Ghid privind creierul uman

Cu 250.000 de ani în urmă a avut loc ceva extraordinar. Animale cu o aptitudine fără precedent pentru gândire au apărut în savanele din Africa. Aceste creaturi erau conştiente şi aveau minte şi au ajuns să-şi chestioneze originile propriei lor inteligenţe.

Gândire interconectată

În timp ce investiga anatomia neuronilor în secolul 19, Santiago Ramón y Cajal a propus ideea că semnalele parcurg neuronii într-o singură direcţie. Corpul celulei şi proiecţiile sale ramificate, cunoscute sub numele de dendrite, colectează informaţiile care vin de la alte celule. Informaţia procesată este apoi transmisă de-a lungul fibrei nervoase lungi a neuronului, numită axon, la sinapsă, de unde mesajul este transmis la următorul neuron.

De-abia în anii 1940 şi 1950 neurologii au reuşit să afle mai multe despre detaliile mai fine ale acestei transmisii de mesaje electrice. Noi cunoaştem în prezent că mesajele sunt transmise ca impulsuri scurte denumite potenţiale de acţiune. Ele transportă un mic voltaj – doar 0.1 volţi – şi durează doar câteva miimi de secundă, dar ele pot străbate distanţe mari în acest timp, atingând viteze de 120 de metri pe secundă.

Călătoria impulsului nervos ajunge la final atunci când ajunge la o sinapsă, generând eliberarea unor molecule numite neurotransmiţători, care transportă semnalul de-a lungul spaţiului dintre neuroni. Odată ce au ajuns de cealaltă parte, aceste molecule modifică, pentru scurt timp, sarcinile electrice de pe suprafaţa neuronului receptor. Acest lucru poate ori excita neuronul în a-şi transmite propriul semnal ori îi poate inhiba temporar activitatea, având astfel mai puţine şanse să se activeze ca răspuns la alte semnale primite. Fiecare dintre aceste reacţii este importantă pentru direcţionarea fluxului de informaţie care, într-un final, creează sentimentele şi gândurile noastre.

Complexitatea reţelei rezultate este uimitoare. Noi avem în jur de 100 de miliarde de neuroni în creierul nostru, fiecare dintre ei prezentând 1000 de sinapse. Rezultatul este: 100 de trilioane de interconexiuni. Dacă ai începe să le numeri într-un ritm de o sinapsă pe secundă, încă ai mai număra 30 de milioane de ani de acum încolo.

Reperele neurologiei

Creierul de-a lungul istoriei

Cu 250.000 de ani în urmă a avut loc ceva destul de extraordinar. Animale cu o aptitudine fără precedent pentru gândire au apărut în savanele din Africa. Aceste creaturi erau conştiente şi aveau minţi. Până la urmă au ajuns să fie îndeajuns de inteligente pentru a începe să chestioneze originile propriei lor inteligenţe. Am ajuns, într-un final, aproape de a obţine nişte răspunsuri, cu o înţelegere detaliată, în mod particular, a celulei de bază a creierului – neuronul. Dar aceasta nu a fost o călătorie lipsită de peripeţii.

Începuturile

Naşterea neurologiei a avut loc odată cu Hipocrate, cu 2.500 de ani în urmă. În timp ce contemporanii săi, inclusiv Aristotel, credeau că mintea avea ca sediu inima, Hipocrate argumenta că creierul este sediul gândirii, senzaţiei, emoţiei şi cogniţiei.

A fost un pas monumental, dar o înţelegere mai complexă a anatomiei şi funcţionării creierului a avut nevoie de o perioadă lungă de timp pentru a ieşi la suprafaţă, multe teorii timpurii ignorând ţesutul cerebral solid în favoarea cavităţilor umplute cu fluid ale creierului, sau ventricule. Influentul doctor al secolului 2, Galenus, a fost probabil cel mai notabil susţinător al acestei idei. El credea că de fapt creierul uman prezintă trei ventricule şi că fiecare dintre ele era responsabil pentru o facultate mentală diferită: imaginaţia, raţiunea şi memoria. În conformitate cu teoria lui Galenus, creierul controla activitatea corpului prin pomparea de fluide din ventricule, prin intermediul nervilor, spre alte organe.

