Èitajuæi novine i gledajuæi televiziju ponekad mo¾emo èuti da ljudski mozak radi poput raèunala ili da ga je èak moguæe spojiti s raèunalom. Tako npr. u filmu Matrix, ljudi buduænosti sklupèani u èahurama naizgled spavaju, a zapravo vode normalan ili èak vrlo buran ¾ivot zahvaljujuæi tome ¹to su im mozgovi spojeni na centralno raèunalo.

Da li je to teoretski moguæe? Znaèi li to da neuroni prenose elektriène signale? Kakvi su to signali? Kako je informacija zapisana u tim signalima? Kao ¹to æemo vidjeti, dana¹nja saznanja o mozgu ukazuju da svaki do¾ivljaj ima svoj neuronski zapis i da je imitacijom tog zapisa zaista moguæe kreirati virtualni svijet.

Mozak kao stroj

Neuronska poruka- sve ili ni¹ta

Prièa o neuronskom kodiranju neizbje¾no zapoèinje s nobelovcem Lordom Adrianom (1891-1977). Dvadesetih godina pro¹log stoljeæa Adrian je, radeæi na ¾abama, izveo niz pokusa èiji su rezultati bili toliko revolucionarni da zlobnici ka¾u kako se nakon njega u istra¾ivanju neuronskog kôda ni¹ta znaèajno nije dogodilo.

Adrian je pokazao da informacija o vanjskom svijetu u ¾ivcani sustav ulazi kao niz impulsa èiji oblik i velièina ovisi jedino o lokalnom stanju aksona. Ako zanemarimo sitne varijacije, koje su posljedica promjena u sastavu staniène i izvanstaniène tekuæine, visina elektriènog pulsa je praktièki uvijek ista. Taj puls kojeg danas nazivamo akcijski potencijal ili "spajk" (eng. spike- ¹iljak) je nagla, gotovo trenutaèna promjena lokalnog membranskog potencijala koja putuje du¾ aksona mehanizmom samoobnavljanja.

Obja¹njenje tog fascinantnog mehanizma je stiglo tek dvadeset godina nakon Adrianovih pokusa na ¾abama, a dugujemo ga Hodgkinu i Huxleyu (Nobelova nagrada 1963).

Oni su pokazali da stijenka neurona sadr¾i odreðene kanale osjetljive na elektrièno polje koji se prilikom elektriènog podra¾aja otvaraju zbog èega dolazi do nagle promjene ionskog sastava staniène tekuæine i odgovarajuæeg skoka membranskog potencijala. Taj elektrièni skok zatim pobuðuje susjedni dio stijenke i proces se nastavlja poput gorenja fitilja. Va¾no je napomenuti da postoji kritièna vrijednost koju podra¾aj mora dosegnuti kako bi pokrenuo lanèanu reakciju. Slabiji podra¾aj koji nije dosegnuo prag neæe stvoriti ni¾i akcijski potencijal, nego ga uopce neæe stvoriti. Taj princip se naziva sve-ili-nista (eng. all-or-none). (Oèigledno i ovdje postoji velika sliènost kompjutera i mozga - naime oba sustava rade u binarnom kôdu koristeæi samo dvije vrijednosti kako bi zapisali informaciju).

Iako Adrian nije mogao poznavati mehanizam stvaranja akcijskog potencijala, dobiv¹i signale koji su se sastojali od vi¹e-manje jednakih elektriènih pulseva, on je zdravorazumski zakljuèio da informacija mo¾e biti zapisana jedino u vremenu dolaska elektriènih pulseva. Tu ideju je odmah provjerio i, kao svoje drugo otkriæe, prona¹ao da frekvencija kojom neuroni iz ¾abljih mi¹iæa ispaljuju pulseve raste sa silom istezanja mi¹iæa. Drugim rijeèima, broj akcijskih potencijala u jedinici vremena predstavlja intenzitet vanjskog podra¾aja. Snimiv¹i aktivnost mi¹iænog neurona, prema tom jednostavnom pravilu mo¾emo odrediti koliko je pribli¾no iznosila te¾ina utega okaèenog na ¾ablji krak.

Ovo uzbudljivo otkriæe je bilo toliko utjecajno da jo¹ i dan danas velik broj znanstvenika vjeruje kako upravo frekvencija ispaljivanja ( eng. firing rate) akcijskih potencijala odreðuje bitnu informaciju (tzv. 'rate code hypothesis'). S druge strane prebrojavanjem akcijskih potencijala unutar jednog vremenskog okna ( eng.time window) gubimo informaciju o sitnim promjenama koje su se desile unutar okna. Zato mnogi tvrde kako informacija ne mo¾e biti zapisana u prosjeènom broju pulseva u jedinici vremena nego u meðupulsnim intervalima (eng.interspike intervals, skraceno ISI). Ta alternativna hipoteza se naziva hipoteza o temporalnom kôdu (eng. temporal code hypothesis).

