ALEKSANDRA BRZOSTEK I IN. ALEKSANDRA BRZOSTEK, PIOTR DZWINIEL abrzostek@st.swps.edu.pl, pdzwiniel@st.swps.edu.pl Szkoła Wyższa Psychologii Społecznej Jak neurobiologiczne mechanizmy leżące u podstaw powstawania rytmu korelują z istnieniem stanów świadomości? 493
Recenzja Recenzent: dr Mateusz Gola Autorzy referatu A. Brzostek oraz P. Dzwiniel pochylają się nad jednym z najstarszych pytań filozofii pytaniem o istotę świadomości. Zarówno pani Brzostak, jak i pan Dzwiniel są studentami Neurokognitywistyki na SWPS. Do problemu podchodzą świadomości z perspektywy neuronauki poznawczej oraz badań nad mózgiem. W przystępny, wciągający Czytelnika sposób przedstawiają bogatą merytorycznie mozaikę naukowych odkryć oraz wciąż weryfikowanych hipotez, z których kolejno wyłaniają się przed nami zagadnienia rytmów biologicznych, ich wpisania się w naturę otaczającego człowieka świata. Wychodząc od koncepcji Thauta, w sposób szczególny przyglądają się rytmom elektrofizjologicznych zapisów pracy mózgu, które obserwujemy od ponad wieku dzięki elektroencefalografii i pomiarom lokalnych potencjałów polowych. W dość przystępny sposób przedstawiają rolę aktywności oscylacyjnej populacji neuronów oraz powiązania tej aktywności z różnymi stanami świadomości. Nawiązując do koncepcji Kocha, pokazują, jaką rolę w procesach świadomego przetwarzania informacji, odgrywa wielomadoalnościowa integracja napływających informacji oraz rywalizacja między jednostkami znaczeniowymi ucieleśnionymi w postaci funkcjonalnie połączonych populacji neuronalnych, których elektryczny ślad aktywności obserwować możemy w postaci oscylacji w paśmie gamma. W pewnym momencie Autorzy, być może nie do końca świadomie przeprowadzają Czytelnika przez pułapkę regresji do nieskończoności, przechodząc od niej do opisu neuroanatomicznego struktur mózgu, bez których świadomość nie może zaistnieć. Mimo że tekst zawiera wiele merytorycznie trudnych zagadnień, Autorzy prezentują je w przystępnej i przyjemnej postaci, która z powodzeniem może być zrozumiała nie tylko dla osób zajmujących się neuronauką. Polecam zapoznanie się z tym tekstem. 494
Streszczenie Według definicji (Thaut, 2008) rytm w najprostszym tego słowa znaczeniu odnosi się do wyraźnych podziałów czasu i przestrzeni w przedziałowe systemy czasowe charakteryzujące się okresowością. Mechanizmy stanowiące jego etiologię wydają się niezbędne do zaistnienia wielomodalnościowego procesu, którego efektem jest świadomość. Nasuwa się więc pytanie jakie są neurobiologiczne korelaty świadomości (Koch, 2004) i jaką rolę w jej powstawaniu odgrywają przedziałowe systemy czasowe? Ponieważ świadomość, jako stan, wymaga nieodłącznego angażowania wielowymiarowego procesu czasowego, niezależnie od modalności, rytm przyjmuje krytyczną rolę w kształtowaniu oraz modulowaniu formy końcowej świadomego postrzegania, operacjonalizacji czy zwykłej introspekcji (Thaut, 2008). Słowa kluczowe: rytm, czas, świadomość, fale mózgowe, oscylacje, synchronizacja, percepcja, potencjały czynnościowe, mózg 495
