nawykach i umiejętnościach fizycznych, a móżdżek, leżący u podstawy mózgu — na odruchach wrodzonych i warunkowych. Jak się uważa, w nim mieści się też ośrodek równowagi, potrzebnej na przykład podczas jazdy na rowerze.
Oczywiście ten pobieżny przegląd funkcji mózgu pomija szczegóły związane z jego wieloma ważnymi zadaniami, takimi jak: kontrolowanie czasu, uczenie się języka i nabywanie skomplikowanych umiejętności ruchowych, zawiadywanie układem nerwowym i innymi narządami oraz radzenie sobie z bólem. W dalszym ciągu trwają prace badawcze nad chemicznymi przekaźnikami w mózgu łączącymi się z układem odpornościowym. „Ta złożoność jest tak niewiarygodna, że człowiek zaczyna się zastanawiać, czy w ogóle istnieje jakaś szansa na jej rozpracowanie” — zauważa neurolog David Felten.
Wiele tajemnic mózgu pozostaje nierozwikłanych, niemniej ten zdumiewający narząd pozwala nam myśleć, zastanawiać się i przypominać sobie to, czego się nauczyliśmy. A jak robić z niego najlepszy użytek? Na to pytanie odpowie ostatni artykuł z tej serii.
[Ramka i ilustracja na stronie 8]
ZMNIEJSZANIE SZCZELINY
W fazie pobudzenia neuronu impuls nerwowy biegnie aksonem. Kiedy dociera do kolbki synaptycznej, sprawia, że przez jej błonę przenikają drobne pęcherzyki, zawierające tysiące cząsteczek neuroprzekaźnika, który w ten sposób uwalnia się do synapsy.
Niczym klucz w skomplikowanym układzie zamków neuroprzekaźnik otwiera i zamyka kanały przewodzące w następnym neuronie. W rezultacie przepływają przez niego ładunki elektryczne, co prowadzi do kolejnych zmian chemicznych, a te albo pobudzają, albo hamują dalszą czynność komórki nerwowej.
Zjawisko nazywane długotrwałym wzmocnieniem synaptycznym zachodzi wtedy, gdy neurony regularnie ulegają pobudzeniu i uwalniają do synapsy neuroprzekaźniki. Zdaniem niektórych uczonych dzięki temu komórki nerwowe zbliżają się do siebie. Według innych istnieją dowody na to, że informacja zostaje skierowana z neuronu odbiorczego z powrotem do nadawczego. To z kolei powoduje zmiany chemiczne, w wyniku których powstaje jeszcze więcej białek służących jako neuroprzekaźniki. A te wzmacniają połączenia między neuronami.
Właśnie ze względu na te stale zmieniające się połączenia, czyli plastyczność mózgu, mówi się o nim, że nieużywany „rdzewieje”. Dlatego jeśli chcesz coś zapamiętać, często o tym myśl.
Akson (neuryt)
Włókno, które przewodzi impulsy i łączy neurony
Dendryty
Krótkie, licznie rozgałęzione wypustki łączące neurony
Wypustki neuronu
Przypominające czułki odgałęzienia neuronu; dwa główne rodzaje to aksony i dendryty
Neurony
Komórki nerwowe. W mózgu znajduje się ich od 10 do 100 miliardów i „każdy jest połączony z setkami, a czasem tysiącami innych komórek”
Neuroprzekaźniki
Substancje chemiczne, które przenoszą sygnał nerwowy przez tak zwaną szczelinę synaptyczną między neuronem (komórką nerwową) doprowadzającym a odprowadzającym
Szczelina synaptyczna
Przestrzeń między neuronem (lub nerwem) doprowadzającym a odprowadzającym
[Prawa własności]
Na podstawie książki profesor Susan A. Greenfield The Human Mind Explained, wydanej w 1996 roku
CNRI/Science Photo Library/PR
[Ramka i ilustracja na stronie 9]
UMIEJĘTNOŚCI TYPOWE DLA CZŁOWIEKA
Niezwykłą zdolność porozumiewania się człowiek posiada dzięki specjalnym obszarom mózgu, zwanym ośrodkami mowy. Wydaje się, że to, co chcemy powiedzieć, jest organizowane w lewej półkuli, w ośrodku Wernickego (1). Wiąże się on z ośrodkiem Broca (2), który odpowiada za stosowanie reguł gramatycznych. Następnie impulsy docierają do leżących w pobliżu obszarów ruchowych kontrolujących mięśnie twarzy i pomagających formułować odpowiednie słowa. Ponadto obszary te łączą się z układem wzrokowym w mózgu, dzięki czemu możemy czytać, z układem słuchowym, pozwalającym nam słyszeć, rozumieć i reagować na to, co mówią inni, a także — czego nie wolno pominąć — z pamięcią, gromadzącą cenne myśli. „Cechą, która rzeczywiście stawia człowieka ponad zwierzętami”, podsumowuje podręcznik dla studentów Journey to the Centres of the Brain (Podróż w zakamarki mózgu), „jest zdolność przyswajania sobie zadziwiająco różnorodnych umiejętności oraz faktów i reguł, dotyczących nie tylko świata wokół niego, ale przede wszystkim innych ludzi i tego, co skłania ich do konkretnego zachowania”.
[Ilustracje na stronie 7]
Różne obszary mózgu przetwarzają barwę, formę, kontury, kształt oraz śledzą ruch
[Prawa własności]
Parks Canada/J. N. Flynn