Analogicznie do tranzystorów w procesorze pracę większości neuronów znajdujących się w mózgu człowieka można opisać, w pewnym uproszczeniu, uwzględniając dwa stany. Neuron spoczywa albo odpala, a konkretniej: gdy neuron osiągnie pewien próg pobudzenia, lawinowo zwiększa się jego ładunek elektryczny. Impuls ten wędruje z ciała neuronu wzdłuż jego aksonu i podawany jest do przyłączonych do niego za pomocą synaps kolejnych neuronów (w sumie w naszych mózgach znajdują się setki trylionów połączeń synaptycznych pomiędzy blisko 100 mld neuronów). Między mózgiem a komputerem istnieją jednak poważne różnice. Dostęp do danych zawartych w pamięci operacyjnej (RAM) zajmuje komputerowi niecałą nanosekundę, czyli mniej niż jedną miliardową część sekundy, natomiast działanie neuronów mierzone jest w milisekundach, czyli tysięcznych częściach sekundy. Mózg jest zatem mechanizmem znacznie wolniejszym od współczesnego komputera. Ponadto jedną z głównych cech tzw. maszyny Turinga, która stanowi matematyczny model komputera, jest działanie krok-po-kroku, mózg zaś przetwarza informacje w sposób wysoce równoległy i rozproszony – wiele jego części wykonuje operacje naraz.
Kolejna różnica jest nieco bardziej subtelna. Każdy, kto choć raz zdjął obudowę swojego komputera, wie, że jego wnętrze skrywa różne układy. Na płycie głównej umieszczone są procesor, dysk twardy, pamięć RAM, karta sieciowa, graficzna, dźwiękowa itd. Każdy z tych układów ma ściśle określoną funkcję, której nie mogą pełnić inne. Jeśli wymontujemy kartę dźwiękową, nasz komputer stanie się niemy. Mózg również składa się z anatomiczno-funkcjonalnych modułów, co oznacza, że w typowych warunkach poszczególne jego części wykonują specyficzne operacje – płat potyliczny odpowiada za percepcję i wyobraźnię wzrokową (przypomina więc kartę graficzną), płat skroniowy za słuch (analogicznie do karty dźwiękowej), a płat czołowy, w szczególności kora przedczołowa, umożliwia kontrolę nad wyższymi procesami poznawczymi, co, w dużym uproszczeniu, odpowiada procesorowi komputera.
W przeciwieństwie do komputera mózg jest jednak plastyczny. W przypadku urazu funkcje uszkodzonych części mogą zostać do pewnego stopnia skompensowane czy też przejęte przez inne partie mózgu.
Co więcej, plastyczność mózgu i nasz proces uczenia się to dwie strony tej samej monety. Zgodnie ze sformułowaną z końcem I poł. XX w. przez Donalda Hebba regułą: „Neurony, które aktywują się razem, łączą się”. Innymi słowy, połączenia synaptyczne pomiędzy dwoma neuronami zostają wzmocnione, gdy neurony te aktywowane są w krótkim odstępie czasowym. Akumulacja tego typu niewielkich efektów prowadzi do zmian obserwowalnych na poziomie całych struktur mózgowych.
Każda nowa porcja zdobytej wiedzy wręcz odciska się w naszym mózgu. Dobitnie świadczy o tym badanie pokazujące, że wraz ze stażem zawodowym u londyńskich taksówkarzy zwiększała się u nich objętość hipokampa, czyli struktury mózgowej zaangażowanej w pamięć przestrzenną.
Analizy przeprowadzone przez zespół pod kierunkiem Christophera Fritha zostały opublikowane jeszcze przed erą powszechnego użycia GPS, kiedy to taksówkarze jednego z najbardziej skomplikowanych miast świata musieli polegać na swoich wewnętrznych mapach.
