Πώς «δημιουργείται» η νόηση στον εγκέφαλο

Το νέο επιστημονικό πεδίο της νευροεπιστήμης των δικτύων αποκαλύπτει πώς προκύπτει η νοητική λειτουργία από ενορχηστρωμένες αλληλεπιδράσεις μεταξύ διαφορετικών εγκεφαλικών περιοχών

Ζούμε σε έναν κόσμο με τεράστια πολύπλοκα δίκτυα, ορισμένα απτά, όπως τα συγκοινωνιακά και ορισμένα πέρα από την άμεση αντιληπτική μας ικανότητα, όπως ο Παγκόσμιος Ιστός (World Wide Web). Γνωρίζουμε επίσης την ύπαρξη στη φύση τεράστιων συστημάτων. Ο Γαλαξίας περιέχει 100 δισεκατομμύρια αστέρια, αριθμός που είναι όμως ένα μικρό κλάσμα συγκριτικά με τις περισσότερες από 100 τρισεκατομμύρια συνάψεις μεταξύ των νευρώνων του εγκεφάλου ενός ανθρώπου, οι οποίες του επιτρέπουν να αισθάνεται, να σκέφτεται και να δρα. Λίγα συστήματα αλληλεπιδρωσών συνδέσεων διαθέτουν την πολυπλοκότητα του συστήματος που βρίσκεται μέσα στο κρανίο μας.
Διάφορες ερευνητικές ομάδες νευροεπιστημόνων δανείστηκαν τη γλώσσα της θεωρίας γράφων (κλάδου των Μαθηματικών), για να μπορέσουν να αναλύσουν, ανιχνεύσουν και προβλέψουν σύνθετες αλληλεπιδράσεις μέσα στον εγκέφαλο, οι οποίες γεφυρώνουν το φαινομενικά τεράστιο κενό ανάμεσα στη φρενήρη ηλεκτρική δραστηριότητα και γνωστικές λειτουργίες, όπως η μνήμη, η λήψη αποφάσεων, η εκμάθηση μιας νέας δεξιότητας, η πραγματοποίηση μιας κίνησης. Αυτό το νέο πεδίο της νευροεπιστήμης των δικτύων βασίζεται και οικοδομεί πάνω στην ιδέα της εξειδίκευσης συγκεκριμένων περιοχών του εγκεφάλου για την πραγματοποίηση συγκεκριμένων δραστηριοτήτων. Στο πιο θεμελιώδες επίπεδο, το τι είναι ο εγκέφαλος και κατ' επέκταση ποιοι είμαστε ως όντα με συνείδηση, καθορίζεται από ένα δίκτυο 100 δισεκατομμυρίων νευρώνων, με τουλάχιστον 100 τρισεκατομμύρια συνδετικά σημεία μεταξύ τους, τις συνάψεις.

Κόμβοι

Η νευροεπιστήμη των δικτύων προσπαθεί να συλλάβει όλη αυτή την πολυπλοκότητα. Μοντελοποιεί τα δεδομένα που προέρχονται από απεικονίσεις του εγκεφάλου ως έναν γράφο που αποτελείται από κόμβους (κορυφές) και ακμές (γραμμές), που τους συνδέουν. Οι κόμβοι αναπαριστούν τις μονάδες του δικτύου, όπως οι νευρώνες. Μια από τις ερευνητικές ομάδες στις ΗΠΑ έχει απλοποιήσει τον ανθρώπινο εγκέφαλο σε ένα γράφο περίπου 300 κόμβων. Οι περιοχές του εγκεφάλου που δεν γειτονεύουν συνδέονται με ένα ειδικό δομικό σύστημα, τη λευκή ουσία, που μπορεί να θεωρηθεί αντίστοιχο με τις χοντρές αρμαθιές καλωδίων, διασύνδεσης των σύγχρονων δικτύων υπολογιστών. Αυτή η αναπαράσταση του εγκεφάλου ως ενοποιημένου δικτύου δίνει ήδη μια πιο καθαρή εικόνα για τη γνωστική του λειτουργία, ενώ παράλληλα βοηθά στην καλύτερη διάγνωση και θεραπεία ψυχιατρικών παθήσεων.
Μέχρι πρόσφατα οι νευροεπιστήμονες κατά κύριο λόγο μελετούσαν τη λειτουργία ξεχωριστών περιοχών του εγκεφάλου απομονωμένα τη μια από την άλλη. Ομως, ακόμη και ένας πλήρης κατάλογος όλων των διακριτών εγκεφαλικών περιοχών και των τομέων εξειδίκευσής τους δεν μπορεί να μας εξηγήσει πώς προκύπτουν οι γνωστικές λειτουργίες του εγκεφάλου, όπως ένας πλήρης κατάλογος των οργάνων μιας ορχήστρας δεν αποτελεί συνταγή για την Ηρωική Συμφωνία (3η) του Μπετόβεν.

