Jak działa mózg - spis treści.

4. "Mózg i umysł: rozwój.


Trudno jest dokładnie zdefiniować umysł, gdyż każde pojęcie używane potocznie (w odróżnieniu od ściśle zdefiniowanych pojęć naukowych) ma wiele różnorodnych znaczeń.
Umysł to zbiór funkcji określających te procesy, które możemy sobie uświadomić, obejmuje więc funkcje psychiczne związane z spostrzeganiem, zapamiętywaniem, odczuwaniem emocji, myśleniem, uczeniem się, skupianiem uwagi, podejmowaniem decyzji, samoświadomością i reprezentacją siebie.
Pojęcie umysłu może również uwzględniać te procesy nieświadome, które wpływają w dający się zauważyć sposób na procesy świadome.

Ciągle wracają antyczne pomysły na temat ducha i duszy, jako synonimy umysłu i świadomości niezależnej od ciała.
Przez parę tysięcy lat ten kierunek myślenia prowadził jedynie do paradoksów, nie przyczyniając się do żadnego postępu.
Największe postępy w rozumieniu umysłu wynikły z badań nad mózgiem.
Umysł jest tym, co robi mózg, a raczej niewielką częścią tego, co robi mózg.
Do niedawna była to jedynie hipoteza, ale rozwój badań nad mózgiem w ostatnich dziesięcioleciach to całkiem zmienił i nie ma już wątpliwości, że tak jest.
Co więc robi mózg? Bez tej wiedzy trudno jest dyskutować na temat umysłu.

Najpierw należy scharakteryzować mózgi z grubsza. Spróbujemy zrozumieć sposób działania mózgu, powstawanie funkcji umysłowych, poświęcając mniej czasu na szczegółowy opis działania zmysłów.
Badaniem mózgu zajmują się liczne "neuronauki" (ang. neurosciences), od neurochemii po psychologię eksperymentalną i nauki medyczne.
W Polsce używa się terminu "neurobiologia", ale nie wszystkie neuronauki wywodzą się z biologii.
Neuronauki badają zjawiska zachodzące w skali czasowej od nanosekund do lat, i rozmiarach od metra do ułamków nanometra.
Można je podzielić na:

Każda z tych dziedzin wnosi specyficzną perspektywę i pozwala odpowiedzieć na szczegółowe pytania dotyczące wpływu czynników biologicznych na psychikę i zachowanie.
Można oddzielić dwie szerokie perspektywy patrzenia na działanie mózgu: ewolucyjną i opisową.




Perspektywa ewolucyjna


Układ immunologiczny wybiera odpowiedzi na zagrożenia z ustalonego ewolucyjnie repertuaru, ucząc się przez selekcję.
Czy mózg w procesach rozwojowych też uczy się wybierając sposoby działania z repertuaru istniejących możliwości rozwiniętych w wyniku ewolucji, czy też uczy się całkiem nowych sposobów reakcji i przetwarzania informacji?

Perspektywa ewolucyjna: selekcja sposobów działania mózgu przydatnych do przetrwania dokonała się na poziomie odruchów naturalnych, percepcji (postrzegamy tylko to, co dla nas potencjalnie może być ważne), możliwości rozumowania, a może nawet zdolności językowych.
Ewolucja wytworzyła specyficzne struktury mózgu odpowiedzialne za określone zachowania.
Uczenie się jest procesem selekcji możliwości wybranych przez naturę na drodze doboru naturalnego, konkurencją pomiędzy neuronami, zespołami neuronów i całymi mózgami.

Dlaczego widzimy kolory? Dlaczego w takim, a nie innym zakresie?
Widzenie kolorów przydatne jest do odróżniania gatunków traw i postrzegania na odległość dojrzałych owoców.
Potrzebny jest specyficzny układ wzrokowy analizujący informację o kolorze, dlatego zwierzęta w różny sposób widzą kolory.

Każdy człowiek widzi kolory nieco inaczej.
Geny odpowiedzialne za widzenie w kolorze, np. gen OPN1LW w chromosomie X kodujący światłoczułe białko opsynę, biorące udział w detekcji czerwonego koloru, wykazuje bardzo dużą wariancję, prowadzącą do różnych form daltonizmu i odmiennego widzenia koloru u kobiet i mężczyzn.
B. Verrelli, S. Tishkoff, American Journal of Human Genetics 2004.

Żmije widzą w podczerwieni, postrzegają bardziej ruch niż kształty, ich szczęka służy za receptor niskich drgań, węszą stereoskopowo za pomocą języka.

