субота, 07. мај 2011.

Neuronski kôd – svet neurona










Č itajući novine i gledajući televiziju ponekad možemo čuti da ljudski mozak radi poput kompjutera ili da ga je čak moguće spojiti sa kompjuterom. Tako npr. u filmu Matrix, ljudi budućnosti sklupčani u čaurama naizgled spavaju, a zapravo vode normalan ili čak vrlo buran život zahvaljujući tome što su im mozgovi spojeni na centralni kompjuter.
Da li je to teoretski moguće? Znači li to da neuroni prenose električne signale? Kakvi su to signali? Kako je informacija zapisana u tim signalima? Kao što ćemo videti, današnja saznanja o mozgu ukazuju da svaki doživljaj ima svoj neuronski zapis i da je imitacijom tog zapisa zaista moguće kreirati virtuelni svet.




Mozak kao stroj

T emeljno uverenje današnje neuronauke je da ponašanje organizma, u najširem smislu te reči, proizlazi iz rada nervnog sistema. Prema toj teoriji sve što nazivamo psihom je skup procesa koji se odvijaju u mozgu. Snovi, osećaji, govor, hodanje, disanje, učenje, čitanje ove rečenice,sve je to odraz rada mnoštva malih živčanih stanica, neurona, koji međusobno izmenjuju električne impulse. Međutim, kad bi neuroni bili tek obični vodiči električne struje, naš se mozak ne bi mnogo razlikovao od hrpe žica i kablova.Neuroni imaju sposobnost odlučivanja. Tipičan neuron ima mnoštvo razgranatih produžetaka tzv. dendrite kojima prihvata signale iz drugih neurona, ali ima samo jedan produžetak tzv.akson putem kog može poslati izlazni signal. Ako u neuron istovremeno uđe nekoliko signala, tada ovaj može, ali i ne mora poslati signal. Ishod zavisi od toga da li zbir ulaznih signala doseže tzv. graničnu vrednost.

O vo naizgled jednostavno pravilo u stvari je fenomen bez premca u svetu prirode. Naime povezivanjem svega nekoliko neurona nastaje sistem sposoban da obavlja logičke operacije nad ulaznim signalima. Upravo ovde, u činjenici da živo tkivo može izvoditi matematičke proračune, leži najjače opravdanje za, inače vrlo popularno poređenje mozga sa strojem. Ali ako je mozak neka vrsta kompjutera, tada je prirodno da se zapitamo – na koji način neuroni kodiraju informaciju?



Neuronska poruka- sve ili ništa

P riča o neuronskom kodiranju neizbežno započinje s nobelovcem Lordom Adrianom (1891-1977). Dvadesetih godina prošlog veka Adrian je, radeći na žabama, izveo niz pokusa čiji su rezultati bili toliko revolucionarni da zlobnici kažu kako se nakon njega u istraživanju neuronskog kôda ništa značajno nije dogodilo. Adrian je pokazao da informacija o vanjskom svetu u nervni sistem ulazi kao niz impulsa čiji oblik i veličina zavise jedino od lokalnog stanja aksona. Ako zanemarimo sitne varijacije, koje su posledica promena u sastavu ćelije i izvanćelijske tekućine, visina električnog pulsa je praktično uvek ista. Taj puls koga danas nazivamo akcijski potencijal ili “spajk” (eng. spike- šiljak) je nagla, gotovo trenutačna promena lokalnog membranskog potencijala koja putuje duž aksona mehanizmom samoobnavljanja.

O bjašnjenje tog fascinantnog mehanizma je stiglo tek dvadeset godina nakon Adrianovih pokusa na žabama, a dugujemo ga Hodgkinu i Huxleyu (Nobelova nagrada 1963). Oni su pokazali da zid neurona sadrži određene kanale osetljive na električno polje koji se prilikom električnog podražaja otvaraju zbog čega dolazi do nagle promene jonskog sastava čelijske tekućine i odgovarajućeg skoka membranskog potencijala. Taj električni skok zatim pobuđuje susedni deozida  i proces se nastavlja poput gorenja fitilja. Važno je napomenuti da postoji kritična vrednost koju podražaj mora dosegnuti kako bi pokrenuo lančanu reakciju. Slabiji podražaj koji nije dosegnuo prag neće stvoriti niži akcijski potencijal, nego ga uopšte neće stvoriti. Taj princip se naziva sve-ili-ništa (eng. all-or-none).

* (Očigledno i ovde postoji velika sličnost kompjutera i mozga – naime oba sistema rade u binarnom kôdu koristeći samo dve vrednosti kako bi zapisali informaciju).