Ορχήστρες

Οι ζωντανοί εγκέφαλοι είναι ογκώδεις ορχήστρες νευρώνων, οι οποίοι πυροδοτούν παράλληλα, ακολουθώντας πολύ ειδικά μοτίβα. Μπορούμε να ακούσουμε τη «μουσική» του εγκεφάλου μετρώντας τη συσχέτιση ανάμεσα στη δραστηριότητα κάθε ζεύγους περιοχών, που δείχνει ότι λειτουργούν σε συμφωνία. Το μέτρο αυτής της κοινής δραστηριοποίησης ονομάζεται λειτουργική συνδεσιμότητα και οι νευροεπιστήμονες των δικτύων θεωρούν ότι αντανακλά τη «μουσική» του εγκεφάλου. Αν δύο περιοχές πυροδοτούν με την ίδια χρονική διακύμανση, θεωρούνται λειτουργικά συνδεδεμένες. Ενταση της «μουσικής» του εγκεφάλου μπορεί να θεωρηθεί το επίπεδο δραστηριότητας των ηλεκτρικών σημάτων, που κυκλοφορούν στη μια ή την άλλη εγκεφαλική περιοχή.
Κάθε χρονική στιγμή το σύνολο του εγκεφάλου είναι ενεργό, αλλά μια συγκεκριμένη γνωστική λειτουργία μεταβάλλει τη δραστηριότητα μόνο ενός μέρους του εγκεφάλου πάνω από το βασικό επίπεδο δραστηριότητας. Αν όλα τα τμήματα του εγκεφάλου ήταν έντονα δραστήρια συνεχώς, τότε θα ήταν σαν όλα τα μέλη μιας ορχήστρας να παίζουν το καθένα το όργανό του στο μέγιστο της έντασης, μια κακοφωνία που θα δημιουργούσε χάος, όχι αρμονία.
Μελέτη που εξέτασε 10.000 τομογραφίες λειτουργικού μαγνητικού συντονισμού (fMRI), που λήφθηκαν ενόσω οι συμμετέχοντες πραγματοποιούσαν 83 διαφορετικές γνωστικές λειτουργίες, συμπέρανε ότι καθεμιά απ' αυτές αντιστοιχεί σε διαφορετικές μονάδες εγκεφαλικών δικτύων. Υπάρχουν μονάδες που ασχολούνται κυρίως με την προσοχή, την απομνημόνευση, τη διαισθητική σκέψη, άλλες αφιερωμένες στην ακοή, στην όραση, στη σωματική κίνηση κ.ο.κ. Οι αισθητηριακές και κινητικές γνωστικές διαδικασίες σχετίζονται με μεμονωμένες αυτόνομες μονάδες, που εντοπίζονται σε έναν από τους δύο λοβούς του εγκεφάλου. Οι υπολογισμοί μέσα σε μια μονάδα δεν προκαλούν δραστηριότητα σε άλλες μονάδες. Στην αναλογία με την ορχήστρα, θα ήταν καταστροφικό κάθε φορά που παίζει ένας μουσικός κάποιοι άλλοι να πρέπει να αλλάζουν τις νότες τους, ως παρενέργεια.

