Μια νέα θεωρία, που δημοσιεύτηκε στο The Journal of Neuroscience από τρεις επιστήμονες του The Picower Institute for Learning and Memory στο MIT, προτείνει εξήγηση για το πώς ο εγκέφαλος παράγει νόηση και συνείδηση: αξιοποιεί κινούμενα κύματα ρυθμικής νευρωνικής δραστηριότητας για να συντονίζει ευέλικτα νευρωνικά δίκτυα μέσω αναλογικών υπολογισμών.

Η μεταφορά του «εγκεφάλου ως κυκλώματος» είναι ελλιπής, λέει ο Picower Professor Earl K. Miller, ανώτερος συγγραφέας της μελέτης. Αναμφίβολα, τα φυσικά συνδεδεμένα κυκλώματα του εγκεφάλου παρέχουν την υποδομή για την αποθήκευση μνήμης και την αναπαράσταση αναγκών και στόχων. Όμως, όταν πρέπει να αξιοποιήσουμε αυτό το γνώρισμα αυτοσχεδιαστικά, στο ταχύ και απρόβλεπτο αισθητηριακό περιβάλλον του κόσμου, δεν μπορούμε να βασιστούμε μόνο στη σχετικά αργή χημική διαδικασία αναδιοργάνωσης των συνάψεων, επισημαίνει.

Αντίθετα, ο εγκέφαλος χρειάζεται ένα σύστημα ελέγχου που να μπορεί να συντονίζει εκατομμύρια νευρώνες μέσα σε κλάσματα του δευτερολέπτου. Τα εγκεφαλικά κύματα, γνωστά ως συγχρονισμένες ρυθμικές διακυμάνσεις μεγάλων ομάδων νευρώνων, φαίνεται πως επιτελούν ακριβώς αυτόν τον ρόλο, υποστηρίζουν ο Miller και οι συνεργάτες του, επικαλούμενοι χρόνια πειραματικών δεδομένων από το εργαστήριό του και άλλα.

«Τα κυκλώματα και οι συνάψεις είναι σημαντικά και θεμελιώδη, αυτό είναι η αρχή. Αλλά συμβαίνει κάτι περισσότερο», λέει ο Miller, μέλος του Department of Brain and Cognitive Sciences του MIT. «Ο εγκέφαλος παράγει κύματα, και η δυναμική των κυμάτων είναι ένας εξαιρετικά αποδοτικός τρόπος συντονισμού και υπολογισμού».

Ενώ τα ψηφιακά κυκλώματα υπολογίζουν βήμα-βήμα μέσω διαδοχικών διακοπτών και πυλών, η αναλογική υπολογιστική, που μπορεί να προκύψει από την αλληλεπίδραση κυμάτων, επεξεργάζεται πολλαπλούς υπολογισμούς παράλληλα. Αυτό δεν είναι μόνο πιο αποδοτικό· επιπλέον, τα τοπικά, κινούμενα κύματα είναι πανταχού παρόν χαρακτηριστικό του εγκεφάλου, σημειώνουν οι επιστήμονες.

«Ο εγκέφαλος αξιοποιεί τη δική του φυσική», έγραψαν ο Miller και οι συν-συγγραφείς Scott L. Brincat και Jefferson E. Roy, ερευνητές στο εργαστήριο του Miller.

Η θεωρία έχει σημασία όχι μόνο επειδή προτείνει εξήγηση για τη νόηση και τη συνείδηση, αλλά και γιατί υπογραμμίζει τη δυνητική αξία της θεώρησης των κυμάτων στις κλινικές παρεμβάσεις. Το πλεονέκτημα είναι ότι τα κύματα μπορούν να τροποποιηθούν μη επεμβατικά.

«Η ανάπτυξη θεραπειών βασισμένων στη δυναμική των εγκεφαλικών κυμάτων δεν είναι μόνο ευκαιρία, αλλά και υποχρέωση», λέει ο Miller, του οποίου το εργαστήριο συμμετέχει σε συνεργασία που μελετά τα εγκεφαλικά κύματα στον αυτισμό.

