Лекция 2 - Когнитивна невронаука

Какво представлява когнитивната невронаука?

Когнитивната невронаука изследва връзката между мозъчните процеси и умствените функции. Основният въпрос, който тя си поставя, е как познанието – възприятието, паметта, езикът, вниманието, мисленето – се реализират във физическата структура на мозъка. С други думи, когнитивната невронаука се опитва да отговори на въпроса как „умът“ се случва в „мозъка“.

Когнитивните невроучени разглеждат мозъка като система, която преработва информация. Те се интересуват от това как е организиран един мозък, така че да извършва сложни изчисления – например как разпознаваме лице за части от секундата или коя мозъчна област се активира, когато решаваме математически задачи.

Каква е връзката между мозък и ум?

Съществуват два основни подхода при изследването на мозъчните и умствените процеси. Неврологично ориентираният подход поставя акцент върху мозъчната анатомия и се стреми да разбере функциите на конкретни мозъчни зони. Типичен пример е изследването на хипокампа – неговата анатомия, връзките му с други области и ролята му за паметта.

Психологически ориентираният подход, от своя страна, тръгва от умствените способности и търси мозъчните структури, които ги поддържат. Например, изследователите могат да се запитат дали мозъчните зони, които ни позволяват да четем, са същите като тези, които ни позволяват да пишем. Тези два подхода не се изключват, а се допълват.

Как е организирана нервната система и каква е ролята на неврона?

Основната единица за предаване на информация в нервната система е невронът. Човешкият мозък съдържа приблизително 100 милиарда неврони, които си взаимодействат чрез изключително сложна мрежа от връзки.

Всеки неврон има сома (тяло), дендрити (крайници, които приемат информация), аксон (връзка към други неврони), и терминални бутони (окончанията на аксона). Връзката между два неврона се осъществява чрез синапс, където химичните вещества – невротрансмитери – пренасят сигнала.

Когато невронът не е активен, той се намира в състояние “потенциал на покой” – вътрешната му мембрана е по-негативна заредена от външната среда. Към всеки неврон се изпращат сигнали - възбуждащи (зареждат положително) и потискащи (зареждат негативно). Ако мембраната стане по-малко отрицателна, невронът “пали” и минава в състояние “потенциал на действие”.

Потенциалът на действие работи на принципа „всичко или нищо“ – или се случва, или не. Това може да се сравни с натискането на бутон за осветление - лампата никога не свети “малко”, тя или е включена, или не.

Когато потенциалът на действие достигне края на аксона, той предизвиква освобождаване на невротрансмитери в синаптичната цепка. Те се свързват с рецепторите на съседния неврон и предизвикват промяна в неговия електрически заряд - т.нар. “постсинаптичен потенциал”.

Тези постсинаптични потенциали са слаби и трябва да се натрупат, за да доведат до нов потенциал на действие в съседния неврон. В аксоновия хълм на неврона се събират множество възбуждащи и потискащи сигнали, като крайният резултат определя дали клетката ще „запали“ (това ще се случи, ако са повече възбудни).

Как от прости нервни процеси възниква интелигентното поведение у човека?

На пръв поглед взаимодействието между невроните изглеждат твърде елементарно, за да обясни сложното човешко поведение. Един неврон може да бъде сравнен с малък компютър, но представете си какво става, когато човешкият мозък има милиарди такива „малки компютри“, които работят едновременно!

Макар че сигналите между отделните неврони се предават сравнително бавно в сравнение с модерните компютри, огромният брой едновременно протичащи процеси компенсира тази бавност доста умело.

Също така, невроните никога не разбират какъв е интензитета на стимула (електрическия сигнал), който идва към тях, тъй като потенциалът им на действие винаги е с една и съща големина. Вместо това интензитетът се кодира чрез честотата, с която невронът „пали“.

Това може да се сравни с калашник – силата на звука не зависи от това колко силно натискаме спусъка, а от това колко често го натискаме.

Как мозъкът представя и съхранява информацията?

