Mózg. Jak powstaje najbardziej skomplikowana maszyna, jaka wytworzyła ewolucja?

Potrafi wykonać 38 mln operacji na sekundę, składa się z 86 mln elementów, z których każdy wysyła sygnały nawet 200 razy na sekundę. Superkomputer? Nie – mózg każdego z nas

Nasze mózgi zostały wam wręczone po wstępnej instalacji. Nie potrzebują więc skomplikowanych połączeń czy konfiguracji, żeby zaczęły funkcjonować. A jednak w fazie instalacji, która trwa przez pierwsze lata życia, wymagają pewnej opieki. Chcąc zapewnić mózgowi właściwe funkcjonowanie, warto od samego początku zadbać o zasoby energetyczne (znane powszechnie jako pożywienie), odpowiednie działanie cykli odpoczynku i porządkowania (sen), oraz sprawność wszelkich uzupełnień mechanicznych (ćwiczenia fizyczne). Przypominamy, że produkt nie jest objęty żadną gwarancją.

PRZED PIERWSZYM URUCHOMIENIEM

To wydarzenie jednocześnie zwykłe i niezwykłe. Cudowne i tajemnicze, niemal doskonałe, ale niemożliwe do ulepszenia. Chodzi o składanie mózgu w całość – trwający dziewięć miesięcy proces, który poprzedza uruchomienie najpiękniejszej i najbardziej skomplikowanej maszyny na świecie. Trzy tygodnie po rozpoczęciu prac, kiedy matczyna fabryka nie została jeszcze nawet poinformowana o tym, co się dzieje, niektóre komórki macierzyste zaczynają już reprodukować się i różnicować. To komórki ektodermy, położonej najbardziej na zewnątrz warstwy komórek, z których składa się maleńki embrion. Są już gotowe na specjalizację: mogą stać się zaczątkiem skóry, szkliwa na zębach albo neuronów. W ostatnim przypadku neuroektoderma reorganizuje się, by zbudować tak zwaną cewę nerwową, czyli w praktyce fabrykę neuronów.

Łańcuch montażowy został już uruchomiony. Nowe neurony zaczynają migrować ku finalnemu celowi podróży, który, o dziwo, znają: chociaż poruszają się wewnątrz mierzącego ledwie kilka centymetrów embrionu, przy ich rozmiarach (około 0,4 mikrona, czyli milionowej części metra) to szalenie długa podróż. Kiedy docierają do celu, zaczynają przyjmować właściwości typowe dla tej konkretnej części mózgu. Rozwijają się u nich dendryty i akson, które zapowiadają pierwsze synapsy. Po kolejnych dwóch tygodniach neurony rodzą się z niesamowitą prędkością 250 tysięcy nowych komórek na minutę. Nowe połączenia formują się w rytmie setek milionów na minutę. Migracja pokonująca rosnące dystanse – jako że cała struktura urosła – jest niczym biblijna diaspora. A jednak, mimo ruchu godnego godziny szczytu, każdy neuron dokładnie wie, dokąd się udać, co robić i czym się stać: wszystko zapisane zostało w konkretnych instrukcjach stworzenia nowego egzemplarza, przechowywanych w DNA każdej komórki.

 

Pod koniec dziewięciu mięsięcy różnicowanie komórkowe doprowadziło już do powstania miniaturowej istoty ludzkiej z małą wątrobą, małym sercem, parą małych płuc. Ale też z mózgiem, z gotowymi 80–90 miliardami komórek neuronowych, które będą mu służyć przez resztę życia. Przez kolejnych 18 czy 20 lat neurony będą rosnąć wraz z aksonami mielinowymi i populacją komórek glejowych. Rozwój neuronów dzieli się zazwyczaj na dwie części. Podczas pierwszej z nich działają mechanizmy niezależne od aktywności zmysłowej: to właśnie faza montażu, zarządzana przez fabrykę biologiczną (pożywienie, sen, ćwiczenia fizyczne, emocje mamy), ale przede wszystkim przez instrukcje zawarte w DNA. Mówiąc krótko, przez naturę. Podczas drugiej, równie kluczowej fazy, rozwój
zależy natomiast od aktywacji mechanizmów zmysłowych podczas samego porodu. To bezpośrednie doświadczenie świata – dotykowe, wzrokowe, słuchowe i czuciowe – dodaje, modyfikuje i eliminuje synapsy, które odróżniają daną istotę ludzką od wszystkich pozostałych. Mówiąc krótko, to dzieło kultury.

PIERWSZE URUCHOMIENIE

Kiedy nowiutki mózg odłącza się od pępowiny i rozpoczyna swoją własną przygodę, wybucha prawdziwa burza zmysłów. Do komórek nerwowych siatkówki dociera ogromna liczba fotonów, które przesyłają impulsy do pierwszorzędnej kory wzrokowej płata potylicznego. Głos matki wytwarza fale dźwiękowe, które, dotarłszy do ucha wewnętrznego, zostają przerobione na sygnały elektrochemiczne wysyłane do kory słuchowej usytuowanej w płacie skroniowym. Na skutek informacji, które docierają z narządów zmysłowych, neurony zaczynają multiplikować synapsy: z jednej strony dendryty łączą się z końcowkami aksonowymi innych komórek nerwowych; z drugiej – aksony łączą się z innymi dendrytami. To prawdziwe arcydzieło neuroplastyczności.