Χτίζοντας το επιχείρημα για την αναλογική υπολογιστική

Για να υποστηρίξουν ότι ο εγκέφαλος χρησιμοποιεί κύματα για να συντονίζει νευρώνες και να παράγει νόηση και συνείδηση, οι επιστήμονες ξεκινούν από την πλέον τεκμηριωμένη παρατήρηση ότι πολλοί νευρώνες δεν κάνουν μόνο μία δουλειά. Αντιδρούν σε πολλαπλά ερεθίσματα και συμφραζόμενα, συμμετέχοντας ουσιαστικά σε πολλά λειτουργικά δίκτυα ταυτόχρονα — ιδιότητα γνωστή ως «mixed selectivity». Ο Miller και οι συνεργάτες του υποστηρίζουν εδώ και χρόνια ότι αυτό δίνει στον εγκέφαλο τεράστια υπολογιστική ισχύ, αλλά εγείρει το ερώτημα πώς οργανώνονται τόσο γρήγορα και ευέλικτα αυτά τα αλληλοεπικαλυπτόμενα δίκτυα ώστε να προκύπτει η ευκινησία της σκέψης.

Μετά από πολλές μελέτες, η απάντηση που αναδύεται για τον Miller και άλλους νευροεπιστήμονες είναι ότι τα εγκεφαλικά κύματα οργανώνουν σύνολα νευρώνων για την επεξεργασία πληροφοριών. Ο Miller έχει δείξει ότι κύματα διαφορετικών συχνοτήτων ρυθμίζουν διαδικασίες όπως η εργαζόμενη μνήμη και η προβλεπτική κωδικοποίηση. Τα σχετικά αργά κύματα «άλφα» και «βήτα», που αναπαριστούν μνήμες και στόχους, ρυθμίζουν τα ταχύτερα κύματα «γάμμα», τα οποία αναπαριστούν και μεταφέρουν τις εισερχόμενες αισθητηριακές πληροφορίες.

Η νέα θεωρία προτείνει ότι αυτά τα κύματα ελέγχου άλφα/βήτα προκύπτουν από τον συντονισμένο ρυθμό εκφόρτισης νευρώνων σε κυκλώματα (συνδεδεμένα σε σημεία που ονομάζονται «συνάψεις») τα οποία κωδικοποιούν αποθηκευμένες μνήμες και στόχους.

«Οι συνάψεις αποθηκεύουν αναπαραστάσεις, ενώ η δυναμική των κυμάτων βοηθά να καθοριστεί ποιες αναπαραστάσεις είναι ενεργές κάθε στιγμή», γράφουν οι συγγραφείς.

Σε νεότερη έρευνα του εργαστηρίου Miller, η ομάδα βρήκε ενδείξεις ότι, παρότι τα κύματα αναδύονται από το νευρωνικό spiking, μπορούν γρήγορα να ενισχυθούν ώστε να επηρεάζουν άμεσα και να συντονίζουν το spiking μέσω μιας διαδικασίας που μεσολαβείται από ηλεκτρικό πεδίο και ονομάζεται ephaptic coupling. Καθοριστικό είναι ότι τα ηλεκτρικά πεδία μπορούν να ασκήσουν αυτόν τον συντονιστικό ρόλο πολύ γρήγορα.

Ένα ακόμη βασικό στοιχείο της θεωρίας, που επίσης έχει καταδειχθεί πειραματικά από το εργαστήριο του Miller, είναι ότι τα κύματα άλφα/βήτα ασκούν έλεγχο τόσο χωρικά, επηρεάζοντας τοπικές περιοχές του φλοιού, όσο και χρονικά, ταξιδεύοντας κατά μήκος του φλοιού. Ουσιαστικά, τα κύματα βήτα λειτουργούν σαν κινητά «στένσιλ» που καθορίζουν πού και πότε τα κύματα γάμμα θα επεξεργαστούν αισθητηριακές πληροφορίες και ποια σύνολα νευρώνων θα συμμετάσχουν. Μαζί, αυτό υποδεικνύει ότι ο εγκέφαλος επιδίδεται σε «spatiotemporal computing», γράφουν οι συγγραφείς. Και στα σημεία όπου τα κύματα τέμνονται, μπορούν να προστίθενται ή να αφαιρούνται, επιτρέποντας αναλογικούς υπολογισμούς.