Atât de mare a fost autoritatea lui Galenus, încât ideea lui a aruncat o umbră de lungă durată asupra înţelegerii creierului, iar teoriile fluidice ale creierului au continuat să domine până târziu în secolul 17. Chiar şi oameni de ştiinţa iluminaţi, cum ar fi filosoful francez René Descartes, comparau creierul cu o maşinărie propulsată hidraulic. Totuşi, ideea prezenta un mare defect: un fluid nu se putea mişca îndeajuns de repede pentru a explica viteza reacţiilor noastre.

O abordare mult mai edificatoare a apărut atunci când o nouă generaţie de anatomişti a început să descrie structura creierului cu o mai mare acurateţe. Proeminent printre aceştia a fost doctorul englez din secolul 17, Thomas Willis, care a argumentat faptul că, în fapt, cheia modului de funcţionare a creierului stă în ţesuturile cerebrale solide, nu în ventricule. Apoi, 100 de ani mai târziu, Luigi Galvani şi Alessandro Volta au arătat că o sursă externă de electricitate putea activa nervii şi muşchi. Aceasta a fost o descoperire crucială, pentru că a sugerat, într-un final, care este motivul pentru care noi răspundem atât de rapid la evenimente. Dar, de-abia în secolul 19, fiziologul german Emil Du Bois-Reymond, a confirmat faptul că însăşi nervii şi muşchii generează impulsuri electrice.

Toate aceste lucruri au pavat drumul pentru epoca modernă a neurologiei, startul fiind dat de lucrările anatomistului spaniol Santiago Ramón y Cajal, la începutul secolului 20. Observaţiile sale spectaculoase au identificat neuronul ca celula de bază a creierului. El a descoperit că neuronii prezintă o diversitate de forme care nu pot fi regăsite la celulele altor organe. Cel mai surprinzător, el a remarcat că neuronii insectelor egalau şi, câteodată, depăşeau complexitatea celulelor nervoase umane. Acest lucru a sugerat faptul că abilităţile noastre depind de modul în care sunt conectaţi neuronii, nu de o anumită trăsătură specială proprie celulelor.

Punctul de vedere “conexionist” al lui Cajal a deschis uşa pentru o nouă perspectivă de gândire asupra informaţiei procesate în creier, iar aceasta domină şi astăzi.

Creierul mijlociu

Creierul mijlociu joacă un rol important în multe dintre acţiunile noastre fizice. Una dintre structurile sale centrale este substantia nigra, denumită astfel pentru că este o sursă bogată a neurotransmiţătorului dopamină, care devine neagră în cazul ţesutului mort. Având în vedere că dopamina este esenţială pentru controlul mişcării, substantia nigra este considerată “a pune în mişcare roţile mişcării”. Dopamina este, de asemenea, neurotransmiţătorul “recompensă” şi este necesar pentru multe forme de învăţare, comportament compulsiv şi dependenţă.

Alte regiuni ale creierului mijlociu sunt implicate în auz, procesarea informaţiei vizuale, controlul mişcării ochilor şi reglarea stării de spirit.

Creierul anterior

Multe dintre abilităţile noastre umane unice au ca sediu creierul anterior, care s-a dezvoltat rapid în timpul evoluţiei strămoşilor noştri mamifere. Acesta include talamusul, o staţie releu care direcţionează informaţia senzorială la cortexul cerebral pentru o procesare mai complexă; hipotalamusul, care eliberează hormoni în circuitul sanguin pentru distribuirea acestora în restul corpului; amygdala, care gestionează emoţiile; şi hipocampul, care joacă un rol important în formarea memoriei spaţiale.

Una dintre cele mai recent apărute părţi este ganglionul bazal, care reglementează viteza şi acurateţea mişcărilor intenţionale iniţiate de cortexul cerebral. Conexiunile din această regiune sunt modulate de neurotransmiţătorul dopamină, furnizat de substantia nigra a creierului mijlociu. O deficienţă a acestei surse este asociată cu multe dintre simptoamele bolii Parkinson, cum ar lentoarea în mişcări, tremurul şi afecţiunile de echilibru. Deşi medicamentele care cresc nivelurile neurotransmiţătorilor în ganglionii bazali pot ajuta, un leac pentru Parkinson este încă un vis frumos.

În cele din urmă, mai avem şi cortexul cerebral – emisfera învăluitoare considerată a fi cea care ne face oameni. Aici sunt făcute planuri, sunt formate cuvinte şi sunt generate idei. Sediu al inteligenţei noastre creative, imaginaţiei şi conştiinţei, acesta este locul unde este formată mintea.