Jako że plastyczność jest gwarantem procesu uczenia się także w wieku dorosłym, można by podejrzewać, że wraz z mijaniem lat i wchłanianiem wiedzy liczba połączeń synaptycznych osiągnie wartości maksymalne. Czy tak się dzieje? Wcale nie. Synaps najwięcej jest, kiedy dziecko ma ok. trzech lat. Według niektórych szacunków trzyletnie dziecko ma około miliona miliardów połączeń: każdy z neuronów powiązany jest z innymi 15 tysiącami. Dorosły człowiek ma ich około połowy. To ciekawa decyzja ewolucji, która, zamiast sumować połączenia, uznała, że lepiej będzie postawić na redundancję, by następnie rozpocząć odejmowanie.

AKTUALIZACJA OPROGRAMOWANIA

Proces ten nazywa się „przycinaniem synaps”. Tak jak ogrodnicy przycinają drzewa i krzewy, mózg posiada własny system pozbywania się nieużywanych połączeń, a jednocześnie wzmacniania tych, które są regularnie pobudzane. Ta monumentalna reorganizacja trwa przez wiele lat, co najmniej do końca okresu
dojrzewania, i obejmuje także neurony, które – nie odbierając już ani nie wysyłając informacji – nie mają już powodu istnieć i umierają. Mózgowa dominacja Homo sapiens zależy od wielkości mózgu (który jest największy w odniesieniu do wagi ciała) i od wydatności kory mózgowej, zwłaszcza płata czołowego, odpowiadającego za skomplikowane funkcje takie jak myśl abstrakcyjna, język, empatia i moralność. Żaden inny gatunek na naszej planecie nie ma równie długiego dzieciństwa i dojrzewania, które służą, by zaprojektować inteligencję, świadomość, postrzeganie samego siebie. Z ewolucyjnego punktu widzenia to zdolność tworzenia kultury pozwoliła na rozwój efektywnego mózgu o korze pełniącej funkcje, które osiągnęły wystarczającą złożoność jedynie dzięki długiej fazie budowy.

 

W rezultacie środowisko i interakcje społeczne po narodzinach determinują jakość ludzkiej maszyny mózgowej przynajmniej w tym samym stopniu co chromosomy przed narodzinami. Ludzkie szczenięta potrzebują znacznie, znacznie więcej uwagi niż szczenięta jakiegokolwiek innego gatunku. Od wielu tysięcy lat kobiety i mężczyźni wychowują dzieci. Dopiero w ostatnich dziesięcioleciach jednak nauka poznała szczegóły tego procesu, który, pokolenie po pokoleniu, tworzy ludzką cywilizację podlegającą nieustannym zmianom. Poza plastycznością synaptyczną najważniejsze odkrycie dotyczy rozwoju obwodów mózgu podczas konkretnych faz zwanych „okresami krytycznymi”.

ZASADY UŻYTKOWANIA

Fundamenty struktur mózgowych odpowiadających za wzrok i słuch zostają położone dwa miesiące po narodzinach. Te związane z mową i językiem – około siódmego miesiąca. Podstawy bardziej skomplikowanych funkcji kognitywnych zostają natomiast zbudowane synaptycznie około drugiego roku życia. Poszczególne sieci neuronów rozwijają się w określonej hierarchii, ponieważ każdy mózg dojrzewa w innym tempie. Gdy mowa, na przykład o wzroku, obszary,
które analizują barwy, kształty i ruch dojrzewają jako pierwsze, by następnie ustąpić miejsca bardziej złożonym funkcjom takim jak rozpoznawanie twarzy i znaczenie ich wyrazu. Dzisiaj nauka mówi nam, że odpowiednie wykorzystanie momentów krytycznych otwiera przed nami ogromne możliwości. Jeśli zaś chodzi o ryzyko, naszą nauczycielką niech będzie historia.

Fryderyk II mówił płynnie sześcioma językami. Wielbiciel nauki i wiedzy zastanawiał się, jakim językiem posługiwali się pierwsi ludzie – jakiego języka nauczono Adama i Ewę. Postanowił więc przeprowadzić radykalny eksperyment: kazał wychować w odosobnieniu grupę noworodków, nie pozwalając, by ktokolwiek odezwał się do nich choćby słowem. Łatwo domyślić się rezultatu: młodziutcy nieszczęśnicy nie mówili ani językiem przodków, ani żadnym innym. Skomplikowana maszyna mózgowa – jak ta ludzka – musi być uruchamiana z dużą ostrożnością i uwagą. Potrzebne są odpowiednie środowisko i doświadczenia. Środowisko obejmuje przyjmowanie właściwych, wolnych od toksyn składników odżywczych, ale również zdrowe i niezbyt stresujące relacje społeczne. Doświadczenia zmysłowe rozpoczynają się, stłumione, w łonie matki, a wybuchają z całą mocą, kiedy zaczynają obejmować widok uśmiechu, dźwięk głosu, smak i zapach mleka itd. Jedno wydaje się jednak jasne: kamienie węgielne mózgowej architektury są na miejscu na długo nim dziecko pójdzie do szkoły

Marco Magrini – dziennikarz piszący o nauce i technologii. Przedrukowywany fragment pochodzi z książki „Mózg. Podręcznik użytkowika” , wyd. Feeria, 2018. 
 

Więcej:undefined