Orientacja i widzenie przestrzenne (stereoskopowe) przydatne jest drapieżnym ssakom, gadom i ptakom (np. sowom), które mają oczy z przodu głowy, ograniczony kąt widzenia (nie większy niż 100 stopni), ale potrafią dobrze oceniać odległość.
Ssaki roślinożerne i niektóre ptaki mają oczy z boku głowy, widzą pod znacznie szerszym kątem (nawet do 360 stopni), ale nie widzą przestrzennie, słabiej oceniają odległości.
Widzenie dostarcza informacji pozwalających utworzyć mapę orientacji przestrzennej, a więc przyczynia się do rozwoju specyficznych form pamięci i przetwarzania informacji.

Tylko ludzie posługują się mową, może to wynikać z istnienia specyficznych struktur neuronalnych odpowiedzialnych za mowę, których brakuje w mózgach zwierząt.
Uczenie się mowy zachodzi szybko pomimo ubogiej stymulacji, braku dużej liczby przykładów negatywnych, czyli nieprawidłowego użycia mowy.
Uczenie się danego języka nie jest oczywiście wynikiem selekcji, ale zdolność do rozumienia i nauki języka może nią być. Zdolność do modulacji ruchu języka i strun głosowych wymaga precyzyjnego sterowania, którego nie mogą się nauczyć zwierzęta.
Gen FOXP2 związany jest z zaburzeniami produkcji i rozumienia mowy u ludzi.
Gen ten jest też aktywny u ptaków w czasie uczenia się pieśni godowych, i gra rolę w rozwoju echolokacji u nietoperzy.
FOXP2 koduje białka, które znaleziono u ssaków, ptaków, ryb i gadów, a jego wersja (allel) u Neardentali była taka jak u człowieka, sugerując podobny rozwój zdolności językowych.

Do czego potrzebny jest mózg?
Mózg potrzebny jest do kontroli złożonego zachowania.
Ptaki śpiewające zwiększają w okresie godowym rozmiary swojego mózgu.
Co może się stać jeśli mózg przestaje być potrzebny?

Młoda żachwa pływa, ma mózg i powrózek nerwowy, podobna jest do kijanki.
Po osiągnięciu dojrzałości przytwierdza się do skały.

Stopniowo wchłania swój mózg - nie jest już potrzebny.

Pozostaje tylko węzeł nerwowy przydatny do kontroli filtrowania pokarmu.

Wniosek: ruch jest bardzo ważny, kontrola ruchu wymaga przetwarzania informacji przez mózgi.
Generatory wzorców (CPG, Central pattern generators) wywołują rytmiczne skurcze mięśni.
CPG odpowiedzialne są za wężowate ruchy ryb, ruchy nagarniające u skorupiaków, filtrację pokarmu, ruchy stomatogastryczne, ruchy skrzydeł, ćwierkanie cykad i świerszczy, drżenie wibrysów, oddychanie, bicie serca.
Powielanie takich generatorów umożliwiło bardziej złożone ruchy u płazów i gadów, złożoną kontrolę oddechu potrzebną przy rozowju mowy i połykaniu (u ludzi wymaga to koordynacji aż 25 mięśni).
Przetwarzanie informacji zmysłowej wymaga pamięci, która mogła powstać jako często powtarzające się wzorce pobudzeń korelujące działanie CPG, pozwalając wyjść poza proste odruchy i stworzyć zlożone funkcje umysłowe.
Podstawową jednostką kory mózgu może być taki mikroobwód oscylacyjny, powstały z generatora ruchu, powielony w milionach egzemplarzy, realizujący proste odruchy, pamięć, a potem inne funkcje.
Proces ewolucji takich generatorów można prześledzić badając je w prymitywych zwierzętach, skorupiakach, minogach, rybach, salamandrach, gadach.

Ogólna anatomia i budowa komórkowa większości organizmów jest bardzo podobna.
Różnice zachowań gatunków zwierząt są wyrazem różnicy budowy mózgów.
Perspektywa ewolucyjna odpowiada na pytanie "dlaczego" dana funkcja istnieje, a opisowa na pytanie "jak jest realiowana" na poziomie genetycznym, budowy ciała i działania mózgu.
Antropologia ewolucyjna bada relacje pomiędzy zachowaniami społecznymi a ewolucją człowieka i małp naczelnych.

Biologa ewolucyjna widzi rozwój zdolności poznawczych człowieka z punktu widzenia problemów adaptacji.
"Neuronalny Darwinizm" rozciąga perspektywę ewolucyjną na procesy zachodzące w mózgu, skupiając się na uczeniu przez selekcję możliwości.
Niemowlę może nauczyć sie wszystkiego, co ludziom dostępne, ale dorastanie i starzenie to utrata potencjalnych możliwości.