Svijet kao razbijeno ogledalo

Iako nam se svijet pokazuje kao jedinstveni, neprekinuti do¾ivljaj, na¹ ga ¾ivèani sustav svakog trenutka razbija na sastavne dijelove prenoseæi u mozak svaki djeliæ slagalice odvojeno. Iskustvo èitanja novina rastvara se u nizove akcijskih potencijala, koji razlièitim putevima idu u mozak- ¹um novina preko uha ide u auditorni korteks, izgled slova preko mre¾nice oka ide u vizualni korteks, hrapavost papira preko ko¾e u somatosenzorni korteks itd. Prevoðenje fizikalnog podra¾aja u neuronski kod zbiva se u receptorima koji se razlikuju od osjetila do osjetila, i koji su usko specijalizirani za odgovarajuæi oblik energije- receptori za dodir prevode mehanicku energiju pritiska, dok receptori za svjetlost prevode energiju elektromagnetskog vala. Podra¾aj pretvoren u niz impulsa u jednom receptivnom podruèju putuje kolosjekom koji je rezerviran samo za te impulse, i dolazi u posebno rezerviranu skupinu neurona. Primjerice, podra¾ivanje nekog djeliæa ko¾e izaziva pobuðivanje toèno odreðenog dijela somatosenzornog korteksa, a èitav somatosenzorni korteks poput zemljopisne mape preslikava ko¾u èitavog ljudskog tijela. Receptivno polje (podruèje koje pokrivaju receptori) ne mora nu¾no biti smje¹teno u prostoru- u sluèaju zvuka ono predstavlja usko podruèje frekvencija. Stoga je slu¹ni korteks organiziran tonotopski - svakoj toèki korteksa odgovara jedan ton. Ton C1 se nalazi u jednom podruèju, a ton D1 u susjednom - slièno klavijaturi.

Majmuni u virtualnom svijetu

Ipak, skeptici æe reæi: to ¹to neki neuroni reagiraju na odreðene podra¾aje ne mora znaèiti da ti neuroni zaista imaju funkciju osjeta. Oni mo¾da predstavljaju odraz, ili nuspojavu- ulièna sjenka se kreæe jednako ¾ivahno kao i èovjek, ali to ne znaèi da je ona bitna za motoriku pokreta. Pitanje relevantnosti neuronske poruke je svakako va¾an dio istra¾ivanja neuronskog kôda. Da bi neka poruka mogla biti ocijenjena kao neuronska reprezentacija sreæe ona mora imati funkciju osjeæaja sreæe. Neæemo tvrditi da je neki neuron odgovoran za sreæu zato ¹to se aktivira kad nogometa¹ dade gol. Taj neuron mo¾da predstavlja zvuk i aktivirao se jer je stadionska publika poèela odu¹evljeno urlati. Kako ocijeniti koji je neuron relevantan?

Meksièki znanstvenik Ranulfo Romo istra¾uje kako neuroni u somatosenzornom korteksu majmuna kodiraju mehanièke vibracije. Njegovi majmuni su istrenirani da pritisnu tipku A kad osjete visoku frekvenciju, odnosno da pritisnu tipku B kad osjete nisku frekvenciju. Nakon mno¹tva pokusa u kojima je snimao aktivnost neurona, Romo je odluèio napraviti novi test u kojem majmun mora prepoznati frekvenciju, ali ovog puta nije pu¹tao mehanièke vibracije, nego je stimulirao dotiène neurone. To je radio elektriènim signalima koji su odgovarali prije snimljenoj aktivnosti. Na veliko odu¹evljenje znanstvene javnosti, majmuni su se ponasali toèno kao da su dobivali mehanièke vibracije. I ne samo to, nego su i uspje¹no raspoznavali vi¹e od ni¾ih frekvencija. Neuronska aktivnost u ovom primjeru dakle nije samo sporedna irelevantna pojava nego va¾na poruka koju majmuni do¾ivljavaju kao stvarnost. La¾ni ili bolje reèeno umjetni signal kojim je podra¾ivan neuron majmuni su do¾ivjeli kao stvarnu mehanièku vibraciju. Upravo kao ¹to ljudi u filmu Matrix umjetno kreirani virtualni svijet do¾ivljavaju kao stvarni svijet.

