Mózg jest z pewnością najbardziej niezwykłym organem w ludzkim ciele. To dzięki mózgowi jesteśmy w stanie odbierać i przetwarzać informacje zarówno ze świata zewnętrznego, jak i z wnętrza naszego ciała. To mózg właśnie odpowiada za nasze przetrwanie poprzez adaptację organizmu do nieustannie zmieniających się warunków otaczającego świata. Wymaga to umiejętnego wykrywania wzorców i relacji pomiędzy różnymi zjawiskami, a także ciągłego aktualizowania wiedzy o świecie. Mózg skutecznie przekształca napływające z otoczenia informacje we wspomnienia, pojęcia i zachowania motoryczne. Jak on to robi? Zważywszy na fakt, że zbudowany jest z około 86 miliardów neuronów, a każdy neuron ma dziesiątki tysięcy synaps (co w sumie daje około stu trylionów połączeń synaptycznych) – odpowiedź na to pytanie z pewnością nie może być prosta.  

Teoria zespołów komórkowych Hebba

Niewątpliwie przydatną w zrozumieniu tego, jak neurony się łączą ze sobą tak, by umożliwić rozpoznawanie wzorców i przyswojenie wiedzy pojęciowej, okazała się zaproponowana przez Hebba teoria zespołów komórkowych (cell assemblies). Jak wskazuje sama nazwa, zespół komórkowy stanowi grupę neuronów, które na skutek procesu uczenia się (wielokrotnego równoczesnego wyładowania komórek nerwowych) mają ze sobą silne połączenia. Pobudzenie którejkolwiek z części zespołu (np. na skutek wskazówki o przypomnieniu sobie czegoś) prowadzi do aktywizacji całego zespołu – przywołania wspomnienia.

A co jeśli zespoły komórkowe są ze sobą połączone w ściśle określony sposób? I co jeśli logikę tych połączeń można ująć w jednej formule matematycznej? Brzmi jak wątek z książki science-fiction? Nic bardziej mylnego. W myśl teorii łączliwości (theory of connectiveness) jest to całkiem możliwe.

Teoria łączliwości

Zgodnie z zaproponowaną przez profesora Tsiena (2015) teorią, w mózgu istnieją podstawowe sieci neuronalne, tzw. kliki (cliques) – podgrupy podstawowych neuronów projekcyjnych. Kliki te łączą się w tzw. motywy funkcjonalnej łączliwości (functional connectivity motive, FCM). Co ciekawe połączenia te ująć można w jednym zgrabnym wzorze matematycznym: N = 2ⁱ – 1, gdzie N – to liczba różnych klik w obrębie jednego FCM, a i – rodzaje otrzymywanych przez nie informacji. Kliki nastawione są na odbieranie zarówno informacji specyficznych, jak i tych coraz bardziej konwergentnych, tak, aby systematycznie uwzględnić wszystkie możliwe kombinacje.

Jak to wszystko rozumieć? Weźmy dla przykładu bardzo proste (hipotetyczne) zwierzę, które ma tylko dwie potrzeby – jedzenia i spółkowania. Zgodnie z przedstawionym powyżej wzorem (i=2, ponieważ istota ta rozpoznaje tylko dwa rodzaje bodźców), zwierzę to będzie miało trzy kliki (N = 2² – 1): „jedzenia”, „spółkowania” oraz „jedzenia i spółkowania”. Zwierzę nieco bardziej złożone będzie miało więcej takich klik neuronalnych, które będą łączyć się w rozmaite FCM, umożliwiające przetwarzanie informacji coraz bardziej skomplikowanych (np. abstrakcyjnych).

Zaproponowana przez badacza teoria jest niezwykle pociągająca nie tylko w swojej prostocie. Taki wzorzec połączenia umożliwia także wyjaśnienie tego, w jaki sposób powstaje hierarchiczna i kategoryzacyjna struktura wiedzy – niektóre kliki odbierają bowiem wyłącznie informacje specyficzne, niektóre zaś – rozmaite ich kombinacje i kategorie (np. „trzęsienie ziemi” i „erupcja wulkanu” zostaną połączone w kategorię bardziej ogólną kategorię „klęski żywiołowe”).

Zgodnie z teorią Tsiena, motywy funkcjonalne są niejako „odgórnie” zaprogramowane, nie są wyuczone i przypominają coś w rodzaju klocków Lego. Taki sposób działania mózgu umożliwia wyróżnienie wzorców w każdym niemal rodzaju informacji. Łącząc te wzorce, mózg tworzy nowe pomysły i koncepcje na temat świata.

Próba opisania połączeń neuronalnych za pomocą jednego wzoru matematycznego jest niezwykle pociągająca. Jesteście ciekawi, czy teoria łączliwości znalazła swoje potwierdzenie w praktyce?

Sprawdzanie teorii

Sprawdzaniem teorii łączliwości zajął się cały zespół badaczy. W tym celu zastosowano technikę rejestracji neuronalnej za pomocą tetrody, umożliwiającej nagrywanie zarówno aktywności pojedynczych jednostek, jak i wolnych potencjałów polowych (local field potentials) uzyskiwanych w wyniku uśredniania prądów postsynaptycznych licznej populacji komórek z wybranej struktury mózgu (Wypych, Wróbel, 2004). Co więcej proces nagrywania odbywał się w mózgu zwierzęcia (w tym wypadku myszy) zachowującego się w sposób naturalny.

