Jak działa mózg
i skąd się bierze umysł?

Włodzisław Duch

Katedra Informatyki Stosowanej,
Uniwersytet Mikołaja Kopernika,

Grudziądzka 5, 87-100 Toruń.

WWW: https://www.is.umk.pl/~duch

Zrozumienie mózgu/umysłu: ostatnia wielka zagadka nauki? W głowie nie ma ludków (homunculi) ani czującej "duszy". W mózgu jest ciemno i cicho, a widzimy światło i słyszymy dźwięki ...

Dualizm - istniejąca od tysiącleci wiara w niematerialny, niezależny od mózgu umysł - powoli zanika. Umysł jest częścią tego, co robi mózg. Jak to możliwe? Mózg to galareta, neurony w mózgu zliczają impulsy. Francis Crick (współodkrywca struktury DNA) napisał ksiązkę: "Zdumiewająca hipoteza. Nauka w poszukiwaniu duszy". Zdumiewająca hipoteza: umysł jest wynikiem procesów w mózgu! Centralny Paradoks Kognitywistyki: jak procesy neurofizjologiczne mogą tworzyć procesy psychiczne?

Czy można zrozumieć mózg? Czy umysł/mózg może zrozumieć sam siebie? To tylko pozornie głębokie pytania. Czy rozumiemy atom wodoru? We wszystkich szczegółach nie da się niczego zrozumieć! Czy można zrozumieć kalkulator? Chyba nie badając prądy, bramki logiczne i żywice obwodów scalonych? Ogólną zasadę działania mózgu nie jest trudno zrozumieć. Badania nad mózgiem, neuronauki (neuroscience), obejmują bardzo wiele dziedzin, np. neurochemię, neurobiologię, neuropsychologię, neurofizjologię behawioralną, kognitywne obliczeniowe neuronauki, psycho-neuro-immuno-logię i wiele innych ...

Dwa rodzaje pytań:

Dlaczego? Dlaczego zebry maja paski? Dlaczego istnieją tabu? Jak? Jak działają mózgi?

Dlaczego tak?

Wszystko jest takie, jakie jest, bo ... takie się zrobiło!
Przyczyny ewolucyjne bada socjobiologia, psychologia ewolucyjna, medycyna ewolucyjna ...

Dlaczego mamy mózgi?
Konieczne do poruszania się, działań senso-motorycznych! Żachwy w młodości (okres larwalny) pływają i mają mózgi; po przytwierdzeniu do skały zjadają je! Ludzie nie zjadają własnych mózgów, ale narząd nieużywany zanika ... warto się uczyć całe życie.
Dlaczego lewa ręka kontrolowana jest przez prawą półkulę mózgu?
Mózg rozwinął się z węzłów neuronów w wielo-segmentowych robakach, które miały prosty odruch zwijania: dotyk z jednej strony wpływał na kurczenie się mięśni po stronie przeciwnej. Jedynie węch, rozwinięty z węzła położonego z przodu, nie ma skrzyżowanych szlaków nerwowych.
W Zachodniej Afryce znajdujemy kultury żywiące się bulwami ignamu (podobne do ziemniaków). Zbiera się je na początku pory deszczowej. Tabu religijne nakazuje jeść te bulwy na końcu pory deszczowej, pomimo braku żywności. Dlaczego? W sezonie deszczowym komary roznoszą malarię; wielu ludzi ma anemię sierpowatą, chorobę genetyczną, zwykle niezbyt groźną; anemia sierpowata zwiększa odporność na malarię, a więc szansę przeżycia; ignam zawiera związki zwalczające anemię sierpowatą. Tabu zakazujące jedzenia ignamów w porze deszczowej, gdy komary roznoszą malarię, jest korzystne dla zdrowia!

Na wiele pytań "dlaczego" znaleziono sensowne odpowiedzi.
Rewolucja w medycynie opiera się na zrozumieniu przyczyn i związków pomiędzy procesami genetycznymi i metabolicznymi zachodzącymi w komórkach.

Jak to działa?

