6 obrazoburczych odkryć o mózgu

20-06-2008 komentarzy 16

Człowiek bardzo lubi kategoryzować i doszukiwać się sensu w otaczającym go świecie. Czasami w tym szale porządkowania zbyt szybko przywiązuje się do przekonań, które mu pasują. Na szczęście nauka ma to do siebie, że cały czas odkrywa coś nowego, czyniąc badaczy najbardziej plującą sobie w brody grupą zawodową świata. Zwłaszcza w dziedzinie neurologii, gdzie nawet ugruntowane teorie mają swoje rysy.

Dzisiaj będzie tekst angielski, który dzięki uprzejmości tego pana mogłem ściągnąć stąd, przetłumaczyć i umieścić u siebie. Zaczynajmy więc…

Neuronauka, podobnie jak wszystkie inne gałęzie nauki, pełna jest dogmatycznych przekonań dotyczących tematu którym się zajmuje. Wyłoniło się parę ogólnie przyjętych zasad, które to mienią się fundamentalnymi prawami rozumienia funkcjonowania mózgu.

Lecz ludzki mózg jest organem o niesamowitej złożoności – często jest opisywany jako najbardziej złożony obiekt we wszechświecie – który nie zdradza łatwo swoich sekretów. Po 100 latach naukowego dochodzenia nadal wiemy o nim bardzo niewiele.

Nie jest więc wielką niespodzianką informacja, że przez ostatnie lata neuronaukowcy dokonali kilku odkryć, które podważają wydawałoby się niepodważalne zasady funkcjonowania naszego wewnętrznego komputera. Nowa wiedza zmusza nas do ponownego przemyślenia tego, co już wydawało nam się pewne.

Poniżej znajduje się 6 starych już, dogmatycznych przekonań, wraz z opisem wyników nowych badań, które to pokazują jak bardzo owe przyjęte od dawna zasady są fałszywe, źle zinterpretowane czy też są zbytnim uproszczeniem tego, co się naprawdę dzieje w naszych głowach.

Dogmat 1: Dorosły mózg nie jest plastyczny.
Do niedawna dorosły mózg był uważany za zupełnie niepodatny na zmiany. Michael Merzenich, razem ze swoimi współpracownikami, w późnych latach 70tych i wczesnych 80tych pokazał, że jest inaczej. Teraz wiemy, że w pełni wykształcony mózg jest zdolny do znacznego przeorganizowania synaptycznej sieci neuronalnej, szczególnie pod wpływem urazów. Proces ten możemy obserwować np. u pacjentów po wylewach, uszkodzeniach mózgu czy przy leczeniu syndromu fantomowej kończyny.

Dogmat 2: Dorosły mózg nie jest zdolny do regeneracji.
Pogląd, jakoby mózg osób dorosłych nie mógł tworzyć nowych komórek nerwowych, był centralnym przykazaniem neuronauki. Teraz jednak, jak zostało udowodnione, dorosły mózg zawiera małe ilości neuronalnych komórek macierzystych, które są zdolne do produkcji nowych neuronów przez cały okres dorosłości. Funkcja tych nowych komórek nie jest do końca znana i badacze dotychczas mięli nikłe sukcesy w nakłanianiu ich do dzielenia się in vivo (w ustroju żywym). Jeśli jednak się to uda, komórki macierzyste mogą zostać użyte w leczeniu przypadłości neurologicznych typu lezji po wylewach, epilepsji czy choroby Alzheimera, Parkinsona i Huntingtona.

Dogmat 3: Neurony są funkcjonalnym elementem układu nerwowego.
W XIX wieku, szybko po odkryciu neuronu zauważono, że w układzie nerwowym istnieją jeszcze inne komórki: glejowe. Komórki glejowe zostały oddelegowane do drugorzędnej roli zaopatrywania neuronów w składniki odżywcze. W ostatnich latach jednak ten pogląd zaczął się zmieniać. Komórki glejowe są na dzień dzisiejszy znane także z regulowania komunikacji między neuronami oraz kontrolowania przepływu krwi przez naczynia włośniczkowe w mózgu. Mogą się także komunikować bezpośrednio z neuronami a także z innymi komórkami glejowymi czy z naczyniami krwionośnymi. Badania z kwietnia tego roku pokazały, że komórki glejowe są w stanie generować potencjał czynnościowy. Zamiast bycia komórkami pomocniczymi, komórki glejowe mogą okazać się głównym graczem jeśli chodzi o funkcjonowanie mózgu.

