Невронни корелати на съзнанието, Философия на съзнанието
Съзнанието, Вселената и всичко останало
Невронни корелати на съзнанието
Структурата на неврона
Сигнализация
Предаването на сигнала се осъществява електрически и химично. Дендрити и аксониразличните неврони винаги са свързани помежду си посредством синапси. Електрическите импулси протичат по протежение на дендрити и аксони, докато синапсите са електрически и химични, като има повече от последните (въпреки че има и смесени синапси). В химическите синапси предаването на сигнала става приблизително както следва: електрически сигнал се движи по аксона, отваря калциевите канали и предизвиква освобождаването на невротрансмитер - химическо вещество, което след това преминава към друг синапс по синаптичната цепнатина, прикрепя се към рецепторите на постсинаптичната мембрана (има рецептори за всеки тип медиатори) и друг неврон получава сигнала. Тоест, въпреки че през нервите протича ток, предаването на химически импулси най-често се осъществява в техните връзки. Това ви позволява да регулирате фино характеристиките на предавания сигнал. Електрическият тип е по-бърз и следователно по-подходящ за прости рефлексни реакции.
Фигура 2.2 Електрически (A) и химически (B) синапси. Взето от Neuroscience. 2-ро издание. Purves D, Augustine GJ, Fitzpatrick D, et al., редактори. Съндърланд (МА): Sinauer Associates; 2001 г.” (може да се кликне)
Функционална роля на неврона
За да разберете принципа на работа на неврон, най-лесният начин е на неговия формален модел. Самият изкуствен неврон работи нещо подобно (много опростено): той обобщава набор от сигнали, всеки от които има собствено тегло за него, и извежда отговор, който зависи от първоначалните тегла. Често това е просто задействане на неврон, когато сумата от сигналите пресича определенаопределен праг. Невронните мрежи са способни да учат. Това позволява например да се разпознае текст (OCR), без да се следва ясен алгоритъм стъпка по стъпка, най-малкото отклонение от който е фатално (например различен шрифт), но да се разпознае на коя буква символът е най-близък - това не изисква абсолютна точност на очертанията на самия знак. С други думи, традиционните алгоритми ще разпознаят текст само ако съответства на модела, като ключ към ключалка. Невронните мрежи, от друга страна, могат да се самообучават чрез опити и грешки, за да установят в крайна сметка асоциативни връзки между евентуално изкривени входни сигнали и техните правилни интерпретации. И след това разберете кой символ е най-сходен с представения набор от данни. С помощта на най-простите невронни мрежи могат да бъдат възпроизведени всички логически операции на пропозиционалната логика.
Биологичният неврон е многократно по-сложен. Толкова много, че моделирането дори на един е много трудна задача. Има много параметри, които влияят на предаването на сигнала. Формалният модел на неврон е изключително опростен модел. Казвам това, защото биологичният мозък е просто гигантски брой пъти по-сложен от всеки компютър, изобретен някога. И това не е много интуитивен факт. Формалният модел обаче ни позволява да разберем самия принцип на неговото действие, което ще ни бъде полезно в бъдеще (ще трябва да разберем как мозъкът е способен да произвежда логически преценки).
Ориз. 2.3 Иконата за сумиране означава сумирането на всички сигнали, следователно се получава общата мощност на входния импулс. w0,w1… са теглата на различните входни сигнали, които след това се сумират. Функцията за активиране определя при каква стойност на общия входен импулс се активира невронът и изпраща определен сигнал по своя аксон.
Невронни корелатисъзнание
Така че можем доста добре да изучаваме отделни неврони. Общата им структура при човека и мекотелите е много сходна (както и ДНК например). И тъй като невронът е основната основа на всички мозъчни структури, за мозъка на висшите бозайници може да се приложи следната характеристика - количеството преминава в качество. Качеството се осигурява от система от връзки между много елементи. Но как да изследваме структурата на връзките между невроните? За предпочитане в работещ, жив мозък? И преди да забравим, имаме цел - да намерим съзнанието. Очевидно трябва по някакъв начин да знаем как работят невроните и какво точно тяхната работа произвежда съзнанието, като нещо противоположно на несъзнаваното.
В нашия мозък едновременно протичат съзнателни и несъзнателни процеси (например контрол на дишането). Несъзнаваното е това, за което не мислим, което се случва автоматично, въпреки че можем да прехвърлим някои от тези процеси в съзнанието, като току-що споменатото дишане. При някои процеси не можем да направим това - например няма да можем да забавим сърдечния ритъм (въпреки че това също се контролира от нервните клетки). И точно както при дишането, ние не можем, образно казано, да осъзнаваме някои свои мисли.
Какво е съзнателно? Съзнателното обикновено се нарича съзнателно, тоест нещо, за което можем да направим някакъв словесен доклад (например: „Виждам черен текст пред себе си на бял фон“ означава, че го осъзнавам и осъзнавам както самия текст, така и факта, че го осъзнавам).
Очевидно е, че много стимули, възприети от сетивата, тоест уловени на екрана на нашия хомункулус, не се осъзнават веднага (понякога далеч от веднага или изобщо никога). И понякога те могат да скочат в царството на съзнанието - след това впротивоположност. Бинокулярното съперничество е най-известният пример за това явление - ако на всяко око се представи различно изображение, тогава във всеки един момент ще осъзнаваме само едно от тях (фиг. 2.4).
Импулсите не се смесват, както може разумно да се предположи - тоест, ако вместо ръка и тиква има две страници с различен текст, тогава човек ще може да прочете всяка от тях без намеса от другия, просто се фокусира върху тази, която му трябва.