Din punct de vedere structural, cortexul reprezintă o singură foaie de ţesut, format din şase straturi încreţite pliate în interiorul craniului; dacă acesta ar fi desfăşurat, ar acoperi mai mult de 1.6 metri pătraţi. Informaţia intră şi iese din cortex prin intermediul a aproape 1 milion de neuroni, dar deţine mai mult de 10 miliarde de conexiuni interne, acest lucru însemnând că în realitate cortexul îşi petrece cea mai mare parte din timp conversând cu sine însuşi.

Fiecare dintre emisferele corticale prezintă patru lobi principali. Lobii frontali găzduiesc circuitele neuronale pentru gândire şi planificare şi sunt considerate a fi responsabile şi pentru personalităţile noastre individuale. Lobii temporali şi occipitali sunt preocupaţi în mod principal cu procesarea informaţiei auditive, respectiv vizuale. Într-un final, lobii parietali sunt implicaţi în atenţie şi în integrarea informaţiei senzitive.

Corpul este “cartografiat” în creier de mai multe ori, incluzând o hartă care reprezintă simţurile și o alta care ne controlează mişcările. Aceste hărţi tind să conserve structura de bază a corpului, astfel încât neuronii care procesează senzaţii, provenind de la partea inferioară a picioarelor, vor fi mai apropiaţi de cei care se ocupă de senzaţiile provenind de la partea superioară a picioarelor, decât de cei care procesează informaţii provenind de la nas, de exemplu. Dar proporţia de neuroni este distorsionată, mai mult ţesut cerebral fiind dedicate mâinilor şi buzelor decât trunchiului sau picioarelor. Redesenarea corpului pentru reprezentarea acestor hărţi are ca rezultat figuri groteşti, cum ar fi homunculusul lui Penfield.

Homunculus cerebral, bazat pe schema clasică a lui Penfield

Puntea de comunicare dintre cele două emisfere cerebrale reprezintă un tract de 1 milion de axoni, denumit corp calos. Tăierea acestei punţi, o procedură realizată uneori pentru a ameliora crizele de epilepsie, poate diviza manifestarea unitară a “eului” sau “personalităţii” unei persoane. Este ca şi cum corpul ar fi controlat de două creiere care gândesc în mod independent. Un fumător, care a avut parte de o astfel de intervenţie chirurgicală, a raportat faptul că, atunci când el apuca o ţigară cu mâna dreaptă, mâna lui stângă o ia şi o aruncă!

După cum am văzut deja, sarcini diferite sunt realizate de regiuni cerebrale diferite. Totuşi, tot ceea ce trebuie să faci e să deschizi ochii pentru a putea vedea faptul că aceste sarcini sunt combinate fără probleme: adâncimea, forma, culoarea şi mişcarea se unesc într-o imagine 3D a scenei. Obiectele sunt recunoscute fără o conştientizare a naturii fragmentate a eforturilor creierului. Modul precis în care este realizat acest lucru rămâne o enigmă. Este numită “problema legării” şi este una dintre multele întrebări, la care răspunsul rămâne să fie găsit de neurologii de mâine.

Creierul uman: cartografierea minţii

Miliardele noastre de neuroni, împreună cu trilioanele de conexiuni neuronale, construiesc cel mai complex organ al corpului uman. Încercările de a-i înţelege arhitectura au început cu studiul rapoartelor oamenilor care prezentau leziuni cerebrale. Leziunile localizate au ca rezultat o deteriorare extrem de specifică a unei aptitudini particulare – cum ar fi limbajul sau capacitatea de numărare – sugerând faptul că creierul nostru este modular, diferite locaţii fiind responsabile cu diferite funcţii mentale

Tehnicile avansate de imagistică, apărute la sfârşitul secolului 20, au oferit o abordare mai nuanţată datorită faptului că au permis cercetătorilor să examineze creierele sănătoase atunci când voluntarii realizau diferite sarcini cognitive. Rezultatul este o hartă detaliată a locului din creier unde apar diferite aptitudini – un pas important pe drumul spre înţelegerea vieţilor noastre mentale complexe

Creierul posterior

După cum sugerează şi numele, creierul posterior este localizat la baza craniului, deasupra gâtului. Comparaţiile făcute pe diferite organisme sugerează faptul că a fost prima structură cerebrală care a apărut, precursorul său dezvoltându-se în cadrul vertebratelor timpurii. În cazul oamenilor, acesta constă din trei structuri: medula oblongata, punte şi cerebel.