Czym jest świadomość? Od zarania dziejów ludzie starają się odpowiedzieć na to pytanie, przyjmujące odpowiednio do panującej w danym czasie kultury specyficzne formy. Platon, ojciec koncepcji nieśmiertelnej duszy uwięzionej w śmiertelnym ciele, dał początek ideom dualistycznym, gdzie jakoby nad ciałem fizycznym panuje duch pozbawiony materialnej formy. Widzący, słyszący, czujący, myślący, świadomy duch w maszynie, jak wiele lat później mówił o tym R. Decatres. D. Dennett (1991), współczesny dzisiejszej filozofii, propaguje natomiast koncepcję świadomości iluzorycznej, jakoby ta miała być złożoną iluzją, wytworem zmysłów, podpartą interpretacjami społecznymi i uczeniem się (Koch, 2004). Niektórzy badacze uważają natomiast, że aby wyjaśnić, czym w istocie jest świadomość, konieczne jest sformułowanie całkowicie nowych praw naukowych. Przypuszczam, że każdy z nas czuje, co to znaczy być świadomym. Według J. Searle a (1997): świadomość składa się z tych stanów związanych z wrażeniami, doznaniami lub przytomnością, które rozpoczynają się rankiem, gdy budzimy się ze snu, i ciągną się do chwili, gdy zapadniemy w śpiączkę albo umrzemy, albo znów zaśniemy, albo w inny sposób zapadniemy w stan nieświadomości (s. 25). Mimo że definicja Searle a nie obejmuje wszystkich świadomych doznań, których często nie pamiętamy np. snów, które ciężko jest odróżnić od jawy, to subtelnie wskazuje na wielość procesów składających się na niesamowicie złożony konglomerat pojęcia świadomości. Świadomość pomimo mnogości koncepcji będzie w owej pracy funkcjonowała ostatecznie jako emergentna właściwość neuronów budujących mózg. I tak, przyjmujemy (za: Koch, 2004), że fizyczne podłoże świadomości wynika ze szczególnych oddziaływań między komórkami nerwowymi i ich częściami składowymi, gdzie wybitnie istotnym czynnikiem jest czas, w którym to wszelkie procesy odpowiedzialne za postrzeganie, uwagę, myślenie są nieprzerwanie odzwierciedlane. W niniejszej pracy postaramy się więc zbliżyć do odpowiedzi na pytanie: jak neurobiologiczne mechanizmy leżące u podstaw powstawania rytmu korelują z istnieniem stanów świadomości? O rytmie słów kilka popularnie Jak pisał Thaut (2008): rytm w najprostszym tego słowa znaczeniu odnosi się do wyraźnych podziałów czasu i przestrzeni w przedziałowe systemy czasowe charakteryzujące się okresowością (s. 4). Odgrywa niezbędną rolę m.in. w muzyce jako element odpowiedzialny za czasową organizację utworu. Rytm, krótko mówiąc, organizuje czas. Parncutt (1994) zasugerował, że rytm tworzą swoiste impulsy (pulses) specyficzne dla modalności (np. nuta w utworze), dzieląc upływ czasu regularnymi punktami 496
odniesienia, niezbędnymi dla synchronizacji, która jest fundamentem powstawania rytmu. Dodatkowo, częstotliwość pojawiania się impulsów definiuje jak szybko czas wyrażany przez np. muzykę płynie. Odniesienie do pojęcia muzyki nie jest bynajmniej przypadkowe. I muzykę, i świadomość cechuje wyraźna nieciągłość. Każda usłyszana nuta, każda zauważona cecha danego obiektu (perceptu) jest niezmienna w obrębie pojedynczego okresu przetwarzania (klatki). Innymi słowy, to, czego doświadczamy w danym momencie czasowym, jest niezmienne, stałe, nawet jeżeli bodziec ulega dalszym zmianom (dźwięk E-dur przechodzi w F-mol). Do świadomości jeszcze wrócimy należało jednak naświetlić symbolikę pojęcia rytmu i jego szerokiego wykorzystywania. O rytmie słów więcej neurobiologicznie U podłoża przetwarzania każdej informacji w ludzkim mózgu leży aktywność neuronalna (potencjały czynnościowe), charakteryzująca się różnymi częstotliwościami w zależności od bodźca, kontekstu, sytuacji, stanu organizmu itd. Wzbudzane sieci neuronów tworzą swoiste wzory aktywności czasowej będące nośnikami wszelkich informacji, jakie docierają do organizmu zarówno ze świata zewnętrznego, jak i wewnętrznego. Tak