Czego można się dowiedzieć z badania dzieci zdziczałych, wychowywanych w izolacji lub wśród zwierząt?
Znanych jest ponad 100 takich przypadków, pokazujących jak ważne jest wczesne wychowanie.
Czy pomimo braku kontaktów z mową będą w stanie się jej nauczyć?

Eksperymenty z deprywacją mowy prowadzono już w starożytności: jakim językiem mówili Adam i Ewa?
Historyk starożytny Herodotus pisał, że faraon Psammetichus I (Psamtik) nakazał wychować parę dzieci w izolacji przez pasterza niemowę; kiedy jedno z nich zawołało "bee" wywnioskowano, że to język frygijski, bo brzmiało to jak "chleb" w tym języku.
Jak pisał zakonnik Salimbene di Adam w Kronikach, w XIII wieku Cesarz Imperium Rzymskiego Frederick II próbował wychowywać niemowlęta bez kontaktu z mową, ale żadnych słów nie usłyszał.
Jakub V Stwart w XV wieku trzymał dwoje dzieci w pomieszczeniach pod opieką niemowy; ponieważ nie nauczyły się mówić słusznie wywnioskował, że język nie jest wrodzony.
Akbar Wielki zrobił podobny eksperyment i uznał, że słyszenie mowy jest konieczne do jej nauki.

Więcej na temat feral children, czyli dzieci zdziczałych, oraz Feral Children w Wikipedii.

Mało wiemy o osobach głuchych, których nie nauczono języka w dzieciństwie; takich osób jest dość dużo w krajach rozwijających się.
Chociaż nie potrafią zrozumieć wielu pojęć, rozwinąć "teorii umysłu" innych ludzi, radzą sobie w życiu wykonując proste prace.
Osoby głuche, które potrafią czytać, mogą mieć wrażenia słuchowe a ich myślenie ma charakter symboliczny, podobny do osób słyszących.
Specyficzne zaburzenie rozwoju językowego (specific language impairment, SLI) wyraża się trudnościami w rozumieniu złożonych struktur językowych, uboższym słownictwem.
Na SLI cierpi około 5% ogólnej populacji, ma to podłoże genetyczne, daje podobne efekty do późnego uczenia języka migowego, które uznaje się za efekt czysto środowiskowy.

Literatura:




4.1. Geny i mózgi

Czy możliwości człowieka są w pełni zdeterminowani przez geny?
Czy istnieje determinizm genetyczny?
Czy w genach jest dostatecznie dużo informacji by w pełni określić strukturę mózgu?

Złożoność informacji genetycznej.

Język genetyczny DNA ma 4 litery, kombinacje par zasad nukleinowych.
A-T, T-A, G-C, C-G
A=Adenina, T=Tymina, G=Guanina, C=Cytozyna

Kodony: 3 litery to jedna sylaba, 4*4*4=64=26 możliwości.
Sylaby kodują wytwarzanie 20 aminokwasów łączących się w łańcuch białkowy, np. AAA to lizyna.
Gen to wyróżniony funkcjonalnie odcinek DNA (koduje zwykle kilka fragmentów zwanych egzonami, przedzielonych intronami), kodujący złożone z łańcuchów aminokwasów białka budujące komórki lub kontrolujące procesy w komórkach (enzymy).
Białka tworzą się w wyniku ekspresji i transkrypcji informacji zawartej w genach.

Genom człowieka (mapowanie pierwszego ludzkiego genomu zakończono w 2003 roku po 13 latach) zawiera nie więcej niż 20-25 tysięcy genów kodujących białka, zaskakująco mało, bo robaki mają 19.000 a muszka owocowa 13.500!
Najprostsza bakteria ma ok. 500 genów, wirusy i fagi (wirusy atakujące bakterię) mają od kilku do kilkuset genów.
Niektóre rośliny, płazy, małże a nawet insekty mają znacznie dłuższe genomy niż ssaki (rośliny nawet 1000 razy!), ale liczba genów nie jest mocno większa.
Człowiek ma 3.2 mld par zasad (bp), a ameba ma najdłuższy znany genom, 670 mld bp, a ryba prapłetwiec abisyński ma 130 mld bp!
Tylko około 1.5% DNA człowieka to geny kodujące białka, reszta to introny (fragmenty genów niekodujące białek), geny kodujące RNA, sekwencje regulacyjne, i "junk DNA", którego funkcji nie znamy.
Prawdopodobnie jest to materiał, na którym przyroda może poeksperymentować.
Złożoność sieci genetycznych, oddziaływań białkowych, może się znacznie różnić mimo podobnej liczby genów, w szczególności mają na na nią wpływ fragmenty niekodującego DNA, w których wykryto liczne polimorfizmy pojedynczych nukleotydów (SNP).