Ο Miller αναγνωρίζει ότι το επόμενο βήμα του εργαστηρίου είναι να προσφέρει άμεσες αποδείξεις ότι πράγματι λαμβάνουν χώρα αναλογικοί υπολογισμοί.

«Αυτή είναι μια θεωρία. Στόχος μας είναι να τη δοκιμάσουμε αναζητώντας ίχνη αναλογικού υπολογισμού στα πρότυπα των εγκεφαλικών κυμάτων», λέει ο Miller.

Σύνδεση με τη συνείδηση

Το άρθρο υποστηρίζει ότι η συνείδηση «αναδύεται όταν αυτά τα δυναμικά μοτίβα κυμάτων φέρνουν τον φλοιό σε μια οργανωμένη, καθολικά ολοκληρωμένη κατάσταση, η οποία φυσικά συνδέει και επηρεάζει εκτεταμένη δραστηριότητα».

Μερικές από τις πιο πειστικές ενδείξεις που συνδέουν τη δυναμική των κυμάτων με τη συνείδηση προέρχονται από μελέτες γενικής αναισθησίας που ο Miller έχει διεξαγάγει με τον συνάδελφό του στο Picower Institute Emery N. Brown, ο οποίος είναι Institute Professor στο MIT, αναισθησιολόγος στο Massachusetts General Hospital και καθηγητής στο Harvard Medical School. Τα εργαστήριά τους έδειξαν ότι τρία διαφορετικά φάρμακα, με διαφορετικούς μοριακούς μηχανισμούς δράσης, διαταράσσουν με παρόμοιο τρόπο τη δυναμική των εγκεφαλικών κυμάτων ώστε να προκαλέσουν απώλεια συνείδησης.

«Η συνείδηση εξαρτάται λιγότερο από συγκεκριμένους υποδοχείς ή κυτταρικούς τύπους και περισσότερο από την ακεραιότητα της οργάνωσης των κυμάτων μεγάλης κλίμακας», γράφουν οι συγγραφείς στην ανασκόπηση.

Με άλλα λόγια, όπως και η νόηση, η συνείδηση εξαρτάται από τον τρόπο με τον οποίο ο εγκέφαλος οργανώνεται αποδοτικά μέσω των εγκεφαλικών κυμάτων.

«Η δυναμική των ηλεκτρικών πεδίων προσφέρει ένα υπόστρωμα χαμηλού κόστους για την οργάνωση και τον συντονισμό πληροφοριών σε δικτυώσεις του φλοιού», καταλήγουν. «Δεδομένης της ισχυρής εξελικτικής πίεσης για μεγιστοποίηση του υπολογισμού ανά μονάδα ενέργειας, θα ήταν έκπληξη αν η εξέλιξη δεν αξιοποιούσε ένα τέτοιο ενσωματωμένο αναλογικό υπόστρωμα υπολογισμού».

Την έρευνα υποστήριξαν οι: The Freedom Together Foundation, The Picower Institute for Learning and Memory, the U.S. Army Research Office, the U.S. Office of Naval Research, a MURI grant, the National Institutes of Health, και το Simons Center for the Social Brain.

Σχετικά:
Τα ηλεκτρικά πεδία βοηθούν να καθοδηγείται η νευρωνική δραστηριότητα, ακόμη και από στιγμή σε στιγμή
Αναθεωρώντας πώς ο εγκέφαλός μας χρησιμοποιεί κατηγορίες για να κατανοήσει τον κόσμο
Τρία αναισθητικά φάρμακα έχουν το ίδιο αποτέλεσμα στον εγκέφαλο, διαπιστώνουν ερευνητές του MIT
Για να οργανώνει ευέλικτα τη σκέψη, ο εγκέφαλος αξιοποιεί τον χώρο
Η επιστήμη της συνείδησης