Funkcjonalna budowa mózgu opiera się na współpracy wielu wewnętrznych systemów, które odpowiadają za przetwarzanie informacji odbieranych za pomocą narządów zmysłów. Można więc mówić o wewnętrznym systemie odpowiedzialnym za analizę bodźców wzrokowych, słuchowych czy dotykowych. Mózg nie jest jednak biernym odbiorcą informacji docierających do niego ze świata zewnętrznego. Psychologia i neuronauka zakładają raczej, że mózg jest układem generatywnym – tworzy wewnętrzne reprezentacje świata na podstawie dostępnej wiedzy i wcześniejszych doświadczeń. Teoria kodowania predyktywnego zakłada, że mózg „przewiduje” to, co zobaczy w niedalekiej przyszłości na podstawie kontekstu danej sytuacji. Dopiero na następnym etapie informacje są dodatkowo analizowane i uzupełniane przez wyspecjalizowane ośrodki w mózgu. Zapewnia to szybkość reakcji, a więc jest ergonomiczne i ułatwia funkcjonowanie w świecie pełnym różnorodnych bodźców.

Mogłoby się wydawać, że powyższa zasada znajduje zastosowanie jedynie w przypadku bodźców docierających do układu nerwowego z otoczenia zewnętrznego. Okazuje się jednak, że podobny proces może wspomagać odbiór wrażeń interoceptywnych, czyli pochodzących z wnętrza ciała. Zalicza się do nich autonomiczne funkcje trzewne i naczyniowe oraz zmiany neuroendokrynne i neuroimmunologiczne. Z kontrolą wrażeń interoceptywnych wiąże się pojęcie allostazy (z greckiego – stabilność poprzez zmiany). Jest to proces, przez który mózg utrzymuje stałość środowiska wewnętrznego dzięki efektywnemu gospodarowaniu energią. Badacze zajmujący się zagadnieniem allostazy coraz częściej sugerują, że dla właściwego przebiegu tego procesu kluczowe znaczenie może mieć właściwa predykcja sygnałów interoceptywnych.

Eksperymentalny opis mózgowego systemu allostatyczno-interoceptywnego

Na łamach ‘Nature Human Behaviour’ opubikowane zostały badania, w których naukowcy zidentyfikowali anatomiczne oraz funkcjonalne składowe systemu allostatyczno-interoceptywnego (Kleckner i in., 2017). Eksperymenty z zastosowaniem technik funkcjonalnego neuroobrazowania przeprowadzono na małpach i ludziach. Aby lepiej zrozumieć ideę badań, warto odwołać się do tzw. modelu EPIC (ang. Embodied Predictive Interoception Coding), za pomocą którego autorzy już wcześniej próbowali tłumaczyć proces kodowania predyktywnego w kontekście interocepcji (Barrett i Simmons, 2015). Model zakłada, że proces „przewidywania” trzewno-ruchowego inicjowany jest w obszarze zakrętu obręczy oraz przedniej części wyspy. Następnie sygnał przekazywany jest do podwzgórza, istoty szarej okołowodociągowej oraz jąder pnia mózgu, które kontrolują stan środowiska wewnętrznego organizmu. W tym samym czasie przekazywany jest także sygnał „antycypacyjny”, który biegnie do obszarów korowych w grzbietowo-przyśrodkowej i tylnej wyspie. Istnieje więc dynamiczny system pozwalający na zachowanie równowagi między zasobami autonomicznymi, metabolicznymi i immunologicznymi, który jednocześnie uwzględnia wymagania organizmu pochodzące z osobistego doświadczenia.

