1. "Mózg i umysł: rozwój.

Poprzednia część wykładu: filozofia umysłu i inne spekulacje.
Największe postępy w rozumieniu umysłu wynikły z badań nad mózgiem.
Hipoteza: umysł jest częścią tego, co robi mózg. Co robi mózg?

Najpierw należy scharakteryzować mózgi z grubsza.
Głównie próba zrozumienia sposobu działania mózgu - funkcji umysłu, mniej opis działania części sensorycznych.
Neurofizjologia behawioralna - nauki na pograniczu mózg/umysł, badanie wpływu stanów mózgu na zachowanie.

Dwie perspektywy patrzenia na działanie mózgu: ewolucyjna i opisowa.
Selekcja z repertuaru istniejących możliwości czy uczenie się? Układ immunologiczny - selekcja.
Perspektywa ewolucyjna: selekcja na poziomie odruchów naturalnych, zdolności językowych i możliwości rozumowania.
Uczenie się = proces selekcji możliwości wybranych przez naturę na drodze doboru naturalnego.
Ewolucja wytworzyła specyficzne struktury mózgu odpowiedzialne za określone zachowania.

Widzenie kolorów, przydatne do odróżniania dojrzałych owoców => specyficzny układ wzrokowy, nie wszystkie zwierzęta widzą kolory.

Orientacja przestrzenna przydatna jest u ssaków => mapy przestrzenne, pamięć.

Mowa u ludzi => ośrodki mowy, których brakuje zwierzętom.

Mózg potrzebny jest do kontroli złożonego zachowania.
Ptaki śpiewające zwiększają w okresie godowym rozmiary swojego mózgu.
Co może się stać jeśli mózg przestaje być potrzebny?

	Młoda żachwa ma mózg i powrózek nerwowy
	Po osiągnięciu dojrzałości przytwierdza się do skały Stopniowo wchłania swój mózg Pozostaje tylko węzeł nerwowy przydatny do kontrolifiltrowania pokarmu.

Ogólna anatomia i budowa komórkowa większości organizmów jest bardzo podobna.
Różnice zachowań gatunków zwierząt są wyrazem różnicy budowy mózgów.

Biologa ewolucyjna widzi rozwój zdolności poznawczych człowieka z punktu widzenia problemów adaptacji.

Czy możliwości człowieka są w pełni zdeterminowani przez geny?
Czy jest w nich dostatecznie dużo informacji?

Złożoność informacji genetycznej.

Język genetyczny DNA ma 4 litery, kombinacje par zasad nukleinowych. A-T, T-A, G-C, C-G A=Adenina, T=Tymina, G=Guanina, C=Cytozyna

Kodony: 3 litery to jedna sylaba, 4*4*4=64=2⁶ możliwości.
Sylaby kodują wytwarzanie 20 aminokwasów łączących się w łańcuch białkowy.
Gen = odcinek DNA kodujący złożone z łańcuchów aminokwasów białka budujące komórki (ekspersja, transkrypcja genów) lub kontrolujące procesy w komórkach (enzymy).

U człowieka - około 30.000 genów (zaskoczenie, że tak mało!);
najprostsza bakteria ma ok. 500 genów, fagi i wirusymają od kilku do kilkuset genów.
Niektóre rośliny, płazy, małże a nawet insekty mają znacznie większe genomy niż ssaki (rośliny nawet 1000 razy).
Tylko 3% DNA człowieka to geny, reszta to prawdopodobnie szum, chociaż są w nim elementy regulujące działanie genów.

DNA Mamy 23 pary chromosomów; chromosom 1 ma 282 M liter (par zasad), chromosom 21 ma 45 M par zasad.
Cały genom ma ok. 3 mld liter = 1 mld sylab, 3 310 004 815.

Informacja: potrzeba 6 bitów/sylabę x 1 mld sylab = około 6 Gbitów, mniej niż 1 GBajt
250 tomów po 1000 stron, ok. 12 metrów półek.

Ilość informacji genetycznej nie wzrasta od miliardów lat.
Płeć: XX u kobiet a XY u mężczyzn; chromosom X ma wyjątkowo dużą liczbę genów związanych z mózgiem, więc zdolności dziedziczone po kądzieli.
Ewolucja pozagenetyczna - informacja gromadzona w mózgu.
Jak ocenić ilość informacji w mózgu?