Dogmat 4: Neuroprzekaźniki są wypuszczane z synaps.
Zgodnie z konwencjonalnym przekonaniem, neurony otrzymują informacje od innych komórek nerwowych przez dendryty, integrują te sygnały w ciele komórki i generują potencjał czynnościowy, który jest przekazywany wzdłuż aksonu. Kiedy potencjał dojdzie do synapsy, zostają wypuszczone neuroprzekaźniki, które wędrują przez szczelinę i wywołują reakcję postsynaptycznej membrany. Kilka badań z zeszłego roku pokazało jednak, że neuroprzekaźniki również mogą być wypuszczane przez same aksony w istocie białej spoidła wielkiego.

Dogmat 5: Neurony są binarnymi przełącznikami.
Innymi słowy, komórka nerwowa jest albo włączona albo wyłączona – zawsze albo generuje potencjał czynnościowy albo nie. Potencjał czynnościowy był uważany za rodzaj aktywacji typu „wszystko albo nic”. To jest, pewna ilość stymulacji jest potrzebna by wywołać impuls nerwowy a wszelka stymulacja pod tym progiem nie wywoła reakcji. Od dawna wiadomo było, że układ nerwowy bezkręgowców produkuje stopniowe impulsy, gdzie ilość wypuszczonych neuroprzekaźników jest odpowiednia dla poziomu pobudzenia. Teraz mamy dowody, że również neurony ssaków mogą generować takie stopniowe potencjały – nie są więc one prostymi przełącznikami między stanem pobudzenia i uśpienia.

Dogmat 6: Neurony komunikują się między sobą przez rozchodzący się potencjał czynnościowy.
Neurony wyewoluowały by komunikować się między sobą i robią to przez generowanie impulsów nerwowych które rozchodzą się przez włókna nerwowe. Lecz ponieważ ta aktywność elektryczna nie może przechodzić przez synapsy, jest konwertowana na chemiczny sygnał, który wędruje neuroprzekaźnikami z jednej komórki do drugiej. Chociaż wszystkie neurony komunikują się w ten sposób, wiemy już, że niektóre komórki w układnie nerwowym mogą przekazywać sygnały przez kaskadę rozprzestrzeniającego się drugorzędnego przekaźnika. Te biochemiczne oznakowania wędrują wzdłuż włókna nerwowego i mogą wywoływać wypuszczanie neuroprzekaźników pod nieobecność impulsu elektrycznego.

No to teraz młodzież może zaskoczyć wiedzą nauczycielki biologii, bo w podręcznikach tak szybko nie zmienią tych informacji…

Strzałka do ikon

16 Odpowiedzi do : 6 obrazoburczych odkryć o mózgu

  1. Torlin pisze:

    Dzięki. Trochę trudne, ale przeczytałem.

  2. Teloch pisze:

    Bardziej biologiczny wpis, pewnie dlatego trudniejszy. Dziękuję za informację i cała przyjemność po mojej stronie :)

    Autorka tego amerykańskiego bloga była tak miła, że napomknęła o tym tłumaczeniu na swojej stronie :)

    http://scienceblogs.com/neurophilosophy/2008/06/neurophilosophy_przetlumaczone.php

  3. JJThompson pisze:

    @ Dogmat 5

    Jak dla mnie trochę za mało rozwinięty wątek. Brak mi explicite wyrażonej odpowiedzi na pytanie: skoro nie działają na zasadzie binarnej to czy uprawnione jest stwierdzenie, że mózg jest [w pewnym sensie] wyspecjalizowanym komputerem kwantowym, gdzie istnieją trzy stany logiczne?

  4. Torlin pisze:

    No! Gratuluję!
    Ale w ten sposób zostałeś zdekonspirowany z imienia i nazwiska. A Brygady IV RP już mają na celowniku tych, co piszą blogi, piją piwo i trzymają nogi na stole.
    Ja usiłuję zachować pełną anonimowość.