Αρμονία

Αν και οι μονάδες των νευρωνικών δικτύων είναι κατά βάση ανεξάρτητες, ένα συμφωνικό έργο απαιτεί οικογένειες οργάνων να παίζουν σε αρμονία μεταξύ τους. Η πληροφορία, που δημιουργείται από μια μονάδα, με τη μορφή ηλεκτρικών σημάτων, πρέπει τελικά να ολοκληρωθεί με εκείνη από άλλες μονάδες. Η παρακολούθηση μιας κινηματογραφικής ταινίας με μόνη λειτουργούσα τη μονάδα όρασης του εγκεφάλου, χωρίς τις αντίστοιχες για την ακοή, για τα συναισθήματα κ.τ.λ., σίγουρα θα απείχε κατά πολύ από την πλήρη εμπειρία. Γι' αυτό, για την ολοκλήρωση πολλών γνωστικών λειτουργιών, χρειάζεται διάφορα τμήματα του εγκεφάλου να εργαστούν από κοινού. Για παράδειγμα, η απομνημόνευση ενός αριθμού τηλεφώνου απαιτεί τη συνεργασία των μονάδων ακοής, προσοχής και επεξεργασίας μνήμης. Για την ολοκλήρωση και τον έλεγχο της δραστηριότητας πολλών μονάδων του, ο εγκέφαλος χρησιμοποιεί κεντρικούς κόμβους, δηλαδή κόμβους όπου συναντώνται συνδέσεις από διάφορες μονάδες του εγκεφάλου.
Ορισμένες μονάδες είναι περισσότερο πληθωρικές στη δράση τους. Οι συνδέσεις τους εκτείνονται σε πολλαπλά σημεία στον εγκέφαλο. Η μετωπιαία μονάδα ελέγχου, που αναπτύχθηκε πρόσφατα στη χρονική κλίμακα της εξέλιξης του ανθρώπου και είναι ιδιαίτερα μεγάλη συγκριτικά με τους κοντινότερους συγγενείς μας (πρωτεύοντα θηλαστικά), συνδέεται με αρκετούς άλλους λοβούς του εγκεφάλου. Αντιστοιχεί στον μαέστρο της ορχήστρας και ενεργοποιείται σε πληθώρα γνωστικών λειτουργιών, εξασφαλίζοντας ότι η λειτουργία άλλων μονάδων θα παραμένει σε αρμονία. Συνδέεται στενά με τις διαδικασίες λήψης απόφασης, βραχυχρόνιας μνήμης και γνωστικού ελέγχου, δηλαδή ανάπτυξης σύνθετων στρατηγικών και παρεμπόδισης ανάρμοστης συμπεριφοράς.
Μια άλλη έντονα διασυνδεδεμένη μονάδα είναι εκείνη που σχετίζεται με τη συγκέντρωση και την ανταπόκριση σε καινούρια ερεθίσματα. Για παράδειγμα, αν σας ζητηθεί να κοιτάξετε τις λέξεις: Μπλε και κόκκινο και να ανταποκριθείτε με το χρώμα τους, θα αντιδράσετε πιο γρήγορα με εκείνη που είναι γραμμένη με κόκκινο. Στην περίπτωση της άλλης λέξης πρέπει να ενεργοποιηθεί και η μετωπιαία μονάδα ελέγχου, καθώς η ανάγνωση της λέξης μπλε συγκρούεται με το πραγματικό χρώμα της (πράσινο).

Ταυτότητα και αλλαγή

Αν και ο εγκέφαλος όλων των υγιών ανθρώπων αποτελείται από συγκεκριμένα δίκτυα διασυνδεδεμένα μέσω κεντρικών κόμβων, κάθε ξεχωριστός άνθρωπος εμφανίζει ελαφρές διαφοροποιήσεις στον τρόπο που διασυνδέονται αυτά τα κυκλώματα. Κάποιοι που έχουν κεντρικούς κόμβους με πολλές συνδέσεις, συνήθως έχουν μονάδες που είναι καλά ξεχωρισμένες μεταξύ τους και αποδίδουν καλύτερα σε ορισμένες γνωστικές λειτουργίες, όπως η βραχυχρόνια μνήμη, η γλώσσα, η αντίληψη των Μαθηματικών, η κοινωνική αντίληψη. Απλουστεύοντας, όλες οι σκέψεις, τα συναισθήματα, οι ιδιοτροπίες και οι ψυχικές δυνάμεις κωδικοποιούνται στη συγκεκριμένη οργάνωση του εγκεφάλου, ως ενοποιημένο ολοκληρωμένο δίκτυο. Είναι η «μουσική» που προκύπτει που σας κάνει αυτό που είστε, τον εαυτό σας.
Οι συγχρονισμένες μονάδες του εγκεφάλου μάς ταυτοποιούν και μας επιτρέπουν να διατηρήσουμε την ταυτότητα αυτή στο χρόνο. Οι «μουσικές» συνθέσεις που παίζουν, εμφανίζονται πάντα να έχουν ομοιότητες. Είναι σαν ο ίδιος μουσικός να παίζει διαφοροποιημένες συνθέσεις, που όμως ανήκουν στο ίδιο μουσικό είδος. Αυτή η συνέπεια προκύπτει από το γεγονός ότι οι φυσικές οδοί, οι δομικές συνδέσεις μέσα στον εγκέφαλο θέτουν περιορισμούς στις διαδρομές που μπορεί να ταξιδέψει ένα νευρικό σήμα.
Τελικά γίνονται και αλλαγές στη «μουσική» του εγκεφάλου, όπως γίνονται αλλαγές σε μια ορχήστρα. Οι φυσικές συνδέσεις μεταβάλλονται στο πέρασμα μηνών ή ετών, ενώ η λειτουργική συνδεσιμότητα μπορεί να μεταβάλλεται ακόμη και μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα, καθώς το άτομο μεταπηδά από τη μια γνωστική λειτουργία στην επόμενη. Οι κεντρικοί κόμβοι έχουν μια ιδιότητα που λέγεται λειτουργική δικτυακή ευελιξία και τους επιτρέπει να αλλάξουν απότομα τις συνδέσεις μιας μονάδας, μεταβάλλοντας τη ροή πληροφορίας στο δίκτυο. Οι μονάδες εγκεφαλικών δικτύων εμφανίζονται ήδη από την περίοδο που το παιδί είναι ακόμη στη μήτρα και ραφινάρονται καθώς μεγαλώνει, με την ενίσχυση των συνδέσεων μέσω των κεντρικών κόμβων να συνοδεύεται από μεγαλύτερη αυτονόμηση των μονάδων. Η πρόοδος της διαδικασίας αυτής επηρεάζεται έντονα από τις συνθήκες που μεγαλώνει ένα παιδί, με γρηγορότερη εξέλιξη για τα παιδιά οικογενειών με καλή κοινωνικοοικονομική κατάσταση.

