Skupiska neuronów połączone węzłami komunikacyjnymi
Węzły komunikacyjne stanowią arcykluczowe elementy infrastruktury. Kiedy pada któryś z głównych lotniczych węzłów przesiadkowych w rodzaju Heathrow czy Frankfurtu, na całym świecie odbija się to echem w postaci opóźnień i odwołanych lotów. Wyobraźcie sobie teraz, co się dzieje, kiedy przestaje funkcjonować jeden z węzłów mózgu. Uszkodzenie takiego obszaru bywa łączone z depresją, schizofrenią, demencją, chorobą Parkinsona i innymi zaburzeniami. Tego typu skupiska neuronów są najbardziej newralgicznymi, słabymi punktami sieci, bo to od nich zależy jej efektywność – dzięki nim ludzki organizm może pozwolić sobie na utrzymanie mózgu bez nadwyrężania budżetu ciała.
Za tę oszczędną i potężną strukturę opartą na węzłach komunikacyjnych możemy być wdzięczni doborowi naturalnemu. Naukowcy przypuszczają, że w toku ewolucji neurony zorganizowały się w tego rodzaju sieć, ponieważ ma dużą moc i jest szybka, a jednocześnie jest wydajna energetycznie i wciąż na tyle niewielka, że mieści nam się w czaszce.
Sieć zbudowana z naszych neuronów nie jest statyczna – ciągle się zmienia. Niektóre z tych zmian zachodzą błyskawicznie. Okablowanie mózgu jest skąpane w koktajlu chemicznym, który wypełnia lokalne połączenia między neuronami. Składające się nań substancje chemiczne, takie jak kwas glutaminowy, serotonina czy dopamina, zwane neuroprzekaźnikami, ułatwiają bądź utrudniają przekazywanie sygnałów przez synapsy. Są jak obsługa portu lotniczego – sprzedawcy biletów, pracownicy kontroli bezpieczeństwa czy personel naziemny – która może przyspieszyć lub spowolnić przepływ pasażerów przez lotnisko i bez której w ogóle nigdzie byśmy nie polecieli. Tego rodzaju wahnięcia w obrębie sieci mają charakter nagły i zdarzają się nieustannie, nawet jeśli fizyczna budowa mózgu wydaje się niezmieniona. W dodatku niektóre z tych związków chemicznych, na przykład serotonina czy dopamina, mogą wpływać także na inne neuroprzekaźniki, podkręcając lub osłabiając ich działanie (nazywamy je wtedy neuromodulatorami). Są jak pogoda na trasie między lotniskami – przy bezchmurnym niebie loty odbywają się szybko i bez problemu, kiedy zaś robi się burzowo, samoloty bywają uziemiane albo zmieniają trasę. Neuroprzekaźniki i neuromodulatory sprawiają, że jedna i ta sama struktura mózgu może funkcjonować według bilionów różnych wzorców aktywności.
Inne zmiany w sieci następują stosunkowo wolniej. Tak jak ciągle wznoszone i odnawiane terminale lotnisk, nasz mózg jest stale w budowie. Neurony umierają, a w niektórych partiach mózgu wciąż się rodzą. Liczba połączeń między nimi maleje bądź rośnie, mogą także stać się silniejsze (jeśli dane neurony często się ze sobą komunikują) lub słabsze (jeśli tego nie robią). Tego typu zmiany zachodzą przez całe życie i są przykładem tego, co naukowcy nazywają „(neuro)plastycznością” (ang. plasticity) mózgu. Za każdym razem, gdy się czegoś uczymy (poznajemy imię nowego znajomego czy dowiadujemy się interesującego faktu z wiadomości), doświadczenie to zostaje zakodowane, żebyśmy mogli je zapamiętać – z czasem tego rodzaju zapisy mogą zmienić strukturę układu.
Sieć naszego mózgu jest dynamiczna także pod innym względem. W komunikacji z różnymi partnerami pojedynczy neuron może przyjmować różne role. Dla przykładu: nasza zdolność widzenia jest tak ściśle związana z płatem potylicznym kory mózgowej, że obszar ten jest na ogół nazywany korą wzrokową26, choć składające się nań neurony rutynowo przenoszą informacje również o słuchu i czuciu. Kiedy osobom prawidłowo widzącym na kilka dni zasłoni się oczy27 i nauczy je odczytywać pismo Braille’a, neurony ich kory wzrokowej staną się bardziej wyczulone na zmysł dotyku. Efekt ten znika po dwudziestu czterech godzinach od zdjęcia opaski. Podobnie dzieje się u noworodków z zaćmą wrodzoną – ponieważ mózg nie otrzymuje żadnego sygnału wizualnego, neurony kory wzrokowej zostają oddelegowane do pracy przy innych zmysłach.
