Κατανοώντας πώς η δομή του εγκεφάλου και οι λειτουργίες του δημιουργούν τη συνείδηση

Ένας χονδρικός ορισμός της συνείδησης ως εμπειρία του εαυτού μας και του έξω κόσμου, μπορεί να θεωρηθεί ότι πάει και έρχεται. Κατά τη διάρκεια του ύπνου χωρίς όνειρα μοιάζει να απουσιάζει, όπως φαίνεται επανεμφανίζεται κατά τη διάρκεια του έντονου ονείρου, πριν εμφανιστεί περισσότερο οριστικά στην αφύπνιση. Όμως το πώς ο εγκέφαλος μεταβαίνει μεταξύ των καταστάσεων αυτών είναι ελάχιστα κατανοητό.

Αναγνωρίζοντας ότι η απάντηση μπορεί να βρίσκεται στην νευροεπιστήμη, ένας από τους σκοπούς του Προγράμματος για τον Ανθρώπινο Εγκέφαλο (Human Brain Project ή HBP) είναι να αναπτύξει ένα πολύπλοκο μοντέλο που χαρακτηρίζεται από ρεαλιστική συνδεσιμότητα, λεπτομερή νευρωνική δυναμική και κανόνες μάθησης: ένας εγκέφαλος που αναλαμβάνει πολλαπλές γνωστικές δράσεις συμπεριλαμβάνοντας διαφορετικές περιοχές του φλοιού.

Αναπαράγοντας τη βασική δραστηριότητα και γνωστικές λειτουργίες

Το πρόγραμμα «Network models for consciousness» στο πλαίσιο του HBP σχεδιάστηκε για την καλύτερη κατανόηση της σχέσης μεταξύ δομής και λειτουργίας του εγκεφάλου, για να εξηγήσει την εμφάνιση της δυναμικής του περίπλοκου δικτύου που επιτρέπει την αντίληψη, την πρόβλεψη, την κατευθυνόμενη σε στόχο συμπεριφορά και άλλες ανώτερου βαθμού γνωστικές λειτουργίες.

«Πώς είναι δυνατόν η ίδια ανατομική δομή, το πολύπλοκο δίκτυο του εγκεφάλου μας που ονομάζεται “δικτύωμα“, να μπορεί κάποιες φορές να φιλοξενεί τη περιπλοκότητα της συνείδησης και κάποιες άλλες να υπάρχει φαινομενικά ως γκρίζα ύλη; Αυτό είναι ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της βιολογίας ή ακόμη και της φυσικής», αναφέρει ο καθηγητής Marcello Massimini, ερευνητής του προγράμματος.

Μία από τις προκλήσεις της κατασκευής ενός ρεαλιστικού, οδηγούμενου από τα δεδομένα, πολλαπλών διεργασιών μοντέλο της συνείδησης είναι του να σχεδιάσουν τις σωστές δομικές και λειτουργικές παραμέτρους για το μοντέλο για να αναπαραχθεί η ανάδυση των ισορροπημένων, πολύπλοκων μοτίβων δραστηριότητας. «Τα υπάρχοντα μοντέλα αναπαράγουν είτε ειδικές γνωστικές λειτουργίες ή ολιστικές εγκεφαλικές καταστάσεις, αλλά δεν μπορούν να αντιμετωπίσουν και τα δυο. Αυτή η ισορροπία μεταξύ διαφορετικότητας και ενότητας είναι που κάνει τον εγκέφαλο ιδιαίτερο όσον αφορά τη συνείδηση», σημειώνει ο καθ. Marcello Massimini.

Το πρόγραμμα επωφελείται από τη μοναδική έκταση της εμπειρίας του HBP για να κατασκευάσει ένα μοντέλο χρησιμοποιώντας μια κοινή υποδομή που συναποτελείται από διάφορους πόρους, στους οποίους συμπεριλαμβάνονται: άτλαντες, νευροπληροφορική, προσομοίωση εγκεφάλου, υψηλών επιδόσεων ανάλυση και υπολογιστική, ιατρική πληροφορική και νευρομορφική υπολογιαστική. Αυτή η «ραχοκοκαλιά» συλλέγει, επιμελείται, και ενσωματώνει δομικά και λειτουργικά δεδομένα σε μια κλίμακα που εκτείνεται από μεμονωμένους νευρώνες μέχρι τον όλο εγκέφαλο. Η ενσωμάτωση και των δυο, υψηλού επιπέδου, ευρείας κλίμακας μοντέλων που αναπαράγουν την ολική εγκεφαλική δυναμική (top-down) και λεπτομερή, βιοφυσικά μοντέλα της πραγματικής νευρωνικής λειτουργίας (bottom-up), θα είναι το βασικό βήμα.

Ιατρικές επιπτώσεις και παραπέρα

Τα αποτελέσματα του προγράμματος, που συνδυάστηκαν με άλλα από το HBP, διαμορφώνουν μια πολύ συνεκτική εικόνα. Για παράδειγμα, εμπειρική έρευνα με τρωκτικά έχει δείξει ένα βασικό νευρωνικό μηχανισμό για συνειδητή αντίληψη αισθητηριακών ερεθισμάτων. Η διεργασία αυτή, γνωστή ως «κορυφαία δενδριτική ενίσχυση» (apical dendritic amplification), ανιχνεύθηκε επίσης στο οπτικό σύστημα του ανθρώπου και αναπαράχθηκαν σε υπολογιστικές προσομοιώσεις, καθώς και σε νευρομορφικά μικροκυκλώματα για να βελτιώσουν την αναγνώριση εικόνας.

Παράλληλα, οι δραστηριότητες αυτές έχουν διασαφηνίσει τους μηχανισμούς με τους οποίους επαναλαμβάνονται πολύπλοκες αλληλεπιδράσεις του φλοιού που διακόπτονται αφού πέφτει κάποιος σε ύπνο, οπόταν οι νευρώνες δεν μπορούν να παρακολουθούν τα εισιόντα που δέχονται. «Χάρη στην κοινή μας υποδομή, οι δυο γραμμές έρευνας μπορεί σύντομα να ενσωματώσουν ένα μηχανισμό ενοποίησης, που αιτιολογεί τόσο την αισθητηριακή αντίληψη ειδικού περιεχομένου, όσο και τις καταστάσεις μετάβασης του όλου εγκεφάλου», είπε ο καθ. Marcello Massimini.

Η εργασία έχει σημαντικές ιατρικές επιπτώσεις για την αξιολόγηση της ασθενούς συνείδησης και τη θεραπεία διαταραχών, συμβάλλοντας στην παρατήρηση κατά τη διάρκεια της απώλειας και της ανάκτησης της συνείδησης στον ύπνο, της αναισθησίας, του κώματος και των σχετικών καταστάσεων. Προς το παρόν, υπάρχει έλλειψη σαφών συμπεριφορικών κατευθυντήριων γραμμών βασισμένων στον εγκέφαλο, κρίσιμων στην εντατική ιατρική θεραπεία.

Τα αποτελέσματα είναι επίσης σημαντικά για τις διεπαφές εγκεφάλου-μηχανής, όπως αυτές για αποκατάσταση αισθητηριακών λειτουργιών, καθώς επίσης για τις μελλοντικές αρχιτεκτονικές τεχνητής νοημοσύνης.

Πηγή: CORDIS (European Commission)

Περισσότερα στο: Human Brain Project (HBP)