Nić DNA ma ok. 2 m długości i zwinięta jest w 23 parach chromosomów.
Chromosom 1 ma 245 milionów par zasad (liter), chromosom 21 ma 47 milionów par zasad.
Cały genom człowieka ma ok. 3.2 mld liter = 1 mld sylab.

Liczba komórek w ciele człowieka jest rzędu 1013-1014.
Całkowita długość nici DNA w naszym ciele jest więc rzędu 1012-1013 metrów, lub 10 do 100 mld kilometrów.
Odległość Ziemi od Słońca to ok. 1.5 x 1011, więc 10 razy mniej!

Liczba bakterii przewyższa liczbę komórek o ponad rząd wielkości ... jesteśmy hybrydami komórkek i bakterii!

Informacja: sylaba to 3 pary, każda 4 litery, czyli 64 możliwości, więc potrzeba 6 bitów, bo 26=64.
Do zapisania genomu potrzeba więc 6 bitów/sylabę x 1 mld sylab = około 6 Gbitów, mniej niż 1 GBajt.
Jest to 250 tomów po 1000 stron, ok. 12 metrów półek, ale obecnie mieści się na łebku szpilki w pamięci półprzewodnikowej.

Ilość informacji genetycznej nie wzrasta od miliardów lat, jedynie jej organizacja się zmienia.
Płeć genetyczną determinują chromosomy płciowe, czyli XX u kobiet a XY u mężczyzn.
Chromosom X ma wyjątkowo dużą liczbę genów związanych z mózgiem, więc większość zdolności dziedziczona jest po kądzieli.
Ewolucja pozagenetyczna zachodzi dzięki informacji gromadzonej w mózgu.
Jak ocenić ilość informacji w mózgu?

4.2. Mózgi w liczbach i przetwarzanie informacji

Mózg człowieka w liczbach.


Masa mózgu na osi pionowej; masa ciała na poziomej; źródło rysunku.
Ich stosunek nazywa się czasem współczynnikiem encefalizacji.

Ludzie > małpy naczelne > inne ssaki (rzędu 1/100) > ptaki > gady > płazy > ryby
Dinozaur o masie wieloryba miałby mózg 100 razy lżejszy.
Najcięższy mózg ważył 9.2 kg i należał do kaszalota.
Kora mózgu delfina butlonosa osiąga 3745 cm2, znacznie wiecej niż 2275 cm2 u człowieka, jest za to o połowę cieńsza i ma trochę mniejszą objętość niż u ludzi.

Moc elektryczna mózgu: ok. 20-25 Watów, osiągana już w trzecim roku życia.
Zużycie energii: ok. 20% całowitego zużycia tlenu i 25% zużycia glukozy, przy 2% masy całego ciała;
mózg zużywa energie 10 razy szybciej niż inne części ciała.
Liczba stanów, jakie może przyjąć mózg jest teoretycznie nieograniczona, w praktyce niezwykle duża.

Liczba neuronów: ok. 40 mld neuronów, 30 mld móżdżek, > 8 mld kora, < 2 mld pozostałe.
Rozbieżności w literaturze są znaczne, tu podaję za G.M. Shepherd, The Synaptic Organization of the Brain, 1998, ale często podaje się 100 mld neuronów, więc niepewność może być rzędu 2-3 razy.
Powierzchnia kory: ok. 2500 cm2; delfiny, słonie i wieloryby mają znacznie większą powierzchnię kory.
Robak C. elegans, który ma 2/3 liczby genów człowieka, ma tylko 302 neurony, ale mrówki lub muchy już około 1/3 miliona, a karaluchy i pszczoły koło miliona.
Lista zwierząt uporządkowana w/g liczby ich neuronów.

Synapsy neuronów:

Dla myszy: 16 milionów neuronów, średnio 7800 synaps/neuron (w/g Breitenberg, Schuz 1998).
Pojedyncza synapsa daje mały wkład do całkowitego potencjału postsynaptycznego (EPSP); potrzeba 5-300 niemal jednoczesnych pobudzeń by wywołać impuls.
Kora wzrokowa szczura: wkład synapsy rzędu 0.8mV, minimalnie konieczna jest depolaryzacja rzędu 20mV.

Pojemność pamięci człowieka: naiwne oszacowanie, traktując stan każdej synapsy jako 10 bitów informacji, jest rzędu 10x1014 = 1 Petabit.