Iako Adrian nije mogao poznavati mehanizam stvaranja akcijskog potencijala, dobivši signale koji su se sastojali od više-manje jednakih električnih pulseva, on je zdravorazumski zaključio da informacija može biti zapisana jedino u vremenu dolaska električnih pulseva. Tu ideju je odmah proverio i, kao svoje drugo otkriće, pronašao da frekvencija kojom neuroni iz žabljih mišića ispaljuju pulseve raste sa silom istezanja mišića. Drugim rečima, broj akcijskih potencijala u jedinici vremena predstavlja intenzitet vanjskog podražaja. Snimivši aktivnost mišićnog neurona, prema tom jednostavnom pravilu možemo odrediti koliko je približno iznosila težina utega okačenog na žablji krak.
Ovo uzbudljivo otkriće je bilo toliko uticajno da još i dan danas velik broj naučnika veruje kako upravo frekvencija ispaljivanja ( eng. firing rate) akcijskih potencijala određuje bitnu informaciju (tzv. ‘rate code hypothesis’).
S druge strane prebrojavanjem akcijskih potencijala unutar jednog vremenskog okna ( eng.time window) gubimo informaciju o sitnim promenama koje su se desile unutar okna. Zato mnogi tvrde kako informacija ne može biti zapisana u prosečnom broju pulseva u jedinici vremena nego u međupulsnim intervalima (eng.interspike intervals, skraćeno ISI). Ta alternativna hipoteza se naziva hipoteza o temporalnom kôdu (eng. temporal code hypothesis).




Svet kao razbijeno ogledalo

I ako nam se svet pokazuje kao jedinstveni, neprekinuti doživljaj, naš ga nervni sistem svakog trenutka razbija na sastavne delove prenoseći u mozak svaki delić slagalice odvojeno.
Iskustvo čitanja novina rastvara se u nizove akcijskih potencijala, koji različitim putevima idu u mozak  -  šum novina preko uha ide u auditorni korteks, izgled slova preko mrežnice oka ide u vizualni korteks, hrapavost papira preko kože u somatosenzorni korteks itd.


Prevođenje fizikalnog podražaja u neuronski kod zbiva se u receptorima koji se razlikuju od čula do čula  i koji su usko specijalizovani za odgovarajući oblik energije- receptori za dodir prevode mehaničku energiju pritiska, dok receptori za svetlost prevode energiju elektromagnetskog vala. Podražaj pretvoren u niz impulsa u jednom receptivnom području putuje kolosekom koji je rezervisan samo za te impulse, i dolazi u posebno rezerviranu skupinu neurona.
Primerice, podražavanje nekog delića kože izaziva pobuđivanje tačno određenog dela somatosenzornog korteksa, a čitav somatosenzorni korteks poput zemljopisne mape preslikava kožu čitavog ljudskog tela. Receptivno polje (područje koje pokrivaju receptori) ne mora nužno biti smešteno u prostoru- u slučaju zvuka ono predstavlja usko područje frekvencija. Stoga je slušni korteks organiziran tonotopski - svakoj tački korteksa odgovara jedan ton.
Ton c1 se nalazi u jednom području, a ton d1 u susednom – slično klavijaturi.


Majmuni u virtuelnom svetu

I pak, skeptici će reći: to što neki neuroni reaguju na određene podražaje ne mora značiti da ti neuroni zaista imaju funkciju čula. Oni možda predstavljaju odraz, ili nuspojavu- ulična sena se kreće jednako živahno kao i čovek, ali to ne znači da je ona bitna za motoriku pokreta. Pitanje relevantnosti neuronske poruke je svakako važan deo istraživanja neuronskog kôda. Da bi neka poruka mogla biti ocenjena kao neuronska reprezentacija sreće ona mora imati funkciju osećaja sreće. Nećemo tvrditi da je neki neuron odgovoran za sreću zato što se aktivira kad nogometaš dadne go. Taj neuron možda predstavlja zvuk i aktivirao se jer je stadionska publika počela oduševljeno urlati. Kako oceniti koji je neuron relevantan?

M eksički znanstvenik Ranulfo Romo istražuje kako neuroni u somatosenzornom korteksu majmuna kodiraju mehaničke vibracije. Njegovi majmuni su istrenirani da pritisnu tipku A kad osete visoku frekvenciju, odnosno da pritisnu tipku B kad osete nisku frekvenciju. Nakon mnoštva pokusa u kojima je snimao aktivnost neurona, Romo je odlučio napraviti novi test u kojem majmun mora prepoznati frekvenciju, ali ovog puta nije puštao mehaničke vibracije,nego je stimulisao dotične neurone. To je radio električnim signalima koji su odgovarali pre snimljenoj aktivnosti. Na veliko oduševljenje naučne javnosti, majmuni su se ponašali isto kao kada su dobijali mehaničke vibracije. I ne samo to, nego su i uspešno raspoznavali više od nižih frekvencija. Neuronska aktivnost u ovom primeru dakle nije samo sporedna irelevantna pojava nego važna poruka koju majmuni doživljavaju kao stvarnost. Lažni, ili bolje rečeno,veštački signal kojim je podraživan neuron majmuni su doživeli kao stvarnu mehaničku vibraciju. Upravo kao što ljudi u filmu Matrix veštački kreirani virtuelni svet doživljavaju kao stvarni svet.