Niektóre neurony są połączone tak elastycznie, że ich głównym zadaniem staje się wypełnianie wielu zadań. Znajdują się one na przykład we fragmencie osławionej kory przedczołowej zwanym grzbietowo-przyśrodkową korą przedczołową. Obszar ten zajmuje się przede wszystkim gospodarowaniem zasobami ciała, ale jest też regularnie angażowany przy zarządzaniu pamięcią, emocjami, językiem, wyobraźnią i empatią, postrzeganiu, podejmowaniu decyzji i wydawaniu osądów moralnych czy na przykład odczuwaniu bólu.
Ogólnie rzecz biorąc, żaden neuron nie spełnia tylko jednej psychologicznej funkcji, choć są takie, które częściej od pozostałych zajmują się pewnymi określonymi sprawami. Nawet jeśli badacze nadają jakiejś części mózgu nazwę związaną z wypełnianym przez nią zadaniem – jak „kora wzrokowa” czy „sieć językowa” – odzwierciedla to raczej ich aktualne zainteresowania niż jakiekolwiek wyłączne przeznaczenie danego obszaru. Nie twierdzę przy tym, że każdy neuron może robić wszystko, ale każdy może robić więcej niż jedną rzecz, tak jak każde lotnisko może wypuszczać samoloty, sprzedawać bilety i oferować beznadziejne żarcie.
Poza tym działanie różnych grup neuronów może prowadzić do tych samych rezultatów. Spróbujcie sami: sięgnijcie po coś, co leży przed wami, na przykład po telefon czy batonik. Cofnijcie rękę i sięgnijcie jeszcze raz w dokładnie ten sam sposób. Nawet tak prosta czynność, powtórzona więcej niż raz, może być nadzorowana przez różne skupiska komórek nerwowych. To zjawisko jest znane jako „nadmiarowość” (ang. degeneracy)28.
Naukowcy przypuszczają, że wszystkie systemy biologiczne są nadmiarowe. W genetyce na przykład za ten sam kolor oczu mogą być odpowiedzialne różne kombinacje genów. W oparciu o nadmiarowość pracują nasz zmysł węchu i układ odpornościowy. Cechuje ona także systemy transportu: możemy polecieć z Londynu do Rzymu różnymi rejsami różnych linii lotniczych, na różnych miejscach we wnętrzach różnych modeli samolotów, obsługiwani przez różne stewardesy. Drugi pilot może przejąć rolę pilota. Nadmiarowość mózgu oznacza, że nasze działania i doświadczenia mogą powstawać na wiele sposobów. Za każdym razem, kiedy czujecie – dajmy na to – obawę, wasz mózg może konstruować to uczucie za pomocą różnych wiązek neuronów.
Widać już, jak bardzo pomocne jest zrozumienie, że mózg działa jako sieć. Przyjęcie tego punktu widzenia pozwala uchwycić bardzo wiele aspektów dynamicznego zachowania mózgu – powolne zmiany wynikające z plastyczności, szybsze związane z neuroprzekaźnikami i neuromodulatorami oraz elastyczność spełniających różne funkcje neuronów.
Organizacja sieciowa ma także inną zaletę, która wyposaża mózg w pewną charakterystyczną właściwość kluczową dla powstania ludzkiego umysłu. Tą cechą jest „złożoność” (ang. complexity): zdolność mózgu do porządkowania się w olbrzymią liczbę różnorodnych wzorców neuronalnych.
Ogólnie rzecz biorąc, na system złożony składa się wiele elementów, które współpracują i współgrają ze sobą, tworząc całe mnóstwo wzorców aktywności. Światowy system transportu lotniczego jest złożony, bo żeby mógł funkcjonować, jego zależne od siebie części – sprzedawcy biletów, piloci, samoloty, personel naziemny itd. – muszą współdziałać. Zachowanie złożonego systemu jest czymś więcej niż prostą sumą zachowań tworzących go modułów.
Złożoność pozwala mózgowi działać elastycznie w każdej sytuacji. Otwiera nam drzwi do myślenia abstrakcyjnego, bogatego języka mówionego, wyobrażania sobie przyszłości zupełnie odmiennej od teraźniejszości – obdarza nas kreatywnością i innowacyjnością umożliwiającą nam konstruowanie samolotów, mostów wiszących i odkurzaczy automatycznych. Złożoność pomaga nam także rozmyślać