Oszacowanie tempa świadomego przepływu informacji (nieświadome jest znacznie większe).
Wzrok dostarcza nie więcej niż 5000 bitów/sek, pozostałe zmysły tylko 100 bitów/sek,
Oszacowanie: 5 sakkad/sek, pole ostrego widzenia to 2 stopnie;
Księżyc ma 1/2 stopnia łuku, widać na nim ok. 12 elementów o wielkości 0.5/12=0.04 stopnia.
W polu widzenia jest (2/0.04)2 = 2500 pikseli, max. 20 bitów/pikseli, ok. 50 kbit/pole.
Zapamiętanie takiego obrazu wymaga ok. 10 sek, czyli szybkość to ok. 5 kbit/sek.
W ciągu 60 lat życia daje to około 10 Terabitów.
Oszacowanie mocy obliczeniowej: 1014 połączeń zmienia swój stan 100 razy na sekundę, co daje 1016 operacji/sek = 10 Petaflopów. To raczej zawyżone, bo neurony nie działają niezależnie a operacje w komputerze są na 32, 64 lub 128 bitach, więc równoważna moc obliczeniowa nie przekracza 1 PFlopa.
Szybkie reakcje możliwe są w 100-200 milisekund, co pozwala na jedynie 10-20 kroków (zmiany globalnego stanu, wymagające synchronizacji).

Mózg na obwodach VLSI: 10x10x32 metry, 10 TB RAM, 1-10 Pflopów
IBM Blue Gene w 2005 roku oferował porównywalną moc obliczeniowa używając 131.000 procesorów i osiągając 0.28 Pflopa.

Ilość informacji genetycznej (w bitach) wykreślona w zależności od daty powstania (linia niebieska), oraz ilość informacji pozagenetycznej, gromadzonej w mózgach (linia czerwona). Na osi pionowej czas w latach w skali logarytmicznej.

Oszacowania neuroanatomiczne: mózg maksymalizuje ilość połączeń.
Jeśli każdy neuron połączyć z każdym innym to wypełnią kulę o promieniu 80 metrów!
Jeśli miedzy neuronami założyć 10.000 przypadkowych połączeń na neuron to nadal będzie kula o promieniu kilka metrów.
Wniosek: mózg ma specyficzną strukturę, chaos może panować w małej skali, ale w dużej skali panuje porządek i tylko nieliczne obszary się ze sobą komunikują.

4.3. Ewolucja mózgów, porównanie różnych mózgów.

Mózgi zwierząt
Ameby, powstałe prawie 4 mld lat temu nie mają układu nerwowego, podobnie wielokomórkowe gąbki; dopiero meduzy mają zaczątki nerwów.
Pierścienice, jak ich poprzedniczki sprzed 500 milionów lat (Kambr), mają zwój nerwowy w głowie oraz brzuszny pień nerwowy.
Dlaczego mamy skrzyżowane wiązki nerwów, lewa strona kontrolowana jest przez prawą półkulę i odwrotnie? Bo najstarsze organizmy takie jak pierścienice wykształciły odruch skręcający! Wyjątkiem jest węch, powstały z chemicznego zmysłu z przodu ciała.
Ryby mają mózg, móżdżek, opuszkę węchową i rdzeń kręgowy. Pierwsze ryby z okresu syluru (440 mln lat temu) miały już zróżnicowany układ nerwowy.
Konik polny ma ok. 16.000 neuronów. Owady powstały w dewonie, ok. 400 mln lat temu.
Mózg gadów jest wyraźnie większy i podzielony na dwie półkule. Głowa jest wysunięta do przodu, zgodnie z kierunkiem poruszania się, umożliwia to szybkie reakcje. Mózg reguluje homeostazę, przetwarza dane zmysłowe i umożliwia złożone zachowania motoryczne.
Ssaki, powstałe w okresie jurajskim (ponad 200 mln lat temu) mają znacznie większe mózgi z rozbudowanym układem limbicznym i rozrośniętą korą, która ma 6 warstw.
Ptaki mają złożone mózgi z rozbudowanym układem limbicznym, ale ich kora jest znacznie mniejsza niż u ssaków; chociaż plan budowy ich mózgów jest podobny do gadów to ich funkcja okazała się podobna jak u ssaków. W 2005 roku zmieniono nazwy struktur mózgów ptaków.
Porównanie mózgów zwierząt z uwzględnieniem kory i móżdżka.
Przodkowie człowieka:
Australopitek (4-5 mln lat, czaszka < 0.5 litra);
Homo habilis (2,5 mln lat, 0.65 l);
Homo erectus (1.5 mln lat, 1.0 l);
Homo neandertalis (1.6 l) oddzielił się od przodków Homo sapiens 250.000 lat temu,
ostatni neandertalczyk żył ok. 35.000 lat temu.



Porównanie wielkości mózgów zwierząt i człowieka. Rekin (ryba) ma mózg mniejszy od żółwia (gad), a ten od myszy (ssak). Szympansy mają znacznie mniejsze mózgi od ludzi.