  5. Teloch pisze:

    JJThompson – Trochę na ten temat czytałem, lecz wiedza moja z tej dziedziny jest mocno ograniczona. Popraw mnie więc jeśli się pomylę, lecz myślę, że komputer kwantowy może obsługiwać procesy gdzie zachodzi obliczanie jednoczesnych stanów jedynko-zerowych. Tutaj neurony stopniowo zaczynają reagować na ilość neuroprzekaźników więc bardziej to podchodzi pod logikę rozmytą.

    Torlin – Brygady IV RP nie umieją angielskiego, więc jestem spokojny. Zresztą co oni by robili na takiej stronie? Więc na razie zrelaksowany otworzę kolejne piwo i włączę filmik. A o Ciebie Torlinie też bym się obawiał – Jak ktoś przeczyta, że porównujesz sponsoring do małżeństwa to z widłami i pochodniami Ci będą pod domem pikietować.

  6. JJThompson pisze:

    @Teloch Nie jestem ekspertem w tej dziedzinie, ale z tego co się orientuję kubit [odpowiednik bitu w klasycznych komputerach] może właśnie przyjmować dwie wartości na raz, ale ze względu na to, że każdy pomiar wpływa na informację zawartą w takim kubicie mówi się o trójwartościowej logice takiego układu. „Prawda”, „Fałsz” i „Być może”. Możliwe, że zaprogramowanie takiej logiki rozmytej jak to ma miejsce w ludzkim mózgu będzie kolejnym krokiem w rozwoju sztucznej inteligencji. Wynik obliczeń oczywiście nigdy nie jest pewny i opiera się [za sprawą tej niepewności pomiaru] na statystyce. Nie wiem jak Tobie, ale mi przypomina to do złudzenia działanie dokonywania wyboru przez ludzi, opierającego się często na przeczuciu. Oczywiście upraszczam, bo to jak działa ludzki mózg jest bardzo złożone, ale wydaje mi się, że jesteśmy na dobrej drodze do poznania w jaki sposób funkcjonuje.

    Jeszcze jedna ciekawa sprawa – komputery kwantowe najprawdopodobniej będą miały problemy z zadaniami, które nie sprawiają problemu komputerom klasycznym. Np. chodzi o proste działania arytmetyczne jak dodawanie, czy mnożenie.
    Natomiast potencjał komputerów kwantowych opiera się na bardzo łatwym rozwiązywaniu złożonych problemów takich jak faktoryzacja liczb pseudopierwszych [na których opiera się między innymi słynny podpis elektroniczny], czy złożone zadanie jakim jest „rozwiązanie” gry w szachy.

    Wydaje mi się [ale oczywiście mogę się mylić jak każdy komputer kwantowy], że ludzki mózg działa na zasadzie „hybrydy” – połączenia logiki dwu z wielowartościową i dlatego tak trudno nam zrozumieć „język” naszego mózgu.

    Według tej koncepcji, zadania których rozwiązania są znane [bo już kiedyś się spotkaliśmy z danym problemem], zapisywane są w postaci jawnej w „pamięci trwałej” [fachowo się to chyba nazywa „warunkowaniem”], a zdarzenia niepewne rozwiązywane są za pomocą takiej „chmury kubitów” i logiki rozmytej. Wtedy to mamy wątpliwości i zastanawiamy się nad danym problemem nieco dłużej, bo wchodzi ten czynnik niepewności, niejednoznaczności. Wtedy mózg załącza chmurę połączeń nerwowych i stara się za pomocą jakichś algorytmów probabilistycznych określić prawdopodobieństwo zdarzenia pomyślnego. Dalej to już zależy od „ustawień” danego człowieka. I nie muszą to być „ustawienia fabryczne”. Jako, że człowiek całe życie się uczy parametry takie jak np. zdolność do ryzyka może się zmieniać pod wpływem bilansu „zysków i strat”. Jeśli komuś nie sprzyja szczęście i wybiera złe decyzje, w pewnym momencie jego skłonność do ryzyka zmniejszy się. W drugą stronę oczywiście również to działa.