W ramach najnowszych badań Kleckner i współpracownicy zidentyfikowali kluczowe obszary korowe odpowiedzialne za allostatyczną kontrolę wewnętrznego środowiska organizmu. Szczegółowo wyróżnili kilka subregionów kory zakrętu obręczy i wyspy. Dodatkowo wskazali na znaczenie przedniej kory orbitofrontalnej oraz jednego obszaru podkorowego – grzbietowej części ciała migdałowatego. Na kolejnym etapie badań zespół ocenił siłę połączeń wewnątrz proponowanej sieci za pomocą pomiaru sygnału BOLD (przepływ utlenionej krwi będący miarą aktywności różnych obszarów mózgu) podczas wykonywania przez osoby badane zadań związanych z interocepcją. Pozwoliło to autorom zaproponować, w jaki sposób zbudowana jest sieć odpowiedzialna za regulację wewnętrznej energii organizmu, która uwzględnia proces „przewidywania” wrażeń interoceptywnych. Wyniki badań wskazują, że jest to układ bardzo złożony, opierający się zarówno na połączeniach korowych, jak i podkorowych, angażujący takie obszary jak wzgórze, podwzgórze, hipokamp, ciało migdałowate, brzuszne prążkowie, móżdżek, istota szara okołowodociągowa, jądro pasma samotnego i boczne jądro przyramienne. Kleckner i in. (2017) eksperymentalnie wykazali także, że osoby odznaczające się silnymi połączeniami w ramach opisanej sieci, wykazują lepsze reakcje interoceptywne towarzyszące   wahaniom funkcji autonomicznych. Przykładowo – siła połączenia między grzbietowo-przednimi częściami kory zakrętu obręczy i wyspy wydaje się odpowiadać poziomowi zgodności między subiektywnym poczuciem pobudzenia a obiektywnym wskaźnikiem przewodnictwa skórnego w odpowiedzi na prezentację zdjęć o zabarwieniu emocjonalnym.

Dotychczasowe wnioski i nowe perspektywy

Autorzy badań twierdzą, że allostaza jest fundamentalnym procesem układu nerwowego. Uważają, że wszelkiego rodzaju „wyższe funkcje” mózgu (jak pamięć czy podejmowanie decyzji) zależą od tego procesu. Jest to bardzo odważna hipoteza i na obecnym etapie może budzić wiele wątpliwości. Autorzy zaprezentowali szereg interesujących wyników uzyskanych dzięki zastosowaniu zaawansowanych metod neuroobrazowania i modelowania sieci neuronalnych. Poza danymi eksperymentalnymi prezentują  śmiałą teorię dotyczącą identyfikacji złożonego systemu mózgowego odpowiedzialnego za efektywne gospodarowanie energią. Do pełnego wyjaśnienia mechanizmów działania takiej sieci oraz określenia, jaką rolę w tym wszystkim odgrywa kodowanie predyktywne z pewnością potrzeba kolejnych badań. Opis funkcjonowania wewnętrznego systemu allostatyczno-interoceptywnego byłby interesującym punktem wyjścia do postawienia kolejnych hipotez, dotyczących chociażby znaczenia tego systemu w patogenezie zaburzeń funkcjonowania fizycznego i psychicznego. W dyskusji wyników autorzy podkreślają, że atrofia i dysfunkcje w obrębie różnych części opisanego przez nich układu są także neurobiologicznym substratem szeregu zaburzeń psychicznych. Zrozumienie tego, w jaki sposób relacja umysł-ciało zależy od mechanizmów interocepcji i allostazy mogłoby znacząco rozwinąć wiedzę na temat kluczowych zagadnień współczesnej medycyny, w tym warunków współwystępowania chorób somatycznych i zaburzeń psychicznych oraz znaczenia psychiki w patogenezie i terapii różnych jednostek chorobowych.

Na podstawie:

Kleckner, I., Zhang, J., Touroutoglou, A., Chanes, L., Xia, C., Simmons, W. K., Quigley, K., Dickerson, B. i Barrett, L. (2017). Evidence for a Large-Scale Brain System Supporting Allostasis and Interoception in Humans. Nature Human Behaviour 1.

Barrett, L. F. i Simmons, W. K. (2015). Interoceptive predictions in the brain. Nature Reviews Neuroscience, 16(7), 419-429.