Mózg może wykorzystywać fale elektryczne nie tylko do komunikacji między neuronami, ale również do wykonywania obliczeń, które umożliwiają szybkie myślenie i powstawanie świadomości. Taką teorię przedstawili naukowcy z Picower Institute for Learning and Memory na MIT. Według badaczy rytmiczna aktywność mózgu może tworzyć analogowy system obliczeniowy, który dynamicznie koordynuje pracę milionów neuronów. Koncepcję opisano na łamach „The Journal of Neuroscience”.
Z tego artykułu dowiesz się…
- Dlaczego naukowcy z MIT uważają, że poznanie i świadomość mogą powstawać dzięki obliczeniom analogowym wykonywanym przez fale mózgowe.
- Jak fale alfa i beta mogą kontrolować szybsze fale gamma oraz w jaki sposób pomaga to mózgowi wybierać i przetwarzać informacje.
- Na czym polegają interferencja fal, sprzężenie efaptyczne i „obliczenia czasoprzestrzenne”, które według nowej teorii mogą umożliwiać szybką koordynację aktywności neuronów.
- Jak dynamika fal mózgowych może wiązać się ze świadomością oraz dlaczego jej badanie może mieć znaczenie dla przyszłych metod leczenia.
Mózg to coś więcej niż sieć połączonych neuronów
Klasyczny sposób opisywania mózgu często odwołuje się do metafory obwodów. Neurony tworzą rozbudowane sieci, natomiast synapsy pozwalają przechowywać informacje oraz zmieniać siłę połączeń. Zdaniem prof. Earla K. Millera z MIT taki obraz jest jednak niepełny. Synapsy mogą przechowywać wspomnienia oraz reprezentacje potrzeb i celów, lecz mózg musi również błyskawicznie wybierać informacje potrzebne w konkretnej sytuacji. Chemiczne modyfikowanie połączeń synaptycznych jest zbyt wolne, aby samo mogło odpowiadać za elastyczność ludzkiego poznania.
Obwody i synapsy są ważne i fundamentalne, to dopiero początek. Ale to nie wszystko – powiedział Miller, członek wydziału Mózgu i Nauk Kognitywnych MIT. Mózg generuje fale, a dynamika fal to niezwykle wydajny sposób koordynowania i wykonywania obliczeń.
Według nowej teorii właśnie fale mózgowe mogą działać jak bardzo szybki system sterowania, który organizuje aktywność rozległych populacji neuronów.
Obliczenia analogowe zamiast cyfrowych
Autorzy zwracają uwagę na zasadniczą różnicę między klasyczymi systemami cyfrowymi, a proponowanym mechanizmem działania mózgu. Komputery cyfrowe wykonują operacje za pomocą kolejnych stanów i przełączeń. Tymczasem obliczenia analogowe mogą zachodzić równolegle, m.in. dzięki nakładaniu się i interferencji fal.
Mózg wykorzystuje własną fizykę – napisali Miller i współautorzy Scott L. Brincat oraz Jefferson E. Roy, naukowcy prowadzący badania w laboratorium Millera.
Punktem wyjścia jest tzw. selektywność mieszana. Pojedyncze neurony nie muszą odpowiadać wyłącznie za jedno zadanie. Mogą reagować na różne bodźce i konteksty, uczestnicząc jednocześnie w wielu funkcjonalnych sieciach. Zapewnia to ogromne możliwości obliczeniowe, ale wymaga mechanizmu pozwalającego szybko decydować, które zespoły neuronów powinny być aktywne w danej chwili.
Fale alfa, beta i gamma mogą organizować przetwarzanie informacji
Badania prowadzone przez zespół Millera wskazują, że fale o różnych częstotliwościach mogą pełnić odmienne funkcje. Wolniejsze rytmy alfa i beta są związane m.in. ze wspomnieniami oraz celami, natomiast szybsze fale gamma reprezentują i przekazują napływające informacje sensoryczne. W tym ujęciu fale alfa i beta mogą regulować aktywność gamma, pomagając mózgowi decydować, które informacje mają zostać przetworzone.
Synapsy przechowują reprezentacje, natomiast dynamika fal pomaga ustalić, które reprezentacje są aktywne w danym momencie – napisali autorzy.
Co więcej, pola elektryczne powstające w wyniku aktywności neuronów mogą zwrotnie wpływać na ich impulsy poprzez sprzężenie efaptyczne. Mechanizm ten może działać bardzo szybko, dzięki czemu aktywność dużych grup komórek może być koordynowana bez konieczności każdorazowej zmiany połączeń synaptycznych.