    Ale od razu mówię, że nie czuję się na siłach tego wszystkiego udowadniać, czy znajdywać materiałów na ten temat.

    Mam nadzieję, że nie namieszałem zbyt bardzo : )

  7. Teloch pisze:

    Podoba mi się hybrydowe spojrzenie na naturę ludzką – zważywszy, że tylko nikły procent procesów zachodzących w naszych mózgach dochodzi do świadomości koncepcja logiki rozmytej w nieświadomości mi jak najbardziej odpowiada. Tutaj też wchodzą w grę dodatkowe dane (żeby nie powiedzieć dane kluczowe) czyli emocje, które towarzyszą wszystkiemu co robimy. To emocje mogą nakierowywać te probabilistyczne wyniki w tory mniej lub bardziej udanych decyzji. Poznawcze świadome procesy przez racjonalizację mogłyby zachodzić w systemie binarnym, podczas gdy potrzeba by było szybkiego i rozległego analizowania – włączałaby się część nieświadoma, rozmyta.

    Przydałby się wszystkowiedzący Hoko :)

  8. Hoko pisze:

    Wszystkowiedzący Hoko… :D

    Więc z szachami sobie doskonale radzą komputery klasyczne, bo ta gra to tylko kwestia przeanalizowania wszystkich możliwych posunięć – co jest teoretycznie możliwe, więc sprawa sprowadza się w zasazie do mocy obliczeniowej. Komputer kwantowy w takim ukłazie brylowałby pewnie w partiach pięciominutowych, gdzie nie ma czsu do namysłu, ale w normalnej grze poderzewam, że sprawniejszy byłby zwykły, byle tylko dysponował odpowiednio dużą mocą.

    Róznica między mózgiem a komputerem (klasycznym) jest zasadniczo inna – mózg przetwarza równolegle, zaś koputer szeregowo, rozwiazania ferowane przez mózg są jakoś tam probablistyczne, zaś te komputerowe – jednoznaczne. Analogiem – bardzo uproszczonym – mózgu są sztuczne sieci neuronowe; one właśnie naśladują mózg w dziłaniu specyficznie równoległym i sprawdzają się w rozwiązywaniu wielu zadań, którym komputery klasyczne nie dają rady – są to z reguły problemy z bardzo dużą ilością zniennych, np tyczące analiz biznesowych, socjologicznych czy przepowiadania pogody. I co ciekawe sieci neuronowe mają zdolnośc do „samodzielnego” uczenia się. Z tym że rozwiązania, które tu się uzyskuje są też optymalne lokalnie, czyli są to wyniki probablistyczne.

    Komputery kwantowe też generalnie są równoległe. Ale „świadomość kwantowa” to jeszcze inna bajka, sięgająca zasadnicznych problemów mikroświata, spopularyzowana głównie przez Rogera Penrose, jako argument przeciwko silnej AI. Przede wszystkim jest to tylko hipoteza, i to hipoteza oparta jedynie na myslowych spekulacjach, żadnych konkretów tu nie ma. I osobiście jestem do tego sceptyczny, prawdopodobnie mózg da się wyjaśnić na gruncie fizyki klasycznej – mozlowości sztucznych sieci neuronowych zdają się to potwierdzać.

    Zresztą sama „równoległość” mózgu też jest problematyczna – na pewno równolegle działają poszczególne „sekcje” natomiast swiadomość jako taka może być skutkiem „szeregowania” tamtych, nieświadomych, procesów równoległych. Badania trwają… ;)

  9. Hoko pisze:

    I jeszcze w kwestii, czy skoro mózg nie działa binarnie, to działa jak komputer kwantowy. Otóż mozg jest urządzeniem cyfrowo-analogowym, działa i na zasadzie „przełączników” i w oparciu o zmiany liniowe. W początkach ery komputerów komputery analogowe były czymś oczywistym, jednak zostały zepchniete na bok przez możliwości, jakie w krótkim czasie dała pełna digitalizacja. Obecnie tu i ówdzie znowu zaczyna się nad nimi pracować.

