Kāpēc esam gudrāki par citiem primātiem? Pētījumā izzina cilvēka smadzeņu noslēpumu

Mūsu izpratne par galvas smadzeņu funkcijām laika gaitā mainījusies. Šī brīža teorētiskie modeļi raksturo smadzenes kā tīklveida informācijas apstrādes sistēmu. Proti, tīklveida tāpēc, ka smadzenēm ir atsevišķi komponenti, kas ir cieši savienoti vienotā tīklā. Lai komunicētu savā starpā, atsevišķie smadzeņu apgabali apmainās ar informāciju, izmantojot ievades un izvades signālu sistēmu.

Tomēr šī ir vien neliela daļa no daudz sarežģītākas kopbildes. Pētījumā, kas publicēts zinātniskajā žurnālā "Nature Neuroscience", izmantojām dažādas neirozinātnes disciplīnas un analizējām dažāda sugas, lai pierādītu, ka smadzenēs nenorit tikai viena veida informācijas apstrādes process. Ir arī atšķirības starp to, kā informācija tiek apstrādāta cilvēku un citu primātu smadzenēs, kas arī varētu izskaidrot mūsu sugas pārākās kognitīvās spējas.

Šajā darbā aizņēmāmies konceptus no informācijas teorijas matemātiskā ietvara – šī nozare tostarp pēta, kā mērīt, uzglabāt un pārsūtīt digitālu informāciju – un ir neatņemama sastāvdaļa tādās tehnoloģijās kā internets un mākslīgais intelekts. Izmantojot šo ietvaru, pētījām, kā informāciju apstrādā smadzenes, un secinājām – dažādi smadzeņu apgabali patiesībā izmanto atšķirīgas stratēģijas, lai sazinātos savā starpā.

Daži no tiem apmainās ar informāciju visai stereotipiskā veidā – izmantojot vienkāršu ievadi un izvadi. Signāli tiek nodoti reproducējamā, uzticamā veidā. Piemēram, tas ir aktuāli smadzeņu apgabaliem, kas specializējas maņu un kustību funkciju nodrošināšanā (piemēram, lai apstrādātu skaņas un vizuālo informāciju).

Kā piemēru varam minēt acis, kas sūta smadzenēm signālus apstrādei. Lielākā daļa no šīs informācijas ir dublikāts – katra acs sūta savu signālu. Citiem vārdiem sakot, puse no šīs informācijas it kā ir "lieka". Tomēr tam ir arī sava funkcija – tas nodrošina uzticamu, robustu informācijas saņemšanu un apstrādi. Tieši tāpēc mēs varam redzēt arī ar tikai vienu atvērtu aci. Šī spēja ir ļoti svarīga izdzīvošanai. Patiesībā tik svarīga, ka savienojumi starp smadzeņu reģioniem, kas par šo funkciju atbild, ir anatomiski savienoti, gluži kā fiksētā telefona līnija.

Turklāt ne visa informācija, ko piegādā acis, ir tik vien kā dublikāts. Spēja kombinēt ievades datus no abām acīm galu galā ir tas, kas ļauj smadzenēm precīzi uztvert attālumus starp objektiem un telpas dziļumu, proti, nodrošina labu telpisko redzi. Šo principu arī izmanto 3D brillēs kinoteātros.

Augstākminētais ir piemērs pavisam cita veida informācijas apstrādei – tādai, kuras vērtība beigās ir daudz lielāka nekā atsevišķo saskaitāmo summa.

Šādas zonas, kur notiek izteikta sinerģija – parasti smadzeņu garozas priekšējā un vidus daļā – spēj integrēt dažādus informācijas avotus no visām smadzenēm. Tādējādi šie apgabali ir daudz plašāk un efektīvāk savienoti ar pārējām smadzeņu daļām nekā reģioni, kuru primārā funkcija ir vienkārši apstrādāt ar maņām saistītu informāciju. Augstas sinerģijas apgabali, kas atbalsta informācijas integrāciju, tipiski ir arī ar daudz vairāk sinapsēm jeb mikroskopiskajiem savienojumiem, kas ļauj sazināties neironiem.

Mēs vēlējāmies noskaidrot, vai šī spēja uzkrāt un konstruēt informāciju, izmantojot sarežģītus tīklus, ir atšķirīga cilvēkiem un citiem primātiem, kas evolucionārā ziņā ir mums tuvu radniecīgi. Lai to noskaidrotu, analizējām gan ar smadzeņu skenēšanas tehnoloģijām iegūtus datus, gan dažādu sugu ģenētiskās analīzes datus. Secinājām, ka cilvēku smadzenēs sinerģiskas mijiedarbības veido lielāku proporciju no kopējās informācijas plūsmas, ja salīdzina ar makaku smadzenēm. Turpretī informācijas plūsma, kas saistīta ar maņu orgānu ievades apstrādi, abām sugām ir līdzīga.

Specifiski uzmanību pievērsām prefrontālajai garozai – šis smadzeņu apgabals atbild par ļoti sarežģītām kognitīvajām funkcijām. Makaku smadzenēs šajā apgabalā vairāk dominē parastā ievades-izvades jeb dublicējamā informācijas apstrāde, bet cilvēku smadzenēs te norit izteikti sinerģiska informācijas apstrāde.

Prefrontālā garoza mūsu gadījumā evolūcijas gaitā arī pamatīgi pieaudzis izmērā. Kad pētījām šimpanžu smadzenes, secinājām – jo vairāk cilvēku smadzeņu evolūcijas gaitā šis reģions izpleties, jo vairāk tajā notikusi tieši sinerģiska informācijas apstrāde, ja salīdzina ar šimpanzēm.

Savukārt cilvēku donoru ģenētiskā analīze ļāva secināt, ka smadzeņu apgabalos, kas saistīti ar sinerģiskas informācijas apstrādi, biežāk tiek ekspresēti tikai cilvēkiem unikāli un ar smadzeņu attīstību un funkcijām saistīti gēni.

Tādējādi spriežam, ka cilvēku evolūcijas gaitā papildu iegūtā smadzeņu masa tika veltīta tieši sinerģijai. Ir vilinoši spekulēt par to, ka lielāka sinerģija daļēji varētu izskaidrot mūsu sugas lielākās kognitīvās spējas. Sinerģijas loma varētu būt svarīgs un iepriekš iztrūcis puzles gabaliņš mūsu izpratnē par cilvēka smadzeņu evolūciju.

Galu galā mūsu veiktais pētījums arī atklāj, kā cilvēka smadzenes rod kompromisu starp vajadzību uzticami, robusti pārraidīt informāciju un informācijas integrāciju. Mums nepieciešami abi šie informācijas apstrādes veidi. Mūsu izstrādātais rāmis arī sola nākotnē sniegt jaunas atbildes uz dažādiem neirozinātnes jautājumiem gan par vispārējām kognitīvajām spējām, gan par kognitīvajiem traucējumiem.

--

Šis raksts ir pārpublicēts no "The Conversation" saskaņā ar "Creative Commons" licenci un autoru atļauju. Visu rakstu oriģinālvalodā var lasīt vietnē "The Conversation".

Raksta autori ir Kembridžas Universitātes kognīcijas pētnieki un neirozinātnieki Emanuels Stamatakis, Andrea Lupi un Deivids Menons.