Mózg może wykonywać „obliczenia czasoprzestrzenne”
Istotną częścią teorii jest zdolność fal do przemieszczania się po korze mózgowej. Fale alfa i beta mogą oddziaływać na konkretne obszary, a jednocześnie zmieniać swoje położenie w czasie. Według badaczy fale beta mogą działać jak ruchome szablony wyznaczające, gdzie i kiedy aktywność gamma może przetwarzać informacje oraz które zespoły neuronów zostaną włączone do tego procesu.
W miejscach, w których fale się spotykają, ich oddziaływania mogą się wzmacniać lub osłabiać. To właśnie interferencja mogłaby stanowić fizyczną podstawę obliczeń analogowych. Na razie pozostaje to jednak teorią wymagającą bezpośredniego potwierdzenia.
To teoria. Chcemy ją przetestować, szukając śladów obliczeń analogowych we wzorcach fal mózgowych – powiedział Miller.
Czy podobny mechanizm odpowiada za świadomość?
Autorzy idą o krok dalej i proponują, że dynamika fal może być związana również z powstawaniem świadomości. Według nich pojawia się ona wtedy, gdy wzorce fal wprowadzają korę w zorganizowany i globalnie zintegrowany stan, pozwalający łączyć aktywność zachodzącą w różnych częściach mózgu.
Argumentów na poparcie tej koncepcji dostarczają m.in. badania nad znieczuleniem ogólnym prowadzone przez Millera i prof. Emery’ego N. Browna. Analizy trzech leków działających poprzez odmienne mechanizmy molekularne pokazały, że wszystkie mogą w podobny sposób zakłócać dynamikę fal mózgowych, prowadząc do utraty przytomności.
Świadomość zależy mniej od konkretnych receptorów lub typów komórek, a bardziej od integralności organizacji fal na dużą skalę – piszą autorzy w recenzji.
Sugerowałoby to, że dla świadomości kluczowe może być nie tylko to, które neurony są aktywne, lecz także sposób czasowej i przestrzennej organizacji ich aktywności.
Teoria może mieć znaczenie dla nowych terapii
Jeśli rola dynamiki fal zostanie potwierdzona, koncepcja może mieć również konsekwencje kliniczne. Fale mózgowe można bowiem modulować metodami nieinwazyjnymi, co otwiera możliwość poszukiwania terapii ukierunkowanych na zaburzenia ich organizacji.
Opracowywanie metod leczenia opartych na dynamice fal mózgowych to nie tylko szansa, ale i obowiązek – powiedział Miller, którego laboratorium bierze udział w projekcie badawczym dotyczącym fal mózgowych u osób z autyzmem.
Naukowcy zwracają także uwagę na efektywność energetyczną takiego mechanizmu. Analogowe wykorzystanie pól elektrycznych już wytwarzanych przez aktywne neurony mogłoby umożliwiać koordynowanie ogromnej liczby procesów bez tworzenia dodatkowego, kosztownego energetycznie systemu.
Nowe spojrzenie na sposób działania mózgu
Teoria naukowców z MIT proponuje odejście od postrzegania mózgu wyłącznie jako zbioru połączonych ze sobą obwodów. Synapsy nadal pozostają podstawą przechowywania informacji, jednak fale elektryczne mogłyby odpowiadać za dynamiczne wybieranie, łączenie i przetwarzanie tych informacji.
Najważniejszym wyzwaniem będzie teraz eksperymentalne wykazanie, że interferencja fal rzeczywiście wykonuje przewidywane obliczenia analogowe. Jeśli hipoteza zostanie potwierdzona, może dostarczyć nowego modelu wyjaśniającego zarówno niezwykłą elastyczność ludzkiego poznania, jak i powstawanie zintegrowanej świadomości
Główne wnioski
- Naukowcy z Picower Institute for Learning and Memory na MIT przedstawili teorię, według której fale elektryczne mózgu mogą wykonywać obliczenia analogowe odpowiadające za szybkie i elastyczne procesy poznawcze.
- Fale alfa i beta, związane m.in. ze wspomnieniami i celami, mogą regulować fale gamma przetwarzające napływające informacje sensoryczne, organizując aktywność odpowiednich zespołów neuronów.
- Według autorów przemieszczanie się i interferencja fal mózgowych mogą umożliwiać wykonywanie „obliczeń czasoprzestrzennych”, a pola elektryczne mogą dodatkowo koordynować neurony poprzez sprzężenie efaptyczne.
- Teoria zakłada, że świadomość pojawia się wraz z globalnie zintegrowaną organizacją fal w korze mózgowej. Badacze podkreślają jednak, że konieczne są dalsze eksperymenty potwierdzające bezpośrednio istnienie takich obliczeń analogowych.
Źródło:
- https://www.jneurosci.org/content/46/33/e0711262026
- https://picower.mit.edu/news/cognition-and-consciousness-arise-analog-computations-says-new-theory