Но може би най-лесният начин да се илюстрира това е в такова двусмислено изображение (фиг. 2.4.2). Това е различно от експериментирането с различни изображения, но същността е същата.
2.4.2 Куб на Некер
Можем да възприемем обема на куба само по един от двата начина и въпреки че е възможен и трети вариант - ако се фокусираме върху централния правоъгълник, той вече изобщо няма да е куб, а плоска фигура. Но ние няма да можем да представим и двете версии на куба едновременно - да възприемаме и двете посоки едновременно. Сякаш имаме някаква област в мозъка, която може да побере само един съзнателен образ (всъщност това не винаги е така и с известни резерви, но нека).
2.4.3 Рубинена ваза
Може би още по-илюстративна ще бъде следната илюстрация с добре позната илюзия (фиг. 2.4.3), която не може да бъде интерпретирана под формата на друго, плоско изображение, тъй като не използва дълбочинна интуиция за изграждане на противоречив образ. При бинокулярно съперничество понякога е възможно мозаично, еклектично възприятие, но не и смесване на различни интерпретации.
Основната задача на изследователите е да определят кои невронни механизми са отговорни за промяната в тези съзнателни състояния. Експериментиви позволяват да изолирате онези групи от неврони, които са отговорни за съзнателното състояние и осъзнаването на визуалния образ, като проследявате промените в тяхната активност, докато съзерцавате физико-статична илюзия. Тези неврони, които първи реагират на променящите се сензорни импулси (и очевидно реагират несъзнателно), не трябва да променят значително естеството на своята дейност, тъй като нищо не се променя в зрителното поле.
Всичко това попада в особено актуалното и разпространено през последните години търсене на т. нар. невронни корелати на съзнанието. Преди да преминем към по-конкретно описание на тези изследвания, предлагам да разгледаме методите, чрез които можем да измерим активността на невроните на място, толкова трудно за изследване като нечий мозък (това е въпросът, който споменах в самото начало на главата, говорейки за крехкостта на междуневронните връзки).
Методи за невроизображение
1) EEG, MEG, въвеждане на електроди и магнитна стимулация.
Отстраняване на електрически потенциал с помощта на електродии ЕЕГ. Въвеждането на електроди в живия мозък ни позволява да записваме електрическата активност на един неврон или която и да е област. При хората този метод на изследване обикновено се използва рядко.Електроенцефалографията (ЕЕГ, ЕЕГ) е неинвазивен метод - ЕЕГ се записва чрез прилагане на повърхностни електроди върху скалпа, следователно този метод има много ограничения, например има трудности с локализирането на потенциала. Тези вълни, мозъчните ритми, които можем да наблюдаваме на графиката, са просто разлики в електрическите потенциали, показващи как са се променили с времето. С електроенцефалографията непрекъснато се записва общото ниво на електрическа активности на базата на тези данни се изгражда графика, отразяваща промяната в активността във времето. Също така е възможно да се стимулират определени области на мозъка, например по този начин е възможно да се определи коя част от мозъка отговаря за двигателната активност на ръцете, краката и т.н. Освен с електроди е възможно да се стимулира и с мощен магнитен импулс. Съществува и методMEG(магнитоенцефалография, MEG) - той е по-точен от ЕЕГ, но има своите ограничения. EEG записва електрическо напрежение, взето директно от скалпа, докато MEG записва слаби магнитни полета, генерирани от електрическа активност (не е необходим контакт със скалпа). Можем да стимулираме зони и с магнитна стимулация, разбира се неинвазивно, но този метод също има много ограничения.
2) MRI, CT
Има същоMRI(магнитен резонанс, MRI) иCT(рентгенова компютърна томография). Истинският ЯМР само ще ни помогне да разгледаме структурата на мозъка. Уловете разликите в плътността на тъканите. С MRI и CT е невъзможно да се знае кои неврони са активни.
3) PET, fMRI
Можем да разберем, ако погледнем кои неврони консумират кислород или глюкоза - един активен неврон трябва да яде нещо, да консумира енергия. Това стана възможно с появата наPET(позитронно-емисионна томография, PET) иfMRI(функционален MRI, fMRI). Те ви позволяват да измервате скоростта на кръвния поток, както и метаболизма на глюкозата и кислорода в мозъчните тъкани. fMRI измерва нивата на кислород (в зависимост от нивото на кислород в кръвта (BOLD)) и церебралния кръвен поток (CBF)). За fMRI не се изисква въвеждането на маркираните вещества в тялото. Функционални методи (PET, fMRI)позволяват например да се знае коя част от мозъка се активира, когато човек разглежда, например, нечие лице.
Други методи за изследване на функционалните аспекти на мозъка
Възможно е също така да се изследва функционалната цел на областите на мозъка, просто като се отстранят хирургически или чрез изследване на хора, които са претърпели сериозни наранявания, свързани с поражението на тези области. Методи, които не са свързани с архитектурата и прецизното локализиране на функционалните части, позволяват например да се изследва функционалната роля на различни невротрансмитери, като се използват химикали, които се свързват със специфични рецептори. Изследването на когнитивните функции и разстройства (т.е. свързани с функциите на съзнанието) също се улеснява от изследването на някои халюциногени. Като цяло изучаването на различни психични разстройства също ни позволява да научим повече за съзнанието, въпреки че точните причини за тези разстройства, които засягат когнитивните способности, все още не са ясни.