Αντικανονικές συνδέσεις

Οι περισσότερες ψυχικές ασθένειες σχετίζονται με πολλές περιοχές του εγκεφάλου. Σύμφωνα με μια θεωρία, τίποτα δεν πάει στραβά σε καθεμιά μονάδα ξεχωριστά του εγκεφάλου ενός σχιζοφρενούς. Το πρόβλημα δημιουργείται από την υπερπληθώρα συνδέσεων μεταξύ των μονάδων. Σε έναν υγιή εγκέφαλο η δυνατότητα ευελιξίας εντός ορίων στις συνδέσεις μεταξύ των κατά βάση αυτόνομων και διαχωρισμένων μονάδων είναι ευεργετική. Ομως στους εγκεφάλους ατόμων με σχιζοφρένεια υπάρχει υπερβολική ευελιξία στο πώς ανασυνδυάζονται τα εγκεφαλικά δίκτυα. Οι ακουστικές παραισθήσεις (φωνές) ίσως προέρχονται από απρόσμενες αλλαγές συνδέσεων στους κεντρικούς κόμβους, που συνδέουν τις μονάδες ομιλίας και ακοής. Και στην περίπτωση της κατάθλιψης φαίνεται να υπάρχει αποσταθεροποίηση στη σύνδεση μεταξύ των εμπλεκόμενων νευρωνικών δικτύων. Κλινικές παρατηρήσεις σχετικά με το ποιοι συνδυασμοί μονάδων μονοπωλούν την εγκεφαλική λειτουργία δημιουργώντας την κατάθλιψη, επιτρέπουν τη διάγνωση του συγκεκριμένου τύπου της διαταραχής και κατά συνέπεια και την καλύτερη θεραπεία με ηλεκτρική διέγερση των σχετιζόμενων μονάδων που υστερούν.
Οι νευροεπιστήμονες αναζητούν απάντηση και στο πώς τα εγκεφαλικά δίκτυα του ανθρώπου πήραν τη σημερινή τους μορφή στο πέρασμα δεκάδων χιλιάδων ετών. Στο πλαίσιο αυτό, θεωρούν ιδιαίτερης σημασίας το γεγονός ότι οι κεντρικοί κόμβοι, οι περιοχές συνδέσεων μεταξύ των εγκεφαλικών μονάδων, είναι εκείνα τα μέρη που διογκώθηκαν περισσότερο στην πορεία της εξέλιξης, κάνοντάς τα σήμερα να είναι 30 φορές μεγαλύτερα από τα αντίστοιχα των μακάκων πιθήκων. Τη σημασία των κεντρικών κόμβων και του αριθμού των συνδέσεων σε αυτούς για την ενίσχυση των γνωστικών λειτουργιών υποδεικνύουν και μοντέλα των δικτύων αυτών σε υπολογιστή, που εξελίχθηκαν με χρήση γενετικών αλγορίθμων.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»