Jak mózg „widzi”?

Popatrzmy przez chwilę wokół siebie. Co widzimy? Być może pokój z kolorowymi ścianami, obrazami, drzwiami i oknami. Jednak cokolwiek dostrzegamy, jedno jest jasne – zbiór komórek w oku i mózgu przemienił dochodzące z otoczenia światło w spójny obraz. W ciągu kilku ostatnich lat naukowcy zaczęli tworzyć zdumiewająco szczegółowy wizerunek przebiegu tego procesu.

Zaczyna się on, gdy światło wpada do oka i ogniskuje się na siatkówce leżącej na tylnej ściance gałki ocznej. Tam, w komórkach zwanych pręcikami i czopkami (ze względu na ich kształty), energia światła przekształcana jest w sygnał nerwowy. W tym punkcie kończy się rola zewnętrznego otoczenia. Przejmują ją na siebie mechanizmy mózgu i układu nerwowego. Zasadnicze pytanie: w jaki sposób te początkowe impulsy nerwowe z siatkówki przekształcane są w obraz?

Od początku dwudziestego wieku naukowcy wiedzą, że podstawowymi jednostkami układu nerwowego są komórki zwane neuronami. Każdy z wielu typów neuronów ma centralne ciało komórkowe, zbiór wypustek (zwanych dendrytami) odbierających sygnały z jednego zespołu neuronów, i długie włókno zwane aksonem, którym sygnały są przekazywane do innego zespołu. Neuron jest elementem jednokierunkowym, typu „wszystko albo nic” – gdy (w procesie, którego nie rozumiemy) otrzymuje prawidłowy zestaw sygnałów od swych dendrytów, wówczas następują wyładowania i sygnał jest wysyłany po aksonie. Dla naukowców zajmujących się mózgiem problem stanowi zrozumienie, jak zespół komórek o takich właściwościach może tworzyć obrazy świata zewnętrznego.

Pierwszy etap przetwarzania danych przenoszonych przez światło następuje w dwóch warstwach komórek siatkówki (zastanawiające jest to, że komórki te umieszczone są przed pręcikami i czopkami i stanowią przeszkodę dla dochodzącego światła). Komórki te połączone są w taki sposób, że gdy „widzą” one jasną kropkę z ciemną obwódką, od określonego zespołu komórek dojdzie do mózgu silny impuls, w przeciwnym wypadku zespół prześle słaby sygnał. Inny zespół komórek wysyła silny sygnał, gdy widzi ciemną plamkę z białą obwódką, a słaby sygnał w przeciwnym razie. Zatem sygnał dochodzący aksonami do mózgu składa się z impulsów, które w istocie rozbijają pole widzenia na szereg jasnych i ciemnych plamek.

Sygnały te dochodzą do pierwotnej kory wzrokowej w tylnej części mózgu i od tego właśnie miejsca układ nastawiony jest na przetworzenie zbioru kropek z powrotem w spójny obraz. Sygnały docierają do zespołu komórek w określonej warstwie kory wzrokowej, umieszczonej w płacie potylicznym mózgu. W każdej z komórek tego zespołu dojdzie do wyładowania, gdy otrzyma ona silne sygnały z pewnego podzespołu komórek siatkówki. Na przykład jedna z komórek kory mózgowej uaktywnia się, gdy otrzyma sygnały odpowiadające grupie ciemnych kropek nachylonej pod kątem 45 stopni. W wyniku tego komórka ta „dostrzega” nachyloną ciemną krawędź w polu widzenia. Inne komórki będą przekazywać impuls z powodu jasnych krawędzi, krawędzi nachylonych pod różnymi kątami i tak dalej. Sygnał wyjściowy z tych komórek przechodzi z kolei do innych komórek (być może w innych częściach mózgu) w celu dalszej integracji.

Tak więc procesowi widzenia daleko do prostoty. Neurony wyładowują się i przesyłają informację w górę łańcucha komórek, podczas gdy jednocześnie sygnały na zasadzie sprzężenia zwrotnego przechodzą z powrotem w dół i oddziałują na komórki niższych poziomów. Rozpracowanie szczegółów tych skomplikowanych powiązań stanowi jeden z ważnych kierunków badań. Innym jest podążanie w górę tego łańcucha, do coraz bardziej wyspecjalizowanych neuronów. Na przykład w płatach skroniowych występują neurony, w których dochodzi do wyładowania jedynie wówczas, gdy otrzymają sygnały odpowiadające ustalonym, ściśle określonym wzorcom – jeden zespół komórek może doznawać silnych wyładowań w odpowiedzi na obraz ciemnego okręgu z przecinającą go poziomą linią, inny na kształt gwiazdy, jeszcze inne na zarysy kwadratu i tak dalej. Neurony na wyższych poziomach łańcucha tworzą przypuszczalnie kombinacje sygnałów wyjściowych z tych komórek, budując coraz bardziej skomplikowane wersje obrazów w polu widzenia.

Tak więc nasz obraz świata zewnętrznego budowany jest w mózgu kolejnymi aktami scalania elementów wizualnych. W którym miejscu proces ten się kończy? Niektórzy neurolodzy mówili o istnieniu „komórki babci” – tej jednej komórki w mózgu, w której nastąpi wyładowanie, gdy wszystkie bodźce gotowe są do odtworzenia obrazu babci. Chociaż to proste wyjaśnienie popadło w niełaskę, jest prawdopodobne, że w następnej dekadzie naukowcy będą mogli prześledzić cały szlak fizycznych połączeń od czopków i pręcików do neuronów w mózgu, tworzących końcowy obraz. Inni naukowcy usiłują właśnie zlokalizować komórki w płacie czołowym, w których wyładowanie następuje podczas aktywacji pamięci krótkotrwałej. Praca ta zapoczątkowuje następny etap w pojmowaniu procesu widzenia – wyjaśnienie, w jaki sposób rozpoznajemy obiekt, którego obraz został wytworzony.

Lecz nawet wtedy, gdy wszystkie ścieżki neuronowe zostaną prześledzone i sprawdzone, pozostanie kwestia najbardziej intrygująca ze wszystkich: kto jest tym „Ja”, który widzi wszystkie te obrazy? Aby odpowiedzieć na to pytanie, będziemy musieli poznać więcej niż tylko obwody nerwowe – będziemy musieli zrozumieć samą świadomość.