Muzeum mózgów ssaków ma ciekawe zdjęcia mózgów różnych gatunków.
Czy inteligencja wymaga mózgu ssaka? Wątpliwe, bo niektóre ptaki (papugi, krukowate) mają inteligencję porównywalną z inteligencją małp, a ich mózgi są dość odmienne, nie ma w nich typowej kory nowej.

4.4. Rozwój mózgu i umysłu człowieka

Rozwój embrionu od zapłodnionej komórki do powstania mózgu i jego dojrzewania badają neuronauki zajmujące się rozwojem (developmental neuroscience), bliskie biologii komórki.
Pierwsze neurony powstają w 4-5 tygodniu rozwoju embrionu z ektodermy (powstaje z niej też skóra), dzięki ekspresji genów homeotycznych (regulatorowych), podobnych dla muszki owocówki i człowieka - proces ten znany jest jako neurulacja.
Genetyczny plan jest bardzo ogólny: kierunek wzrostu neuronów sterowany jest za pomocą stężenia białek, zwanych czynnikami neurotroficznymi, NGF (nerve growth factor).
Mutacja jednego genu LIS 1 z chromosomu 17 daje w wyniku brak pofałdowania kory mózgu i poważny niedorozwój (syndrom Millera-Diekera).
Neurony dzielą się ok. 70-100 razy, a potem przestają.

U szympansa jest o 3 podziały neuronów mniej niż u człowieka, w efekcie jest 2x2x2=8 razy mniejszej kora.
Gady, płazy i ptaki mają tylko 3 warstwy neuronów w korze, ssaki mają 6, ale w możdżku też tylko 3.
Ssaki mają nowe warstwy, które przebijają się do góry, po czym górna warstwa starych neuronów wymiera. Ewolucja nie potrafi przeprojektować rozwiązań od nowa.
Dolne warstwy (VI) kory wypuszczają aksony w stronę wzgórza i odwrotnie.
Cewka nerwowa u wszystkich kręgowców tworzy 5 pęcherzyków. Animacja rozwoju mózgu myszy.
Rozwój mózgu u ssaków przebiega podobnie.

Z 5 pęcherzyków rozwija się mózgowie, najpierw rdzeniomózgowie (rdzeń przedłużony), tyłomózgowie (most i móżdżek), środmózgowie (nakrywka pnia mózgu i pokrywa), międzymózgowie (układ limbiczny, oczy, szyszynka) i na końcu kresomózgowie (kora nowa, układ węchowy, jądra podstawy mózgu.

Zawiązki móżdżku u człowieka widoczne są dopiero w 12 tygodniu.
Następuje szybka faza rozwoju układu nerwowego, a potem faza regresji, apoptoza (zaprogramowana śmierć) komórek.
W korze mózgu wymiera 50 do 90% komórek i następuje znaczna reorganizacja kory.
Brak precyzji chemicznego sterowania rozwojem neuronów wymaga apoptozy.

Szlaki nerwowe powstają przed receptorami, dlatego rola czynników wzrostu jest bardzo ważna.
Nerw wzrokowy musi trafić na korę wzrokowo po przeciwnej stronie mózgu, część neuronów kończy w innych obszarach i powinna obumrzeć.
Maksymalne tempo wzrostu mózgu przypada w okresie 5 miesiąca rozwoju płodowego do 1 roku po urodzeniu.

4 miesiące:

5 miesiecy:

6 miesiąc: odróżnialne są stany snu i czuwania, obserwowane rekacje na mowę.
8 miesięcy: widoczny sen REM i ruchy gałek ocznych.

Narodziny: duży mózg sprawia najwięcej kłopotów, chociaż jego masa to zaledwie 1/4 mózgu dorosłego, osiąganej w wieku 17-18 lat.

Wiele gatunków ma po urodzeniu 80% masy mózgu; delfiny mają ok. 42% i masa ta wzrasta przez 9-10.

Nie tylko rozmiary mózgu wzrastają, lecz również stopień komplikacji kory mózgu, przede wszystkim kory nowej.
Czego można się spodziewać w wyniku rosnącej złożoności kory? Inteligencji!

Gwałtownie wzrasta gęstość synaptyczna połączeń miedzy neuronami, w korze od 2.500/neuron w momencie narodzin, do 15.000 w wieku 3 lat i spada powoli do połowy tej wartości.
Aktywność mózgu (w sensie zużycia energii) rośnie, w wieku 2 lat osiąga poziom dorosłego, w wieku 3 lat przewyższa go dwa razy i utrzymuje się do 9-10 roku życia, po czym powoli się zmniejsza by osiągnąć stabilny poziom koło 18 roku życia.

Rok po urodzeniu kora ruchowa łączy się z lędźwiową częścią rdzenia kręgowego, zanika odruch Babińskiego.

2 lata - masowa reorganizacja kory mózgu, amnezja dziecięca, zapominanie zdarzeń z pierwszych dwóch lat życia.