jak w muzyce, tak w mózgu możemy zaobserwować złożoną czasową synchronizację licznych populacji komórek nerwowych, które poddają się rytmicznej oscylacji, różnej w zależności od charakterystyki trwających procesów poznawczych. Od niezaburzonego procesu synchronizacji oscylacji w specyficznych systemach ośrodkowego układu nerwowego, w szczególności kory nowej, zależy poprawne oraz wydajne poznanie, uczenie się czy intencjonalne poruszanie się. Jak to się dzieje, że mózg wpada w rytm? Za odpowiedź niech posłuży przykład prostego eksperymentu. Wygląda to tak: na neuronie (np. kory wzrokowej) mierzymy ilość generowanych impulsów (potencjałów) w danym przedziale czasowym bez obecności bodźców, a potem powtarzamy tę czynność, tyle że z prezentacją jakiegoś bodźca np. błysku światła. Wyniki wskazują, że w zależności od rodzaju i charakterystyki bodźca neuron odpowiada z różną częstotliwością generowanych impulsów. I to może potwierdzać słuszność koncepcji kodowania częstotliwościowego informacji. No dobrze, ale czy utrzymywanie rytmu może cechować całe populacje komórek, a nie tylko pojedyncze neurony? Tak. I tu wraca na scenę pojęcie oscylacji, które krótko mówiąc, są rytmicznymi falami mózgowymi, dającymi się wspaniale monitorować za pomocą elektroencefalogramu (EEG). Dla przykładu, chyba najbardziej popularnym rytmem oscylacyjnym jest rytm alfa, występujący np. u odpoczywającej i nieruchomej osoby, charakteryzujący się częstotliwością w przedziale od 8 do 13 Hz. 497
Neuronalny metronom Powinny też istnieć jakieś mechanizmy odpowiadające za czasowe strojenie struktur neuronalnych czy nie? Wydaje się, że tak jest w istocie, choć dokładne umiejscowienie neuronalnych generatorów rytmu, odpowiedzialnych za powstawanie specyficznych wzorców EEG jest trudne. Z pomocą przychodzi metoda rejestracji lokalnych potencjałów polowych elektrodami umieszczanymi w głębi czaszki, która wykorzystywana w niezliczonych eksperymentach potwierdza występowanie rytmicznych wzorców wyładowań występujących m.in. w hipokampie i niektórych strukturach otrzymujących projekcje zarówno z hipokampa (Koch, 2004), jak i grzbietowej części pnia mózgu (Damasio, 2011), do której wrócimy później. Przy okazji rozprawiania o neuronalnych generatorach rytmu warto krótko wspomnieć o pojęciu synchronizacji, które przewijało się w tekście powyżej, a może być dość mgliste w znaczeniu. Jego wyjaśnienie pomoże również zrozumieć mechanizm powstawania oscylacji i wskaże na ogromne znaczenie czasu w organizowaniu aktywności populacji neuronów oraz pomoże odpowiedzieć na pytanie, jak dochodzi do połączenia tak licznej, rozproszonej aktywności setek tysięcy neuronów w jednolity percept (np. reprezentację twarzy), gdy wszystkie potencjały czynnościowe wyglądają zgoła identycznie. Von der Malsburg (za: Koch, 2004) wysunął hipotezę, że mózg rozróżnia poszczególne grupy neuronów dzięki synchronizacji ich aktywności. Neurony danej grupy, przetwarzającej dany percept wyładowują się w tym samym czasie, ale nie są zsynchronizowane z neuronami innych grup. Poza tym stopień oraz prawdopodobieństwo zsynchronizowania aktywności są odwrotnie proporcjonalne do odległości między komórkami (im dalej od siebie, tym słabsza synchronizacja). Warto też nadmienić, że w układzie o tak silnym sprzężeniu zwrotnym, jakim jest mózg, synchronizacja aktywności komórek nerwowych pozostaje w ścisłym związku z istnieniem oscylacji. Neuronalne korelaty świadomości (NKŚ) Cytując Kocha (2004) Gdy informacja jest reprezentowana w NKŚ, jesteś jej zawsze świadom. W badaniach zmierzamy do wyodrębnienia najmniejszego zbioru zjawisk neuronalnych i mechanizmów, który wystarcza do powstania swoistego, świadomego perceptu (s. 29). W szeregu badań Koch dowodzi, że zsynchronizowane oscylacje na poziomie częstotliwości 40 Hz w grupach neuronów odpowiadających aktywnością na jakiś obiekt, na którym skupia się uwaga, mogą świadczyć o tym, 498