Medula oblongata este responsabilă pentru multe dintre comportamentele automate care ne ţin în viaţă, cum ar fi respiraţia, regularizarea ritmului cardiac şi înghiţitul. În mod semnificativ, axonii săi traversează creierul dintr-o parte în cealaltă, atunci când coboară înspre şira spinării, lucru care explică motivul pentru care fiecare parte a creierului controlează partea opusă a corpului.

Un pic mai sus este puntea, care controlează şi ea funcţii vitale cum ar fi respiraţia, ritmul cardiac, presiunea sanguină şi somnul. De asemenea. Joacă un rol important în controlul expresiilor faciale şi în recepţionarea informaţiilor despre mişcările şi orientarea în spaţiu a corpului.

Cea mai proeminentă parte a creierului posterior este cerebelul, care prezintă o suprafaţă extrem de încreţită şi cu fisuri adânci. Este alimentată din belşug cu informaţii senzoriale despre poziţia şi mişcările corpului şi poate codifica şi memoriza informaţia necesară pentru realizarea aptitudinilor şi mişcărilor motorii complexe.

Reflecţia reciprocă

Unii neurologi cred că descoperirea “neuronilor oglindă” va transforma înţelegerea noastră a minţii şi creierului uman, după cum ADN-ul a transformat biologia evolutivă. Ei ar putea ajuta, în mod potenţial, la demistificarea celei mai umane dintre calităţile noastre, cum ar fi empatia.

Deci ce sunt neuronii oglindă? Caracteristica definitorie e că ei se activează atât atunci când noi realizăm o acţiune cum ar fi luarea unei căni cu cafea, cât şi atunci când vedem pe altcineva făcând acelaşi lucru. Aceasta sugerează faptul că ei întruchipează o înţelegere a modului sau intenţiilor acţiunilor altora şi, prin intermediul unui mecanism similar, ne permit să le înţelegem şi emoţiile.

Un computer conştient?

“Conştiinţa este un fenomen fascinant, dar evaziv”, scria autorul Stuart Sutherland de la Universitatea Sussex din Brighton, Marea Britanie. “Este imposibil să specifici ce este ea, ce face şi de ce a apărut. Nimic care să fie demn de citit n-a fost scris despre ea.”

Problema apare din faptul că, deşi conştiinţa trebuie să provină dintr-o structură fizică, nimeni până acum nu a fost capabil să afle cum. O descoperire potenţială ar putea sta în încercările de a crea roboţi cu creiere artificiale, capabile de înţelegere şi gândire conştientă.

O astfel de abordare constă în construirea unui model pe scară largă sau a unei simulări precise ale reţelelor neuronale din cortexul uman, în speranţa că aceasta va captura semnalele cunoaşterii umane. Proiectul The Semantic Pointer Architecture Unified Network este un exemplu promiţător. Până în prezent, modelul SPAUN constă din 2,5 milioane de neuroni artificiali şi rapoartele recente sugerează ca acesta poate realiza sarcini din domeniul celor care contribuie la cunoaşterea umană (Science, vol 338, p 1202). De exemplu, poate recunoaşte imagini vizuale, se poate descurca bine într-o varietate de sarcini de memorie şi a trecut un test IQ.

Prin utilizarea unor modele mai avansate de acest tip, ar putea fi posibil să testăm premisele conştiinţei într-un mod care nu ar fi fezabil cu un creier uman sau animal.

Decodarea simţurilor

Cum codifică neuronii ideea a ceva, încât noi putem recunoaşte imediat o faţă familiară, casa sau o carte favorită? Cei mai mulţi neurologi cred că creierul stochează conceptul unui obiect în cadrul mai multor neuroni, toate aceste celule trebuind să lucreze împreună pentru ca tu să fii capabil să recunoşti ceva. În conformitate cu această teorie, activitatea fiecărui neuron în parte nu este reprezentativă pentru un obiect particular – el ar putea corespunde unor trăsături similare ale altor obiecte. În schimb, comportamentul grupului este cel care determină care înţeles ne vine în minte.