Отделните неврони реагират на специфичните характеристики на стимулите, но сложните преживявания не могат да бъдат кодирани от единични клетки. Вместо това информацията се представя чрез шаблони на нервна активация.

Тези шаблони са динамични и краткотрайни, затова трайното знание се съхранява чрез промени в синаптичните връзки. Опитът води до увеличено освобождаване на невротрансмитери и до повишена чувствителност на рецепторите, което улеснява бъдещото активиране на същите шаблони.

Как е организиран мозъкът?

Мозъкът се състои от множество структури, сред които гръбначният мозък, продълговатият мозък, малкият мозък, мостът, средният мозък, таламусът и хипоталамусът. Особено значение за когнитивните процеси има мозъчната кора.

Мозъчната кора е тънък слой, който обвива мозъка и съдържа по-голямата част от невроните. Посредством нея можем да мислим, говорим и планираме. Тя е разделена на дялове, всеки от които участва в различни когнитивни функции:
фронтален (челен) - абстрактно мислене, решаване на проблеми, планиране, преценка за ситуацията, първична моторика
париетален (теменен) - първична сензорна част
темпорален (слепоочен) - слухова преработка, разбиране на езика, съхранение на зрителни спомени
окципитален (тилен) - зрителна преработка за цвят, движение и местоположение

Отделно от това, историческите изследвания върху пациенти с мозъчни увреждания показват, че определени когнитивни функции са свързани с конкретни мозъчни области. Класически примери са зоните на Брока¹ и Вернике², свързани с езика, и разделянето на двете мозъчни полукълба - лявото отново свързано с езика, а дясното - с ориентиране в пространството.

Съвременните изследвания обаче показват, че повечето умствени задачи изискват координирана работа на множество мозъчни зони и често ангажират и двете хемисфери.

Как когнитивната невронаука изследва мозъка?

Когнитивната невронаука използва разнообразни методи за изследване на мозъка. Традиционните postmortem изследвания анализират мозъчните лезии (увреждания) след смъртта на пациента. Записите на единични клетки пък позволяват директно измерване на активността на отделни неврони.

Електроенцефалографията и свързаните със събития потенциали предоставят информация за времевия ход на мозъчната активност (например как работи мозъкът ни, когато спим и когато решаваме задачи).

Метаболитните образни техники пък, като PET (позитронно-емисионна томография) и функционалният ЯМР (ядрено-магнитен резонанс), позволяват да се визуализира кои мозъчни области са активни по време на конкретни задачи (вижда се в кои зони на мозъка нахлува повече кислород).

Друг подход е TMS (транскраниална магнитна стимулация). Върху главата на човек се поставя намотка и след това се пуска ток по нея. Токът генерира магнитно поле, което нарушава малка зона от мозъка и създава кратковременна „лезия“ в мозъка. Така изследователят изучава когнитивното функциониране, когато тази зона е нарушена.

Въпреки огромния си потенциал, невроизобразяващите техники също имат своите ограничения. Те често измерват мозъчната активност индиректно, имат ограничена резолюция, забавят се и изискват сложна статистическа обработка.

Какви митове за мозъка опровергава когнитивната невронаука?

Един от най-разпространените митове е, че хората използват само 10% от мозъка си. Този мит противоречи както на еволюционната логика, така и на емпиричните данни – мозъкът използва огромно количество енергия всеки ден и почти всички негови части са активни непрестанно.

Друг популярен мит е, че при някои хора доминира лявото, а при други – дясното полукълбо. В действителност двете хемисфери работят заедно и се различават по начина, по който обработват информация, а не по това кое работи повече.

Бележки:

¹ Зона на Брока - мозъчна област, отговорна за продукцията на реч и граматична организация на изказа (ако е увредена, можем да разбираме реч, но не и да говорим)

² Зона на Вернике - мозъчна област, която отговаря за разбирането на устната и писмената реч (ако е увредена, можем да говорим, но не и да разбираме)