że taka grupa komórek może być czynnikiem wspomagającym NKŚ. Synchronizacje pomagają tworzącej się koalicji neuronów w osiągnięciu przewagi nad innymi koalicjami. Kiedy taka koalicja zwycięży, a jej cechy zostaną uświadomione, może ona utrzymywać się jeszcze przez pewien czas w świadomości. Dyskretna percepcja Z uwagi na fizjologiczne właściwości budowy komórek nerwowych i składających się z nich całych sieci oraz struktur, z uwagi na sposób przesyłania przez nie między sobą informacji (potencjały czynnościowe), nasuwa się myśl, że postrzeganie, świadomość ma charakter nieciągły. Składa się z osobnych przedziałów czasu, momentów percepcyjnych (klatek). Subiektywne życie człowieka byłoby w tej koncepcji zatem nieprzerwaną sekwencją takich klatek, błysków świadomości, kończącą się w chwili zapadnięcia w głęboki sen, śpiączkę czy zakończone śmiercią. Poszczególnym momentom percepcyjnym towarzyszą stałe percepty kształtu, koloru i ruchu zmienne w czasie, ale niezmienne w danym punkcie kontinuum czasu. Widać to wyraźnie podczas skupiania przez osobę uwagi na jakimś bodźcu, kiedy to ów proces charakteryzuje się pewną dynamiką i stopniem regularności rytmicznego pojawiania się i zanikania świadomego postrzegania, które pulsuje do momentu osiągnięcia stanu quasi-stabilnego (zwycięstwa koalicji danej sieci neuronów; Koch, 2004). Taki przebieg cechuje większość procesów neuronalnych, które rozwijają się, narastają stopniowo w czasie, będąc istotnym czynnikiem niezbędnym do zaobserwowania NKŚ, za których nieciągłym charakterem przemawiają również liczne dane psychologiczne wskazujące na zmienny czas trwania pojedynczej klatki percepcyjnej, mieszczący się w przedziale między 20 a 200 ms, w zależności od czynników leżących u źródła powstawania stanów świadomości. Interesujący jest też fakt, że mózg potrafi odróżnić np. obraz zwierzęcia od innych obrazów w ciągu 150 ms, a świadome zobaczenie zwierzęcia trwa już co najmniej 250 ms. Te dodatkowe 100 ms świadczy, że percepcja ma charakter rewizjonistyczny, opóźniony w stosunku do rzeczywistości. Tutaj warto również wspomnieć, że aby zaistniało świadome wrażenie, niezbędna jest aktywność w pętli sprzężenia zwrotnego danej koalicji komórek w celu przekroczenia określonego progu neuronalnej aktywności, co zostało potwierdzone przez doświadczenia Libeta (1993). 499
Rytm świadomości W swoim wystąpieniu z 2011 roku A. Damasio przez 18 min rozwodził się nad misterium świadomości. Oczywiście prócz idei głoszących jakoby świadomość była zjawiskiem całkowicie wtórnym do aktywności neuronalnej, Damasio wspomniał również o wielkiej wadze funkcjonalnej górnej części pnia mózgu. Badania kliniczne prowadzone przez jego kolegów wskazywały mianowicie, że z uszkodzeniem górno- -brzusznej części pnia mózgu człowieka wiąże się permanentny paraliż całego ciała. Co ciekawe, rzecz ma się inaczej po uszkodzeniu górno-grzbietowej części pnia mózgu. Co się wtedy dzieje? Ginie