6 lat - mózg 3x większy niż w momencie narodzin.
Ok. 12 lat - stabilizacja płatów czołowych.
Ok. 20 lat - koniec reorganizacji, niewielkie zmiany (?) następują przez całe życie.

Każdy ma inny mózg, nawet bliźnięta jednojajowe (jak pokazują zdjęcia fMRI).
Na rozwój mózgu ma wpływ odżywianie, zatrucia chemiczne, skład chemiczny wód płodowych.

Ssaki: etapy rozwoju mózgu są bardzo podobne.
Otwarcie oczu: u człowieka po T=6 miesięcy, jest to naturalna skala czasowa.
Neurony w warstwach kory u ssaków: 30%T dla warstwy V, 100%T dla I oraz II.

4.5. Niedawna i przyszła ewolucja mózgu i umysłu

Przez wiele lat dyskutowano, czy zachowanie człowieka określone jest przez geny czy środowisko (nature vs. nurture)?
Początkowo sądzono, że "duch rządzi materią": geny ani warunki środowiskowe nie mają znaczenia, bo człowiek ma wolną wolę i może podjąć decyzje jak sie zachować.
Później pojawiło się przekonanie o dominacji środowiska.
Psychoanaliza "odkryła", że autyzm jest wynikiem oziębłości matki, zbyt natrętnego sadzania na nocniku, a amnezja dziecięca to konieczność represji wspomnień.
Tymczasem autyzm i amnezja ma podłoże biologiczne - czy to oznacza genetyczny i neuronalny determinizm?
Determinizm neuronalny oznacza, że człowiek musi tak się zachowywać, jak mu neurony dyktują, i wyższe procesy nei mogą tego zmienić.

Przez lata zaprzeczano biologicznej naturze ludzkiej. Dlaczego?
Może lepiej o różnicach zapomnieć bo "wszyscy ludzie zostali stworzeni równymi"?
Chodzi oczywiście o równość wobec prawa, ale nie równość szans życiowych ... niedożywione i zaniedbane mózgi nie mają szans się rozwinąć.
Pomimo wielkich oporów (wielu ludzi nie chce tego wiedzieć) genetyka zacowania (behawioralna) dobrze udokumentowała związki genów z przestępczością i z różnicami inteligencji.
Socjobiologia oraz psychobiologia i psychologia Darwinowska prowadzi głównie badania nad zwierzętami.
Psychologia ewolucyjna tłumaczy ewolucyjne przyczyny ludzkich zachowań.

Minnesota Center for Twin and Adoption Research jest jedną z najważniejszych instytucji prowadzących badania nad bliźniakami od 1979 r.
Kontrowersje: jak określić procent wpływu różnych czynników?
Czy w 70% inteligencja wynika z genów, a tylko w 30% jest wynikiem środowiska?
Inne badania dają mniejsze korelacje, jeśli odrzucić mutacje prowadzące do chorób układu nerwowego.
Korelacja IQ u dzieci niespokrewnionych jest znacznie mniejsza, rzędu 20%.


Korelacja różnych cech może być różna.
Więcej: R. Plomin, P. McGuffin, G.M. McClearn, J.C. DeFries, Genetyka zachowania, Wydawnictwo Naukowe PWN 2001.

Herrnstein i Wilson, "Crime and Human Nature" (1985)
Mordercy: 30 x więcej mężczyzn niż kobiet; może to poziomu testosteronu?
Ale w Chicago ludzie są 30 x bardziej skłonni do morderstwa niż w Anglii. Może to dostęp do broni?
Tendencja do używania gramatyki - genetyczna; wybór języka - środowisko.

Wielkie mózgi sprawiają kłopot - czytajcie "Galapagos" K. Vonneguta!
W bólach rodzić będziesz ... to przez ten wielki mózg.

Debata natura-środowisko straciła na znaczeniu: nie ma tu liniowej przyczynowości, obydwie strony są równie ważne.
Aktualne pytanie to: w jakich warunkach środowisko może zmienić organizm, a zwłaszcza mózg?
Może go zatruć lub uszkodzić (np. w wyniku udaru mózgu), wywołując ewidentne zmiany, ale może też zmienić ekspresje genów, być może nawet utworzyć nowy proces na poziomie genetycznym i molekularnym.
Na ile silne mogą być wpływy wynikające z czynników zewnętrznych, od pożywienia, warunków klimatycznych, geograficznych, aż do społecznych i relacji osobistych?
Efekt placebo pokazuje wyraźnie, że informacja słowna może wywołać stan psychiczny, który zmienia mózg i poprzez to cały organizm.

A co z świadomością?