  10. Jeżeli już miałbym sprowadzać mózg do czegoś tak prostego jak komputer, to porównałbym go, tak jak Hoko, do cyfrowo-analogowego.

    Mózgu nie da sie wyjaśnić w pełni na gruncie fizyki klasycznej – ze względu na neuroprzekaźniki chociażby. Dochodzą tutaj wiązania chemiczne, a to już jest fizyka kwantowa ;) Pytanie oczywiście jak dogłębnie chcemy wyjaśniać.

    Co do „równoległości”, to myślę, że tu możliwe jest świadome myślenie równoległe albo myślenie naprzemienne o dwóch sprawach z tak dużą częstotliwością zmiany, że jest nie do odróżnienia od tego pierwszego (jak w komputerach jednoprocesorowych). Spytajcie kobiet :)

    Sieci neuronowe to bardzo fajna sprawa, tylko że wstepnie skonstruowana sieć nadaje się do wyuczenia rozwiązaywania tylko bardzo wąskiej grupy problemów. Niestety. Ale są bardzo przydatne w chwili, gdy trzeba wielokrotnie powtarzać to samo monotonne zadanie nie tracąc przy tym wydajności (nie męcząc się) np. na lotnisku podczas prześwietlania bagażu w poszukiwaniu niebezpiecznych przedmiotów.

    Komputer kwantowy vs. klasyczny w szachach – myslę, że wygrałby kwantowy, ze względu na to, że klasyczny do dużego przyrostu mocy obliczeniowej wymagałby dużo większych nakładów przestrzennych niż kwantowy. Zakładając oczywiście, że do działania kwantowego nie byłaby wymagana maszyneria wielkości lotniczego hangaru ;)

  11. JJThompson pisze:

    @Hoko

    „Więc z szachami sobie doskonale radzą komputery klasyczne, bo ta gra to tylko kwestia przeanalizowania wszystkich możliwych posunięć – co jest teoretycznie możliwe, więc sprawa sprowadza się w zasazie do mocy obliczeniowej.”

    Doskonale jak na możliwości człowieka. Komputery kwantowe nie będą w zasadzie musiały obliczać wszystkich możliwych kombinacji, gdyż odpowiednio zaprogramowane będą zawierały w sobie wszystkie możliwe stany. To właśnie jest równoległym [a nawet hiperrównoległym bym powiedział] przetwarzaniem danych. Komputery klasyczne teoretycznie również świetnie się sprawdzają w faktoryzacji liczb pseudolosowych, ale dzisiejszemu najszybszemu komputerowi na złamanie szyfru 1024-bitowego nie wystarczyłoby 50 lat, co komputery kwantowe [w założeniach] będą rozwiązywały w kilka minut. To jest skok technologiczny, bo komputery klasyczne również w pewnym momencie napotkają barierę w postaci granicy miniaturyzacji [najprawdopodobniej taką granicą będzie wielkość elektronu]. Zresztą – przekonamy się pewnie o tym za kilkanaście lat : )

    Tak w ogóle to polecam zapoznać się z tą stroną i o jakich liczbach mówimy:

    http://jknow.republika.pl/szachy/szachy.html

    „mózg przetwarza równolegle, zaś koputer szeregowo”

    A klastry, czy superkomputery zawierające po 4092 procesory i więcej [na dodatek czterordzeniowe]? To już nie do końca jest przetwarzanie szeregowe, bo przetwarzane są 4092*4 operacje na kwant czasu.

    @Biohazard

    „Komputer kwantowy vs. klasyczny w szachach – myslę, że wygrałby kwantowy”

    Jeśli gra zostałaby rozwiązana przez komputer kwantowy to byłby remis, bo określona zostałaby strategia wygrywająca dla każdej ze stron i każde zejście ze ścieżki doprowadzałoby do przegranej jedną ze stron.