Zjaw isko plastyczności pozwala nam spojrzeć krytycznie na często powtarzany, i to nawet przez zawodowych kognitywistów, mit, zgodnie z którym umysł ma się do mózgu komputera tak jak program (software) do sprzętu, w którym go zainstalowano (hardware). Choć podział na hardware i software nie zawsze jest jasny, na co dzień doświadczamy tego, że możemy zainstalować interesujący nas program na dowolnym komputerze, jeśli tylko spełnia on wymagania sprzętowe. Jeśli tak, to czy kiedyś ludzki umysł uda się przenieść do komputera, niczym w filmie Transcendencja z 2014 r. z Johnnym Deppem w roli głównej? Wątpię. Fizycznie komputer nie zmienia się od tego, że zainstalujemy w nim nowy program. W przypadku mózgu jest inaczej. Jak zauważa neuronaukowiec poznawczy Russell Poldrack: „W mózgu sprzęt i oprogramowanie są nierozdzielne; program jest przechowywany w połączeniach pomiędzy neuronami, a gdy się uczymy, dzieje się to poprzez zmiany w tych połączeniach”. Mit umysłu-jako-programu okazuje się wręcz nową wersją dualizmu Kartezjusza, traktującego „rzecz myślącą” (res cogitans) i „rzecz rozciągłą” (res extensa) jako odrębne, choć wchodzące ze sobą w tajemnicze interakcje byty. Robert Clowes i współpracownicy trafnie zauważyli: „Jeśli mamy szukać głównej przyczyny tej zmiany [tj. odejścia od kartezjanizmu], to nie w rozwoju i prowadzeniu argumentacji filozoficznej, ale w rozwoju nauki i – co szczególnie interesujące – technologii. Rozwój ten sprawił, że dualistyczny schemat pojęciowy stał się stopniowo coraz trudniejszy do utrzymania”.
W kontekście odejścia od dualizmu, czy to kartezjańskiego, czy to wizji umysłu-jako-programu, mówi się wręcz o rewolucji naukowej, porównywalnej z przewrotem kopernikańskim. Rewolucja ta zupełnie zmieniła kategorie, w jakich postrzegamy i opisujemy nasze myśli i uczucia, a zatem siebie samych. Filozof neuronauki John Bickle broni przy tym tezy, że głównym motorem rewolucji naukowych jest opracowywanie nowych narzędzi i instrumentów pomiarowych. Dzieje badań nad mózgiem są świetnym przykładem tej prawidłowości. Zanim powstały jednak współczesne skanery, ujawniające strukturę i funkcjonowanie mózgu, trzeba było wielu stuleci mozolnych badań.
Od frenologii do neuropsychologii
Choć dla starożytnych Greków mózg nie był „narządem myślenia” (według Arystotelesa było nim serce), poczynili oni jednak spore postępy w zakresie neuroanatomii. Lekarze aleksandryjscy w III w. p.n.e. koncentrowali swoje badania prowadzone post mortem na móżdżku i oponach mózgowych oraz zdołali opisać nerwy wzrokowe, okulomotoryczne, trójdzielne, twarzowe i słuchowe. Herofilos z Chalcedonu był prawdopodobnie pierwszym uczonym, który uznał mózg za główną strukturę kontroli nad całym organizmem. Jaki jest jednak wpływ poszczególnych części mózgu na nasze zachowanie? Na próbę odpowiedzi na to pytanie czekać trzeba było aż do XVIII w., kiedy pojawiła się frenologia, z jej głównym przedstawicielem, austriackim medykiem i psychologiem Franzem Josephem Gallem (1758–1828). Gall postawił śmiałą tezę. Mózg składa się z wielu „organów”, które tak jak w reszcie ciała mają dobrze określone funkcje. Część z tych funkcji wspólna jest wielu zwierzętom, zaś inne są specyficznie ludzkie. Za siedlisko kluczowej z nich, racjonalności, uznał on płaty czołowe, gdyż u zwierząt innych niż człowiek są one słabiej rozwinięte. Regularnie odwiedzał wiedeńskie placówki medyczne, gdzie bacznie przyglądał się osobom z chorobami psychicznymi, szukając anatomicznych oznak towarzyszących symptomom. Czytał liczne biografie słynnych osób, oglądając ich pośmiertne maski. W ten sposób poszukiwał wystających elementów głowy, które korelował z charakterystycznymi dla obdarzonych nimi osób cechami psychicznymi, wierząc, że ugruntowane są one w zlokalizowanych pod czaszką, konkretnych obszarach mózgowych. Za oznakę świetnej pamięci uznał wyłupiaste oczy, z czego wywnioskował, że organem pamięci jest część mózgu znajdująca się w ich okolicy (jak dziś byśmy powiedzieli: kora oczodołowo-czołowa). O ile w przypadku racjonalności Gallowi można przyznać trochę racji, o tyle mylił się w przypadku pamięci.