W jednym z badań myszy z umieszczonymi w podstawno-bocznej części ciała migdałowatego tetrodami dostawały różne kombinacje czterech różnych pokarmów (zwykła karma, cukrowe granulki, ryż oraz kropelki mleka). Zgodnie z teorią łączliwości, myszy powinny mieć 15 (N = 2⁴ – 1) odrębnych klik reprezentujących każdy rodzaj jedzenia oraz wszelkie ich możliwe kombinacje.

Na podstawie aktywności ciała migdałowatego w odpowiedzi na różne rodzaje pokarmów badaczom udało się wykryć zarówno grupy komórek, które reagowały na wszystkie bodźce pokarmowe, jak i te, które były bardziej specyficzne i reagowały na tylko jeden pokarm lub na różne ich kombinacje. Łącznie wykryto 15 klik – akurat tyle, ile przewiduje teoria.

Następnie badacze konsekwentnie sprawdzali każde z sześciu założeń teoretycznych:

Uniwersalność. Podany wzorzec połączeń dotyczy przetwarzania różnych procesów poznawczych (m.in. reakcji emocjonalnych, zachowań społecznych).

W podobny sposób sprawdzano aktywność przyśrodkowej części ciała migdałowatego w odpowiedzi na cztery rodzaje interakcji społecznych (zapoznawanie się z twarzą samca, zapoznawanie się z twarzą samiczki, zapoznawanie się z genitaliami samca oraz zapoznawanie się z genitaliami samiczki) oraz aktywność kory przedczołowej i kory przedniej zakrętu obręczy w reakcji na cztery różne doświadczenia wywołujące w zwierzętach strach (rażenie prądem, podmuch powierza, trzęsienie ziemi oraz spadanie). W obydwu wypadkach wykryto 15 odrębnych, reagujących w sposób specyficzny klik.

Podobny wynik uzyskano także w siedmiu innych obszarach mózgu (m.in. regionie hipokampa zwanym CA1 oraz korze formacji hipokampa a płatem ciemieniowym). A zatem założenie o tym, że wzór N = 2ⁱ – 1 obowiązuje w różnych obwodach korowych i podkorowych także zostało potwierdzone empirycznie.

Kolejne założenie o tym, że neuromodulatory, takie jak np. neurony dopaminergiczne (DA) w polu brzusznym nakrywki, kierują się inną, najprawdopodobniej zero-jedynkową logiką, także znalazło swoje potwierdzenie. Taki wzorzec aktywności wynika przede wszystkim z odmiennej funkcjonalności tych neuronów (odpowiadają m.in. za sygnały motywacyjnego wartościowania – „chcę” kontra „nie chcę”, „nagroda” kontra „brak nagrody”).

W toku dalszych badań z genetycznie modyfikowanymi myszami (nie miały one receptora kwasu N-metylo-D-asparaginowego, co uniemożliwiało jednoczesne wyładowania neuronów, czyli uczenie się) w roli głównej, okazało się także, że omawiany wzorzec połączeń jest rozwojowo i ewolucyjnie zaprogramowany, niezależny od procesu uczenia się w wieku dorosłym. Wzór N = 2ⁱ – 1 wciąż obowiązywał mózgi niezdolnych do uczenia się myszy.

Teoria łączliwości zakłada także pionowe rozmieszczenie różnych klik w odrębnych warstwach korowych. Zgodnie z przewidywaniami badaczy, warstwy powierzchowne zawierały większą liczbę klik reagujących na bodźce specyficzne, a kliki bardziej ogólne (reagujące na większą ilość bodźców) znajdowały się przeważnie w warstwach głębszych.

Co więcej, reguła wynikająca z teorii łączliwości jest ewolucyjnie „zaprogramowana” u różnych gatunków. Przynajmniej w przypadku chomika syryjskiego (Mesocricetus auratus) wzór N = 2ⁱ – 1, jak i inne związane z nim założenia, okazał się prawdziwy.

Podsumowanie

Z ewolucyjnego punktu widzenia, głównym zadaniem mózgu jest wykrywanie znaczących wzorców w otoczeniu i konsekwentne przekształcanie ich we wspomnienia, wiedzę kategorialną i elastyczne zachowania. Takie myślenie i taki sposób zachowania wymaga zdolności do rozróżniania, kategoryzacji i generalizacji. Wzór, zaproponowany przez teorię łączliwości zdaje się doskonale rozwiązywać wszystkie związane z tym trudności. Taki wzorzec połączeń daje bowiem unikalną możliwość, by skutecznie sobie radzić ze złożonością wiecznie zmieniającego się świata.

Teoria łączliwości jest zapewne dopiero punktem startowym dla wielu interesujących badań w tej dziedzinie. W jaki sposób wspomnienia są przechowywane w mózgu? Czym na poziomie zespołów komórkowych skutkują choroby i proces starzenia się? Czy można zastosować dane odkrycia, by usprawnić działanie komputerów i sztucznej inteligencji? Na te i wiele innych pytań odpowiedzi będziemy szukać zapewne już w bardzo nieodległej przyszłości.

Na podstawie:

Lyu, Ch., Lee, J.C., Kuang, H., Jacobs, S., Li, M., Liu, T., Songs, S., Tsien, J.Z. (2016). Brain computation is organized via power-of-two-based permutation logic. Frontiers in Systems Neuroscience, 10, 1-29. doi: 10.3389/fnsys.2016.00095

Tsien, J.Z. (2015). A postulate in the brain’s basic wiring logic. Trends in Neurosciences, 38 (11),  669-671.

Wypych, M., Wróbel, A. (15 grudnia 2004). Identyfikacja stanu funkcjonalnego mózgu przy pomocy nowych metod analizy potencjałów wywołanych. Referat wygłoszony na konferencji „Nowe metody w neurobiologii”.