Na różnych poziomach opisu można odpowiadać na różne pytania "jak". Ważne są struktury o rozmiarach od 10-10m (neurocząsteczki) do 1m (cały organizm). Niestety zrozumienie zjawisk należących do jednego poziomu zależy od zrozumienia pozostałych.

Czy amulety chronią przed chorobami?
Zawsze trzeba się pytać: skąd wiemy, jak to działa?
Dawniej głównie badając skutki urazów i chorób mózgu oraz prowadząc eksperymenty na zwierzętach.
Dzisiaj dzięki wymyślonym przez fizyków metodom obserwacji pracy mózgu: EEG, MEG, MRI, fMRI, PET, SPECT ...

Mózg z klocków.

Przetwarzanie informacji przez poszczególne struktury mózgu i obszary kory mózgowej pozwala na analizę wielu zdumiewających zjawisk.
Najłatwiej to prześledzić na schemacie mózgu ...

Trochę neuroanatomii.

Trzy mózgi: najstarszy archipalium (mózg gadzi), stary paleopalium (mózg ssaka), najmłodszy neopallium (mózg naczelnych). Gady działają "z zimną krwią", bez uczuć, realizując popędy takie jak ochrona terytorium. Ich mózg zapewnia homeostazę (Id). Mózgi ssaków i ptaków mają rozbudowany "układ limbiczny", realizujący złożone instynkty, emocje, uczenie się, spryt (Ego). Mózgi naczelnych umożliwiają im racjonalne działanie, myślenie abstrakcyjne, wyobraźnię, inteligencję (Superego). Wszystkie trzy części mózgu współpracują ze sobą.

Mózg podzielony: dwie oddzielne półkule i ich specjalizacja. "Dominująca" półkula (zwykle lewa): zdolności językowe, rozumienie i produkcja mowy, czytanie, pisanie, myślenie logiczne, dialog wewnętrzny, myślenie analityczne, precyzyjne, świadomość działania. "Niema" półkula: orientacja przestrzenna, poczucie rytmu i melodii, analiza "z grubsza" złożonych sytuacji, "intuicja", postrzeganie cech ogólnych, analiza emocji, nie-werbalnych cech wypowiedzi (prozodia), rozumienie prostych poleceń bez gramatyki. W normalnym mózgu mamy silną współprace przez spoidło wielkie, wiązkę 200 milionów włókien łączących obie półkule. Dlaczego istnieje taki podział funkcji? Nie można w ciągły sposób analizować wszystkich informacji, trzeba wyróżnić fragmenty warte dokładniejszej analizy. Łatwiej jest dzielić uwagę, np. porozumiewać się podczas grupowego polowania lub obserwacji terenu.

Aktywność mózgu jest inna w zależności od tego, czy patrzymy na cały rysunek czy na szczegóły.

Kora mózgu.

Około 10 mld neuronów w wielu wyspecjalizowanych obszarach, około 10¹⁴ połączeń.
Najnowsze mikroprocesory: 100 mln elementów i połączeń, brakuje jeszcze czynnika rzędu 10⁶ by osiągnąć podobną złożoność!

3 podstawowe funkcje kory mózgu:

• Analiza danych zmysłowych, precyzyjne rozpoznawanie istotnych zjawisk.
• Kontrola, planowanie i koordynacja ruchów.
• Wyższe funkcje poznawcze: pamięć, myślenie, planowanie, ocena wartości emocjonalnej.

Analiza danych zmysłowych: kora pierwotna, wtórna (skojarzeniowa), i trzeciorzędowa (wielomodalna).

Kora ruchowa: pierwotna (proste ruchy) i wtórna w płacie czołowym
+ móżdżek - aż. 30 mld neuronów, ale tylko 10¹³ połączeń.
Kora skojarzeniowa - przedczołowa, ciemieniowa, wiele zakrętów.

Płaty kory widziane z 4 stron: bocznej, górnej, przyśrodkowej i brzusznej.

Część boczna mózgu na filmie (tylko lokalnie).

Część przyśrodkowa.

Każdy zakręt ma specyficzną funkcję (czasami kilka).

Jak działa kora?

Dwa podstawowe mechanizmy: mapy topograficzne i kodowanie populacyjne.