świadomość. Kompletnie, całkowicie i nieodwracalnie tracimy świadomość. Świadomie nie widzimy, nie słyszymy, nie czujemy, nie istniejemy, choć mózg dalej działa i fizjologicznie żyjemy. Próbując odpowiedzieć na pytanie, dlaczego tak się dzieje, Damasio zbadał połączenia owych dwóch części pnia mózgu z resztą tkanki mózgowej. Co się okazało, brzuszna część pnia mózgu zbiera informacje z ciała i reszty mózgu, a grzbietowa część informacje wysyła. Jaki ma to związek z istnieniem stanów świadomości? Hipotez jest wiele od teorii funkcji rozruchowej grzbietowej części pnia mózgu począwszy. Jak neurobiologiczne mechanizmy leżące u podstaw powstawania rytmu korelują z istnieniem stanów świadomości? Odpowiedzieliśmy na pytanie, czym jest rytm, jakie są jego składowe i jak powstaje w układzie nerwowym. Potencjały czynnościowe neuronów poprzez synchronizację aktywności tworzą oscylacje, które w rytmach o różnej częstotliwości zależnej od kontekstu korelują z naszym zachowaniem i stanami świadomości. W czasie czuwania, siedząc nieruchomo fale alfa, przy wzmożonej aktywności uwagowej fale gamma itd. Nakreśliliśmy również charakterystykę neuronalnych korelatów świadomości. Opierając się na badaniach cytowanych autorów, okazuje się, że świadomość ma charakter nieciągły, klatkowy, rytmiczny i okresowy, gdzie długość trwania percepcyjnej klatki zależy od kontekstu, sytuacji i bodźca. W poszukiwaniu odpowiedzi na pytanie będące powodem napisania tej pracy nie można pominąć przesłanek (potwierdzanych przez liczne eksperymenty z wykorzystaniem techniki rejestracji lokalnych potencjałów polowych (Koch, 2004) dla istnienia neuronalnych metronomów wybijających rytm dla mózgu jako układu fizjologicznego i wypadkowej jego aktywności, czyli świadomości. Czy ich aktywność jest pierwotna, czy wtórna? Nie ma na to jednoznacznej odpowiedzi. Temat świadomości jest tematem niezwykle intrygującym i ciągle pozostającym bez odpowiedzi na większość stawianych pod nim pytań. Pewne jest natomiast to, że do zaistnienia stanów świadomości niezbędna jest zsynchronizowana aktywność neuronalna zwycięskiej koalicji komórek, która przybiera formy rytmicznej oscylacji 500
o specyficznej częstotliwości w zależności od bodźca. I tak jak w każdym utworze pojedyncza nuta oznacza tyle co nic, tak w układzie nerwowym trzeba czegoś więcej, aniżeli pojedynczego potencjału czynnościowego do zaistnienia złożonych procesów poznawczych. Kompozycja świadomości wymaga współistnienia wielomodalnościowego rytmicznego przetwarzania informacji, które będą odpowiednio organizowane w czasie i przestrzeni, dając miejsce narodzinom platońskiego nieśmiertelnego ducha w śmiertelnym ciele świadomości. Bibliografia Damasio, A. (2011). Czym jest świadomość? Pobrane z: http://www.ted.com/talks/lang/en/ antonio_damasio_the_quest_to_understand_consciousness.html. Denett, D. (1991). Consciousness explained. Boston: Little & Brown. Koch, Ch. (2004). Neurobiologia na tropie świadomości. Warszawa: Wydawnictwo Uniwersytetu Warszawskiego. Libet, B. (1993). Neurophysiology of consciousness: Selected papers and new essays by Benjamin Libet. Boston: Birkhauser. Parncutt, R. (1994). A perceptual model of pulse salient and metrical accent in musical rhytm. Music perception, 11, 409 464. Searle, J. R. (1997). The mystery of consciousness. New York: The New York Review of Books. Thaut, M. H. (2008). Rhytm, music, and the brain. New York: Taylor & Francis. 501