  12. Hoko pisze:

    JJThompson

    Nie bardzo rozumiem, co znaczy, że komputery kwantowe będą zawierały w sobie wszystkie możliwe stany. Do tego programowanie takich komputerów będzie bardzo trudne (z klasycznymi równoległymi są juz niemałe problemy), więc podejrzewam, że zwykłe algorytmy mogą sobie z tym prędzej dac radę. O ilosci kombinacji pisałem kiedyś u siebie (trochę we wpisie, trochę w komentarzach)
    http://hokopoko.net/szachowy-doping/

    Komputery kwantowe na dzień dzisiejszy to w zasadzie tylko hipoteza (przynajmniej jako maszyny rozwiązujące realne problemy), więc mówienie, że będą mogły to czy tamto, to trochę wróżenie z fusów. Same z siebie niewiele będa mogły, potrzebne są zupełnie nowe algorytmy – probablistyczne, jak będzie z ich jakością na dzień dzisiejszy trudno przewidzieć. To wszystko jak na razie tylko teoria.

  13. @Hoko:

    To może wiesz jak to było z „kwantowym” komputerem Orion z D-Wave (czy jakoś tak)? Bo słyszałem o jednej niezadowalającej prezentacji, a potem cisza – i nadal nie wiem, czy w końcu był kwantowy (jak twierdziła firma – chcociaż sami dokładnie nie wiedzieli jak działa), czy nie (jak twierdziła reszta świata ;) ). I ciekawy jestem jak to się skończyło.

  14. Hoko pisze:

    Z Orionem to do końca nie wiadomo, zdaje się, że sam producent nabrał w końcu wody w usta. Z tego co pamiętam to nie był to tak do końca komputer kwantowy, raczej coś pośredniego. Dokładnej zasady działania chyba nikt nie przedstawił, więc trudno powiedzieć. W każdym razie nie przypominam sobie, by sam projekt został poddany jakiejś rzetelnej i obiektywnej analizie naukowców. Na koniec 2008r firma zapowiadała wersję większej mocy, więc zobaczymy, chociaż na razie głucho na ten temat.

  15. Gratuluje ciekawych badań oraz zdobycia tytułu VIS’a! :) Ten temat nadaje sie na publikacje jako short raport np w Psychological Science wymaga jedynie jednego dwoch follow-up studies. Zapraszam na zajecia z pracy empirycznej 2 w przyszlym roku.

    Pozdrawiam,

    Michal

  16. JJThompson pisze:

    @Hoko Wszystkie stany pośrednie, czyli to hilbertowskie „być może”. Kubit znajduje się w jednym, bliżej nieokreślonym stanie, podobnie jak interferujący foton przechodzący przez jedną bliżej nieokreśloną szczelinę [z dwóch możliwych]. W efekcie otrzymujemy obraz interferencyjny, który ma dwa rozwiązania. W podobny sposób mogłyby zostać przedstawione np. wszystkie możliwe ruchy z danej pozycji na szachownicy.

    „Komputery kwantowe na dzień dzisiejszy to w zasadzie tylko hipoteza (przynajmniej jako maszyny rozwiązujące realne problemy)”

    A kto ją udowodni uzyska dostęp do wszystkich haseł w Internecie. Dlatego rząd USA wydaje grube miliony dolarów [50 jak dotąd na prace nad Orionem].

    Co do algorytmów: to już pole do popisu dla matematyków. Póki co wydaje nam się to trudne, podobnie jak mi kiedyś wydawało się trudne przeliczanie z systemu dziesiętnego na dwójkowy, ale z czasem rzeczy trudne stają się bardziej oczywiste. Kwestia doświadczenia.

    Poza tym, algorytmy nie muszą być aż tak skomplikowane, raczej ich zapis.

    Tu masz opis kwantowego algorytmu wyszukiwania w bazie danych: http://en.wikipedia.org/wiki/Grover's_algorithm

    Jeśli uda się to zaimplementować to będzie to rewolucja. Szybkość wyszukiwania wzrośnie niewyobrażalnie z O(N) do O(N^[-2]).

    Dziś oczywiście możemy mówić, że to fince fiction, ale już wkraczamy w erę technologii kwantowych, a kryptografia kwantowa już działa na rynku:

    http://www.magiqtech.com/
    http://www.quantenkryptographie.at/Quantum%20Cryptography%2021%20April%2004.pdf

Zostaw odpowiedź

Adres nie będzie opublikowany. Wymagane pola oznaczone *

*

Możesz użyć poniższych znaczników: HTML <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>