###banner###
Kluczową metodą Galla nie była jednak obserwacja. Przy każdej nadarzającej się sposobności dotykał on głów ludzi, by poznać kształt ich czaszek. Na tej podstawie Gall opisał i ponumerował niemal 30 cech umysłowych, takich jak mowa, religijność, odwaga, wytrwałość, skłonność do kradzieży, przyjaźń, miłość, uzdolnienia matematyczne, muzyczne, poetyckie i aktorskie oraz zmysł przestrzenny. Wszystkim im przypisał organy mózgowe. Wykłady i spotkania dyskusyjne z Gallem cieszyly się dużą popularnością, można wręcz powiedzieć, że stał się naukowym celebrytą swoich czasów. Słuchali go kanclerz Metternich i Goethe. Tezy Galla nie spodobały się jednak cesarzowi Franciszkowi II Habsburgowi, który zabronił mu wystąpień publicznych, przez co lekarz musiał przenieść się do Francji. Zyskał tam jeszcze większą sławę niż w swoim kraju, a frenologia przekształciła się w popularny w całej Europie ruch społeczny.
Oceny frenologii są różne. Z jednej strony Gallowi można łatwo zarzucić przedkładanie rozgłosu nad ścisłość naukową oraz zapisywanie tylko wniosków potwierdzających z góry założone tezy. Z drugiej strony, jak pisze historyk neuronauki Andrew Wickens: „Mimo wielu wad frenologia stanowi punkt w historycznym rozwoju neuronauki, w którym nastąpiło istotne zerwanie z dogmatami i założeniami przeszłości. W konsekwencji miała ona decydujące znaczenie dla sformułowania bardziej nowoczesnego sposobu rozumienia mózgu”. Dzieło Galla zainspirowało francuskiego uczonego Pierre’a Gratioleta (1815–1865) do studiów nad korą mózgową, co doprowadziło go w końcu do „podręcznikowego” podziału na pięć płatów mózgowych. „Nowoczesny sposób rozumienia mózgu”, wspomniany przez Wickensa, przejęli francuski chirurg i antropolog Paul Broca (1824–1880), który zaobserwował związek uszkodzeń lewej okolicy czołowej z zaburzeniami mowy, oraz niemiecki psychiatra i neurolog Carl Wernicke (1848–1905), który wykazał, że zaburzenia mowy występują w przypadkach uszkodzeń płata skroniowego. Dziś ci uczeni uznawani są za pionierów neuropsychologii, a odkryte przez nich ośrodki generowania i rozumienia mowy zyskały nazwy od ich nazwisk.
Mózg w skali mikro
Równolegle do badań nad anatomią mózgu w skali makro stawiane były pierwsze kroki w badaniu neuronów. Czeski fizjolog Jan Evangelista Purkyně (1787–1869) w 1837 r. po raz pierwszy obserwował pod mikroskopem i opisał komórkę nerwową. Charakteryzowała się tym, że z jednej strony jej ciała wyrastały rozgałęziające się wypustki (nazwa dendryty pochodzi od greckiego dendron – drzewo), z drugiej strony zaś wychodziło długie włókno (akson). Odkrycie Purkyněgo spotkało się z niedowierzaniem, ponieważ w owym czasie dominował pogląd, że mózg jest w istocie jednolitą substancją. Jego tezę, że mózg skonstruowany jest jednak z samodzielnych „cegiełek”, potwierdził w 1888 r. hiszpański histolog Santiago Ramón y Cajal (1852–1934), który zaobserwował, że poszczególne neurony nie są ze sobą zrośnięte, ale dzieli je maleńka szczelina. Choć od dawna przypuszczano, że komunikacja w mózgu zachodzi na drodze elektrycznej – już w 1780 r. włoski lekarz i fizyk Luigi Galvani odkrył, że mięśnie martwych żab drgają pod wpływem porażenia prądem – musiało upłynąć jeszcze półtora stulecia, by poznano zarys mechanizmu tej komunikacji oraz by zarejestrowano pierwsze jej sygnały u żyjących organizmów.
W 1940 r. Birdsey Renshaw i jego zespół odkryli w hipokampie…