Analiza danych zmysłowych:
redukcja ilości informacji z zachowaniem ważnych relacji topograficznych.
Mapy somatosensoryczne (czuciowe), ruchowe, tonotopiczne (słuchowe), wzrokowe.
Mapy są też w móżdżku, wzgórzu i innych strukturach podkorowych.

Mapy somatosensoryczne i projekcje z wzgórza.

Topograficzna organizacja map: projekcje z bliskich obszarów ciała reprezentowane są w sąsiednich miejscach kory.

Mapa kory motorycznej

Każdy z 6 zmysłów ma swoją korę, pierwotną i wtórną, interpretującą rezultaty.
Uszkodzenie wtórnej kory czuciowej powoduje dziwne zjawisko: asymbolię bólu.
Wiadomo, że boli, wiadomo gdzie, ale nie wiadomo, co zrobić z tą informacją - ból przestaje być cierpieniem.
Znaczenie bólu - trzeba usunąć przyczynę, bo może dojść do uszkodzenia organizmu.

Wzrok

Rozpoznawanie: szybka ale niedokładna droga wzgórze-układ limbiczny i wolniejsza ale bardziej precyzyjna droga korowa, brzuszna (rozpoznawanie obiektów) i brzuszna (rozpoznawanie ruch i położenia umożliwające działanie). Radiacja wzrokowa. Ungerleider i Mishikn (1982): co i gdzie, przetwarzane przez drogę brzuszną i grzbietową. Millner i Goodale (1995): postrzeganie i działanie. Wszystko, co robi mózg, w końcu służy działaniu, więc jeśli informacja nie dociera do płatów czołowych (ruch, planowanie) jest bezużyteczna, nie ma wrażeń wzrokowych.

Czy do widzenia potrzebne są oczy?
Nie! Po utracie wzroku można nadal mieć wrażenia wzrokowe!
Oliver Sacks, "Antropolog z Marsa", zawiera piękny rozdział na ten temat.
Postrzeganie wzrokowe - wymaga odpowiedniej struktury sygnałów dochodzących do mózgu, można je doprowadzić z kamery, można używać czujników dotykowych na plecach lub na języku.

Szum w układzie wzrokowym - może pomóc lepiej widzieć!

Emocje i poznanie

Zmysły i kora to nie wszystko!
Stara kora układu limbicznego: odpowiedzialna za pamięć średniotrwałą, formowanie się trwałych śladów pamięci, analizę emocji i stanu ciała, instynkty i specyficzne dla danego gatunku formy zachowań.
Strach, fobie, odruchy podskoku i zamierania: problemy z ciałem migdałowatym.

Poznanie kognitywne (rozpoznanie) to funkcja kory.
Poznanie afektywne (poczucie, intymność) to funkcja układu limbicznego.
Zwykle poznanie afektywne uważa się za bardziej wiarygodne.
Projekcje układ limbiczny => kora są znacznie silniejsze niż kora => układ limbiczny.
Dlatego emocje mają większy ( i szybszy) wpływ na nasze działanie.
Czucie nie zawsze warto stawiać nad rozum!

Przykład: syndromy niewłaściwego rozpoznania (DMS)
Urojenie Capgrasa: żona, dzieci, przyjaciele, pies a nawet ja sam, mogą się wydawać obcymi, chociaż ich prawidłowo rozpoznajemy.
Dysocjacja poznawania kognitywnego i afektywnego jest wynikiem uszkodzeń kory obręczy i okolic zakręta kątowego prawej półkuli.

Urojenie Cotarda - jestem martwy!

Wiele syndromów neuropsychologicznych można zrozumieć na poziomie przepływu informacji:

• Agnozje - niezdolność do rozpoznania czegoś, np. prozopagnozja, niezdolność do rozpoznawania twarzy, lub anosagnozja, zaprzeczanie paraliżowi połowy ciała.
• Asymbolia - brak zrozumienia jakiegoś wrażenia, np. bólu.
• Apraksja - niezdolność do wykonywania pewnych ruchów.
• Akalkulia - niezdolność do używania liczb.