Julian Jaynes (psycholog z Princeton): świadomość istnieje zaledwie 3-4 tysięcy lat.
Język początkowo był dosłowny, najpierw pojawiły się rzeczowniki, później asocjacje opisujące świat wewnętrzny.
Czasowniki abstrakcyjne pochodzą od konkretnych pojęć, np. w sanskrycie: "być" - "bhu", czyli rosnąć; "jestem" - "amsi", czyli oddychać (ang. "am", niem. "atmen").
Bruno Snell w 'The Discovery of the Mind' na podstawie analizy tekstów klasycznych również twierdzi, że pomiędzy czasami Homera a Socratesa nastapiła zmiana sposobu świadomego przeżywania.
Idee te są roziwjane przez Julian Jaynes Society.

Świadomość: synteza działania obu półkul mózgu. Cechy:

Do -1500 roku słowa mają tylko znaczenia konkretne (np. w Illiadzie).
Psyche = "oddech" a nie "dusza".
Niepełna integracja półkul mózgu?
Prawa zarządza głosami bogów, lewa wykonuje.
Stres: zamiast świadomości wyboru polecenie - głos autorytetu.

Halucynacje słuchowe w schizofrenii - często komentarze zdarzeń.
Drażnienie kory skroniowej: wywołuje głosy krytykujące, doradzające, nakazujące ...
M. Persinger: stymulacja lewego płata dolnoskroniowego za pomocą pola magnetycznego wywołuje poczucie mistycznej obecności.
Wizje, brak poczucia czasu, rytm i muzyka, intuicja - sacrum, wynik halucynacji.

Rządy teokratyczne sprzed 10 tys. lat: władcy-bogowie (jeszcze do połowy XX wieku w Japonii!), "ślepe" posłuszeństwo.
Wieża Babel - ślad z okresu, gdy słyszano zbyt wiele głosów?
W greckich eposach boskie głosy informują o decyzjach.
Anarchia po upadku teokracji w Asyrii i w Japonii trwała setki lat.
Pismo alfabetyczne, ok. -2000 lat, Egipt.
Rozwój lewej półkuli, myślenie samodzielne - opór bogów.

"Fajdros" Platona: bóg Tot nauczył sztuk i pisma lud króla Tamuza, ale król tak go za to krytykuje (ustami Sokratesa):

Ten wynalazek niepamięć w duszach ludzkich posieje, bo człowiek, który się tego wyuczy, przestanie ćwiczyć pamięć; zaufa pismu i będzie sobie przypominał wszystko z zewnątrz, ze znaków obcych jego istocie, a nie z własnego wnętrza, z siebie samego. Więc to nie jest lekarstwo na pamięć, tylko środek na przypominanie sobie. Uczniom swoim dasz tylko pozór mądrości, a nie mądrość prawdziwą. Posiędą bowiem wielkie oczytanie bez nauki i będzie się im zdawało, że wiele umieją, a po większej części nie będą umieli nic i tylko obcować z nimi będzie trudno; to będą mędrcy z pozoru, a nie ludzie mądrzy naprawdę.

Po -1500 roku pojawiają się w literaturze metafory i decyzje zależą od ludzi (np. w Odysei).

Trudno zweryfikować taką teorię: mogą pomóc badania literackie i językoznawcze.
Świadomość pierwotna widoczna u zwierząt, ale refleksyjna tylko u dorosłych ludzi?
Testy plam na czole i reakcja dzieci oraz szympansów - wrócimy do tego.
"Interpretator" w lewej półkuli mógł powstać niedawno, okresie historycznym.
Umysły, postrzeganie świata zmienia się z pokolenia na pokolenie.

Nie będzie czasu na dalszą naturalną ewolucję mózgu! Niedługo zaczniemy naprawiać i udoskonalać nasze mózgi.

Wzrok, słuch już naprawiamy za pomocą implantów.
Zapobieganie napadom wściekłości przez hamowanie jąder migdałowatych, stymulacja jąder podstawy mózgu w chorobie Parkinsona.
Eksperymenty z zamianą części hipokampa na elektroniczne obwody u zwierząt są w toku.
Bezpośredni dostęp do komputerowych danych? Trudno je będzie zintegrować z modelem świata.

Sterowanie myślami w grach nadchodzi!
Szybki jak myśl? Myśl jest wolniejsza od działania (wie to każdy sportowiec), ale podłączenie bezpośrednie do mózgu, nawet za pomocą EEG, pozwala obecnie na szybsze reakcje, bo decyzje odruchowe są szybsze niż myślenie.

Przeszczepy mózgu mogą być możliwe w przyszłości.
Czy możliwy stanie się transfer umysłu? Powinniśmy to zrozumieć przy końcu wykładu.





Następny wykład | Jak działa mózg - spis treści