Mali čovečuljak u glavi

T eoretski gledano neuronska poruka bi mogla predstavljati bilo šta - reč, boju, liniju, ton, intenzitet zvuka, brzinu pokreta ili nešto deseto. Možda sve to skupa izmešano kao što jedan delić TV signala ujedinjuje čitav filmski kadar (nije isključeno da se u nekim područjima mozga, poruke iz različitih delova korteksa ujedinjuju). Međutim, postavlja se pitanje -ko to dekodira signal i napokon doživljava svet? Ovo pitanje je bilo uzrok mnogih filozofskih rasprava, a naučni kritičari su na njega često odgovarali postojanjem Homunculusa- malog čovečuljka koji živi u našem mozgu i gleda dekodirani signal upravo kao što mi gledamo televiziju.

Ideja ove kritike je da neuronsko kodiranje nikad ne ulazi u samu bit ljudske percepcije sveta. Mali čovečuljak gleda TV, pa se postavlja pitanje kako on percipira svet. Stoga se u njegovu glavu uvodi drugi čovečuljak itd. Ipak ovo pitanje se bazira na našoj, voajerskoj perspektivi i na njega možda nikad nećemo moći odgovoriti.

Orgazam kao novčana valuta

Smatramo da trenutno razumemo jedino sliku i zvuk (ali niti to u potpunosti) jer su to jedina dva čulna fenomena koja smo u stanju opisati fizikalnim veličinama i preneti od jedne do druge osobe tehničkim sredstvima. Lako je zamisliti da ćemo jednog dana u budućnosti locirati “neurone za snove” i da ćemo uspeti dekodirati njihovu aktivnost- tada ćemo snove projicirati na filmsko platno. Ali kako ćemo preneti osećaj tuge ili seksualnog užitka? Ovo pitanje ukazuje na svu kompleksnost mozga, ali i razotkriva naše nerazumevanje doživljaja. Posmatranje snova na platnu nije doživljaj snova. Pravi doživljaj bi bio kad bi san iskusili direktno kao da smo i sami u snu. Način na koji trenutno prenosimo sliku se ukratko može opisati kao lanac: kodiranje projekcije (kamera)-prenos-dekodiranje(TV)-receptori oka-mozak. Dodir ne prenosimo jer bi kodiranje svih receptivnih polja kože bilo tehnički prezahtevno, a osim toga teško je zamisliti kako bi uopšte izgledao prijemnik.
Međutim, takav način prenošenja podataka nema veze s neuronskim kodiranjem zato što receptori obavljaju prevođenje podražaja u neuronske signale. Ono čemu težimo je direktan prenos u mozak.

K ao što smo videli na primeru Romovog eksperimenta, podražaj može da se imitira.Može se uvesti direktno u mozak, tako da se zaobiđu receptori. Upravo to je ideja pužnog implanta (tzv. veštačkog puža ). Ljudima s oštećenjem uha (a to nije isto što i oštećenje sluha) kroz puž se može provesti snop elektroda koje, potom, električnim poljem podražuju živce tako da (stari) receptori postaju suvišni. Elektrode su s vanjske strane spojene na mali procesor koji dekomponira zvuk na nekoliko osnovnih frekvencija. Iako pretvaranje signala u nervne impulse ne razumemo u potpunosti, ljudi s pužnim implantom razumeju govor, komuniciraju preko telefona i čuju cvrčanje ulja na vatri.  
Problem kodiranja možda će u budućnosti biti zamenjen problemom imitiranja. Umesto da pokušavamo razbiti kôd, možda ćemo stvarati banke neuronskih signala, a zatim ih jednostavno koristiti zaobilazeći receptore. Time se otvara mogućnost doživljavanja iskustava koja u stvarnosti nismo doživeli, a posebno ugodna i uzbudljiva iskustva će postati tražena roba. Lako je moguće da orgazam postane novčana valuta ukodirana u obliku kredita na nekoj vrsti bankomat kartice.
Virtuelna stvarnost ima i svoje mračne strane: uz banke doživljaja, moguće su manipulacije iskustvima. Brisanje pamćenja ili zamena iskustva će postati ozbiljan pravni problem jer će posebno trebati utvrđivati autentičnost iskustva svedoka.
Istorijski gledajući, tehnološke inovacije su uvek nosile breme odgovornosti, a velika revolucija kao što je veštačko  iskustvo, neminovno mora nositi nezamislive etičke probleme. Ipak, komunikacija mislima i darivanje vida slepim osobama, telesno iskustvo i radost života za hendikepirane su dobrobiti koje daleko nadmašuju probleme i koje nas teraju da što pre naučimo jezik neurona.



Jurica Hižak

Нема коментара:

Постави коментар