Jak działa ludzki mózg?

Co jest najlepszym sposobem na odprężenie? Większość z nas, w ramach relaksu, decyduje się na słuchanie muzyki, spacer, podziwianie widoków, czy oglądanie zdjęć. Zachwycamy się tym, co widzimy i słyszymy. Łatwe, przyjemne i lekkie zajęcie. Jednak nie dla naszego mózgu...

W momencie, kiedy patrzymy na zachodzące słońce i cieszymy się błogim lenistwem, nasz mały "komputer pokładowy" wykonuje żmudną i ciężką pracę. Mózg układa puzzle, łącząc ze sobą mnóstwo elementów. I to w jakim tempie! Wystarczy mu na to tylko ułamek sekundy, a robi to niemalże bezbłędnie.

Wielowymiarowy film w każdej chwili dnia

Zwykła czynność, którą wykonujemy, jak choćby przechadzanie się po pokoju czy przekładanie książek na półkach to tak naprawdę łańcuch działań następujących po sobie, tzw. momentów percepcyjnych. Każdy z nich to zintegrowany zbiór informacji wszystkich zmysłów. Proces ten można porównać do klatek wielowymiarowego filmu. Poza dźwiękiem i obrazem, możemy poczuć także zapach, teksturę i zobaczyć postawę swojego ciała.

Co wyświetla nam mózg? Wszystko, co dociera do nas ze świata zewnętrznego i wewnętrznego. W jaki sposób powstaje nasz film? Wszelkie informacje, dźwięki, obrazy, które docierają do mózgu, są bardzo szybko przetwarzane. Dzięki temu z sekundy na sekundę możemy zobaczyć co innego, usłyszeć inny głos. Wszystko to, dzieje się automatycznie, dlatego się nad tym nie zastanawiamy. Jednak to, co nam wydaje się takie oczywiste i łatwe, w rzeczywistości jest trudnym procesem.

Zabawa w głuchy telefon

Kiedy informacja dociera do mózgu, przekazywana jest specjalnym receptorom zmysłów. Każda komórka receptorowa zostaje pobudzona dopiero, gdy dotrze do niej właściwy bodziec. Wówczas, z określoną częstotliwością, zaczyna wysyłać do kolejnych komórek tzw. potencjały czynnościowe, czyli zmiany napięcia elektrycznego. Jeśli w krótkim czasie dużo potencjałów dotrze do innej komórki, ona również się pobudzi i przekaże wiadomość dalej.

Neurony, niczym w grze w głuchy telefon, przekazują sobie zakodowane treści, ale żaden nie ma pełnego obrazu. Zazwyczaj komórki wysyłają też swoje sygnały tylko do najbliżej położonej warstwy neuronów, która z kolei przekazuje je dalej. W ten sposób informacja jest posegregowana i rozdrobniona według bodźca i jego położenia w przestrzeni, a także podzielona w czasie.

Puzzle, które trudno ułożyć...

Zobacz również:

Jak widać proces układania puzzli przez nasz mózg nie jest łatwy. Badania nad zdolnościami naszego mózgu prowadzone są od dawna, a mimo to wciąż jesteśmy daleko od zrozumienia jego tajemnicy.

Pierwszą próbę ustalenia, jak informacja percepcyjna może być w mózgu integrowana podjęli dwaj laureaci Nagrody Nobla: David Hubel i Torsten Wiesel. Ci neurofizjolodzy przyjęli w swych założeniach, że całość komunikatu, jaką jedna komórka jest w stanie przekazać drugiej, musi zawrzeć się w częstotliwości wysyłania potencjałów. W prowadzonych przez nich obserwacjach okazało się, że struktura obszarów wzrokowych w mózgu jest hierarchiczna.

Jak powstaje obraz?