• Aleksja - niezdolność do czytania.
• Agrafia - niezdolność do pisania; można mieć aleksję bez agrafii, czyli umieć pisać, ale nie czytać!
• Afazja - problemy ze zrozumieniem lub produkcją mowy.

Ośrodki podkorowe: wzgórze, układ limbiczny i pień mózgu.

Mózg od środka.

Wzgórze - przesyła informacje od zmysłów do kory, dokonuje wstępnej selekcji informacji.
Topograficzna organizacja projekcji wzgórze-kora.

Kora rozpoznaje, przypisuje kategorie; układ limbiczny określa wartość emocjonalną.
Sygnały z ciała przypisywane są "ja", zewnętrzne sygnały zmysłowe "nie-ja, świat".

Proponowano inne podziały, np.

• A. Damasio, świadomość rdzenna i świadomość rozszerzona.
• N. Block, świadomość dostępowa i fenomenalna.

Dokładniejszy schemat:

Głębiej ukryte wartości (popędy) mają wpływ na aktywny sposób oddziaływania ze środowiskiem prowadzący do wytworzenia się specyficznych, wyrafinowanych reakcji mózgu.

Neurony w mózgu

Jak wygląda "świat wewnętrzny" w naszym mózgu?

Modele neuronowe wyjaśniają działanie pamięci przez współpracę dużej liczby neuronów.
Pamięć: nie jest zlokalizowana, tylko zapisana w połączeniach synaptycznych wielu neuronów ze sobą.
Modularna budowa kory: neurony zgrupowane są w kolumny, ok. 100.000 neuronów w jednej kolumnie, zajmujące się głównie (w 80%) sobą.

Kiedy rozpoznajemy jakiś obiekt, używamy symbolu czy pojawia się myśl wynika to z współpracy wielu kolumn ze sobą.
Przykład: pokazujemy małpie obrazki i obserwujemy działanie jej neuronów.

Skojarzenia: powiązania, relacje między stanami mózgu.
Przykład: mapy umysłu.

Mapy zmieniają się w czasie na skutek naszych doświadczeń i myśli, każdy ma więc inny umysł.

Przykład bardzo skomplikowanej mapy mojego mózgu ...

W mózgu pobudza się jednocześnie bardzo wiele różnych konfiguracji kolumn korowych.
Świadome procesy - mające wpływ na cały mózg, znajdujące się w pamięci roboczej - są kształtowane przez konteksty.
Treść świadomości jest szeroko dostępna strukturom układu nerwowego.
Możliwy jest wpływ świadomych stanów umysłu na procesy autonomiczne.

Uczenie się: tworzenie nieświadomych procesorów, sekwencji przetwarzania informacji.
Nieświadome procesory: sprawne, nie przeszkadzają sobie, szybkie, dokładne, działają współbieżnie, duża przepustowość, ograniczony zakres.

Procesy świadome: mało wydajne, powolne, szeregowe, mała przepustowość, często błędne, przeszkadzają lub wykluczają się wzajemnie.
Interferencja procesów świadomych prowadzi do skojarzeń, powiązań procesów zachodzących w różnym czasie, relacji pomiędzy (nieświadomymi) kontekstami.
Procesy świadome konieczne są do rozwiązywania nietypowych zadań, wymagających kilku kroków rozumowania; wynik są pamiętane jako nowa "porcja informacji".

Pamięć robocza przesyła wiadomości do specjalizowanych procesorów;
tylko jedna wiadomość może być rozsyłana w danym czasie;
odpowiedzi są interpretowane w wybiórczy i stronniczy sposób, w zależności od kontekstu;
ocena wartości informacyjnej na podstawie redukcji niepewności;
dane przewidywalne stają się redundantne (habituacja).

Rozwiązywanie problemu to zawsze triada:

• świadome postawienie zadania;
• nieświadome wykonanie obliczeń;
• świadome przedstawienie rozwiązania.

Nie musimy się szczególnie wysilać przy rozwiązywaniu problemów!
Wstarczy się skupić i oczekiwać na rozwiązanie.

Życzę twórczego leniuchowania!