Dar unii neurologi pretind că noi am putea codifica concepte, folosind reţele de neuroni mai mici şi mai selective. Conform acestei opinii, un neuron s-ar putea specializa într-o singură idee. De exemplu, într-un studio, unor voluntari le-au fost prezentate imagini ale starurilor de cinema şi ale unor clădiri celebre, în timp ce cercetătorii înregistrau activitatea rezultată dintr-o selecţie de neuroni individuali. Rezultatele au fost surprinzătoare, arătând, de exemplu, că unul dintre neuronii studiaţi răspundea la mai multe imagini diferite ale actriţei Jennifer Aniston (Nature, vol 435, p 1102).

În unele cazuri, nu numai imaginile au fost responsabile pentru declanşarea activităţii neuronilor; unii răspundeau la un cuvânt care reprezenta obiectul sau persoana. Totul avea loc ca şi cum neuronul care era studiat cumva codifica esenţa persoanei sau obiectului, lucru care ar putea explica motivul pentru noi recunoaştem lucruri văzute din perspective diferite sau în medii nefamiliare.

Creierul uman: căutarea minţii umane

Cu aproape 2500 de ani după ce Hipocrate a considerat, pentru prima dată, creierul ca centru al gândurilor noastre. Noi putem, în prezent, să-i cercetăm lumea interioară cu unele dintre cele mai avansate tehnologii cunoscute umanităţii. Scopul ultim este să aflăm modul în care creierul generează mintea noastră conştientă. O astfel de înţelegere este încă departe, dar noi începem să rezolvăm multe probleme care înainte păreau inabordabile.

Obţinerea imaginii ultime

Având în vedere că tehnicile de imagistică a creierului devin din ce în ce mai sofisticate, unii neurologi vor să deseneze o hartă a conexiunilor creierului. Proiectul Human Connectome are ca obiectiv detalierea tuturor conexiunilor axonale lungi, din reţeaua cablată din creierul uman sănătos, cu ajutorul a 1200 de voluntari. Prin compararea conexiunilor din cadrul cuplurilor de gemeni identici cu cele din cazul gemenilor fraterni, noi ar trebui să fim capabili să revelăm contribuţiile relative ale genelor şi mediului la modelarea circuitelor cerebrale. “Connectomul” rezultat ar putea ajuta la cercetarea unor condiţii, cum ar fi autismul şi schizofrenia, ale căror simptoame s-ar putea datora unor diferenţe în cablarea cerebrală.

Un al doilea proiect, la fel de ambiţios, va urmări expresia genetică, atât în cazul creierului în dezvoltare, cât şi în cazul creierului uman adult. Importanţa expresiei genetice în cazul creierului poate fi cu greu subliniată de ajuns. Diferenţele dintre neuroni sunt determinate de diferenţele în modelele de expresie genetică, iar atunci când proprietăţile unui neuron se modifică în timpul dezvoltării, îmbătrânirii, formării memoriei sau în cazul unei boli, se modifică şi expresia genetică. Din acest motiv, proiectul Human Brain Transcriptome ar putea fi central pentru înţelegerea detaliilor fine ale mecanismelor creierului.

Creierul uman: Orizonturi viitoare

Este mintea dincolo de înţelegerea umană?

Răspunsul la această întrebare ar putea fi unul umil. Să considerăm, de exemplu, părerea fizicianului Erwin Schrödinger, laureat Nobel, despre problema limitării cunoaşterii, exprimată în mod elegant în cadrul cărţii sale, Ce este Viaţa? Despre încercările noastre de a înţelege interacţiunile moleculare de care depinde viaţa, el scrie:

”Aceasta este o minune, decât care numai una este mai mare; una care, dacă este conectată în mod intim, se află însă la un nivel diferit. Eu vreau să exprim faptul că noi, a căror fiinţă totală este bazată în totalitate pe o interacţiune minunată de tocmai acest fel, avem însă puterea de a dobândi o cunoaştere considerabilă despre ea. Eu cred că este posibil ca această cunoaştere să poată avansa până la înţelegerea completă – a primei minuni. A doua ar putea fi dincolo de înţelegerea umană.”

Suntem noi, cu adevărat, dincolo de capacitatea de înţelegere a creierului, atunci când încercăm să descoperim mintea conştientă? Poate că nu ar trebui să disperăm, pentru că, dacă bâjbâim, cu adevărat, în întuneric din cauză că fizica curentă este incompletă, atunci putem avea speranţe că noi legi ale fizicii ar putea arunca un pic de lumină asupra celor mai adânci dintre mistere: mecanismele fizice şi funcţiile conştiinţe.