Mali èovjeèuljak u glavi

Teoretski gledano neuronska poruka bi mogla predstavljati bilo ¹to- rijeè, boju, liniju, ton, intenzitet zvuka, brzinu pokreta ili ne¹to deseto. Mo¾da sve to skupa izmije¹ano kao ¹to jedan djeliæ TV signala ujedinjuje èitav filmski kadar (nije iskljuèeno da se u nekim podruèjima mozga, poruke iz razlièitih dijelova korteksa ujedinjuju). Meðutim, postavlja se pitanje -tko to dekodira signal i napokon do¾ivljava svijet? Ovo pitanje je bilo uzrok mnogih filozofskih rasprava, a znanstveni kritièari su na nj èesto odgovarali postojanjem Homunculusa- malog èovjeculjka koji ¾ivi u na¹em mozgu i gleda dekodirani signal upravo kao ¹to mi gledamo televiziju. Ideja ove kritike je da neuronsko kodiranje nikad ne ulazi u samu bit ljudske percepcije svijeta. Mali èovjeèuljak gleda TV, pa se postavlja pitanje kako on percipira svijet. Stoga se u njegovu glavu uvodi drugi èovjeèuljak itd. Ipak ovo pitanje se bazira na na¹oj, voajerskoj perspektivi i na nj mo¾da nikad neæemo moæi odgovoriti.

Orgazam kao novèana valuta

Smatramo da trenutno razumijemo jedino sliku i zvuk (ali niti to u potpunosti) jer su to jedina dva osjetilna fenomena koja smo u stanju opisati fizikalnim velièinama i prenijeti od jedne do druge osobe tehnièkim sredstvima. Lako je zamisliti da æemo jednog dana u buduænosti locirati "neurone za snove" i da æemo uspjeti dekodirati njihovu aktivnost- tada æemo snove projicirati na filmsko platno. Ali kako æemo prenijeti osjeæaj tuge ili seksualnog u¾itka? Ovo pitanje ukazuje na svu kompleksnost mozga, ali i razotkriva na¹e nerazumijevanje do¾ivljaja. Promatranje snova na platnu nije do¾ivljaj snova. Pravi do¾ivljaj bi bio kad bi san iskusili direktno kao da smo i sami u snu. Naèin na koji trenutno prenosimo sliku se ukratko mo¾e opisati kao lanac: kodiranje projekcije (kamera)-prijenos-dekodiranje(TV)-receptori oka-mozak. Dodir ne prenosimo jer bi kodiranje svih receptivnih polja ko¾e bilo tehnièki prezahtjevno, a osim toga te¹ko je zamisliti kako bi uopæe izgledao prijemnik.

Meðutim, takav naèin preno¹enja podataka nema veze s neuronskim kodiranjem zato ¹to receptori obavljaju prevoðenje podra¾aja u neuronske signale. Ono èemu te¾imo je direktan prijenos u mozak. Kao ¹to smo vidjeli na primjeru Romovog pokusa, podra¾aj se moze imitirati. Mo¾e se uvesti direktno u mozak, tako da se zaobiðu receptori. Upravo to je ideja pu¾nog implanta (tzv. umjetne pu¾nice). Ljudima s o¹teæenjem uha (a to nije isto ¹to i o¹teæenje sluha) kroz pu¾nicu se mo¾e provesti snop elektroda koje, potom, elektriènim poljem podra¾uju ¾ivce tako da (stari) receptori postaju suvi¹ni. Elektrode su s vanjske strane spojene na mali procesor koji dekomponira zvuk na nekoliko osnovnih frekvencija. Iako pretvorbu signala u ¾ivèane impulse ne razumijemo u potpunosti, ljudi s pu¾nim implantom razumiju govor, komuniciraju preko telefona i èuju cvrèanje ulja na vatri.

Problem kodiranja mo¾da æe u buduænosti biti zamijenjen problemom imitiranja. Umjesto da poku¹avamo razbiti kôd, mo¾da æemo stvarati banke neuronskih signala, a zatim ih jednostavno koristiti zaobilazeæi receptore. Time se otvara moguænost do¾ivljavanja iskustava koja u stvarnosti nismo do¾ivjeli, a posebno ugodna i uzbudljiva iskustva æe postati tra¾ena roba. Lako je moguæe da orgazam postane novèana valuta ukodirana u obliku kredita na nekoj vrsti bankomat kartice.

Virtualna stvarnost ima i svoje mraène strane: uz banke do¾ivljaja, moguæe su manipulacije iskustvima. Brisanje pamæenja ili zamjena iskustva æe postati ozbiljan pravni problem jer æe posebno trebati utvrðivati autentiènost iskustva svjedoka.

Povijesno gledajuæi, tehnolo¹ke inovacije su uvijek nosile breme odgovornosti, a velika revolucija kao ¹to je umjetno iskustvo, neminovno mora nositi nezamislive etièke probleme. Ipak, komunikacija mislima i darivanje vida slijepim osobama, tjelesno iskustvo i radost ¾ivota za hendikepirane su dobrobiti koje daleko nadma¹uju probleme i koje nas tjeraju da ¹to prije nauèimo jezik neurona.