Na pierwszym piętrze tej hierarchii znajdują się komórki przyjmujące sygnał z receptorów. W siatkówce oka receptory znajdujące się obok siebie, zbierają treść z przylegających regionów pola widzenia, dlatego każda komórka z pierwszej warstwy przetwarzania informacji wzrokowej również będzie miała swój preferowany obszar rzeczywistości. Neurony odbierające od nich sygnały mają nieco większe pola recepcyjne i dzięki temu mogą rozpoznawać już bardzo prosty kształt - plamę światła lub ciemność.

Jak to możliwe? Wśród komórek możemy rozróżnić dwa rodzaje ON i OFF. Gdy pojawi się ich odpowiednia konfiguracja, zaczynają wysyłać potencjały. Im lepiej dopasowane, tym więcej zostanie ich wysłanych. Ich wiadomości zostaną przekazane komórkom następnej warstwy i w ten sposób będzie możliwe rozpoznanie kształtu kresek. Dzięki, temu pola recepcyjne komórek wrażliwych na kreski mogą mieć kształt umożliwiający zakodowanie nie tylko linii poziomych, ale także pochyłych.

Jak mózg odróżnia kreski? W bardzo prosty sposób. Natura wyposażyła nas w wiele komórek wrażliwych na kreski, dlatego dla każdego fragmentu pola widzenia będą odpowiednio dopasowane neurony reagujące na każdy rodzaj linii. Kolejnym etapem rozpoznawania obrazu jest przesłanie informacji do poszczególnych warstw komórek odpowiedzialnych za rozpoznanie kątów i całych figur geometrycznych.

Czy istnieje osobna komórka odpowiedzialna za rozróżnienie rodzajów kwiatów?

Analizy kory sensorycznej innych zmysłów pokazują, że tam również występuje hierarchia. Bodziec kierowany początkowo przez wiele receptorów o małych polach recepcyjnych dojdzie w końcu do komórki o dużym polu z bardzo specyficznymi preferencjami. Z drugiej strony, specyfikacja komórek wciąż rośnie i w każdej kolejnej warstwie ich przybywa. Jak daleko sięga taka hierarchia i czy istnieje komórka odpowiedzialna za rozpoznanie np. róży i druga, która rozróżni stokrotkę?

Badaniami w tym kierunku zajął się m. in. polski neurofizjolog Jerzy Konorski. Uznał, że w mózgu muszą znajdować się specjalne ośrodki - jednostki gnostyczne, zbudowane przynajmniej z jednej komórki, które reagują na każdy możliwy bodziec, a ich pobudzenie jest równoczesne z mentalną reprezentacją tego bodźca. Jednak jego teoria okazała się nierealna. Mimo że w mózgu znajduje się około 100 miliardów neuronów, nie wystarczyłoby to do rozpoznania każdego kształtu przez osobną komórkę.

Jak mózg składa obrazy w całość?

Badania neurofizjologiczne wskazują, że neurony potrafią rozróżniać sygnały synchronizowane od niesynchronizowanych. Im więcej sygnałów dotrze do konkretnej komórki w tym samym czasie, tym większe szanse, że się aktywuje. Okazuje się, że w trakcie uczenia się tworzą się lub umacniają połączenia między neuronami, komórki muszą odróżniać dochodzące do nich potencjały z dokładnością do 2-3 milisekund.

Elementy puzzli, które składa nasz mózg, to nic innego, jak komórki wrażliwe na proste cechy bodźców, a sam proces układania całości to włączanie i wyłączanie odpowiednich grup. Obraz aktywności komórek zmienia się w czasie i układa w rożne wzory. "Mózgowe puzzle" są o tyle łatwe, że ich elementy nie muszą być przesuwane w inne miejsce.

O tym, czy jeden fragment pasuje do drugiego, decyduje zawartość potencjałów wysłanych w czasie przez komórki. Daje to różne możliwości zestawiania ze sobą obrazów, bez niszczenia całej układanki. Nasz mózg ciężko pracuje, dzięki czemu możemy cieszyć się odbiorem pięknych obrazów bez większego namysłu nad ich powstaniem.

Autor:

Ewa Żak