Mózg człowieka w liczbach
Masa:

• Niemowlę średnio 350 gramów, 12% całkowitej wagi ciała.
• Dorosły średnio 1375 gramów (od 1-2.5 kg), kobiety 150 gramów mniej, 2% masy ciała

Objętość 1.4 litra.

Masa mózgu na osi pionowej; masa ciała na poziomej

ludzie > małpy naczelne > inne ssaki (rzędu 1/100) > ptaki > gady > płazy > ryby
Dinozaur o masie wieloryba miałby mózg 100 razy lżejszy.

Moc elektryczna: ok. 25 Watów, osiągana już w trzecim roku życia.
Liczba stanów: nieograniczona.
Zużycie energii: ok. 20% całkowitej energii, przy 2% masy całego ciała.

40 mld neuronów, 30 mld móżdżek, > 8 mld kora, < 2 mld pozostałe

Synapsy neuronów:

• kora 4000/neuron, 3x10¹³ połączeń,
• móżdżek 3x10¹² połączeń,
• pozostałe 2x10¹³ połączeń,
• razem 5x10¹³,

Pojemność rzędu 50 x 10¹²=50 Tbitów traktując każda synapsę jako bit.

Oszacowanie przepływu informacji (świadomego):
Wzrok ok. 5000 bitów/sek;
Oszacowanie: 5 sakkad/sek, pole ostrego widzenia 2 stopnie; (Księżyc ma 0.5 stopnia łuku, widać ok. 12 el o wielkości 0.5/12=0.04 stopnia); w polu widzenia jest (2/0.04)² = 2500 pikseli, max. 20 bitów/pikseli, ok. 50 kbit/pole, zapamiętanie wymaga 10 sek, czyli ok. 5 kbit/sek.
Pozostałe zmysły 100 bitów/sek,
W ciągu 60 lat życia około 10 Terabitów.

Moc obliczeniowa: 5x10¹³ połączeń, zmiana rzędu 100 Hz, 5x10¹⁵ operacji/sek = 5 Petaflopów
Mózg na VLSI: 10x10x32 metry, 10 TB RAM, 1-10 Pflopów
IBM Blue Gene w 2005 roku - porównywalna moc obliczeniowa

Ilość informacji genetycznej (w bitach) wykreślona w zależności od daty powstania (linia niebieska), oraz ilość informacji pozagenetycznej, gromadzonej w mózgach (linia czerwona). Na osi pionowej czas w skali logarytmicznej.

Oszacowania neuroanatomiczne: mózg maksymalizuje ilość połączeń.
Każdy neuron połączony z każdym: kula o r=80 metrów!
Przypadkowe połączenia, ok. 10.000/neuron - kilka metrów.
Chaos w małej skali, porządek w dużej.

Mózgi zwierząt

	Ameby, powstałe prawie 4 mld latu nie mają układu nerwowego, podobnie wielokomórkowe gąbki; dopiero meduzy mają zaczątki nerwów .
	Pierścienice, jak ich poprzedniczki sprzed 500 milionów lat (Kambr), mają zwój nerwowy w głowie oraz brzuszny pień nerwowy. Dlaczego mamy skrzyżowane wiązki nerwów? Bo pierścienice mają odruch skręcający!
	Ryby mają mózg, móżdżek, opuszkę węchową i rdzeń kręgowy. Pierwsze ryby z okresu syluru (440 mln lat temu) miały już zróżnicowany układ nerwowy.
	Konik polny ma ok. 16.000 neuronów. Owady powstały w dewonie, ok. 400 mln lat temu.

Mózg gadów jest wyraźnie większy i podzielony na dwie półkule. Głowa jest wysunięta do przodu, zgodnie z kierunkiem poruszania się, umożliwia to szybkie reakcje. Mózg reguluje homeostazę, przetwarza dane zmysłowe i umożliwia złożone zachowania motoryczne.

Ssaki, powstałe w okresie jurajskim (ponad 200 mln lat temu) mają znacznie większe mózgi z rozbudowanym układem limbicznym i rozrośniętą korą.

Ptaki mają złożone mózgi z rozbudowanym układem limbicznym, ale ich kora mniejsza jest od ssaków.

Australopitek (4-5 mln lat, czaszka < 0.5 litra); Homo habilis (2,5 mln lat, 0,65 l); Homo erectus (1.5 mln lat, 1 l); Homo neandertalis (1,6 l) oddzielił się od przodków Homo sapiens 250.000 lat temu, ostatni neandertalczyk żył ok. 35.000 lat temu.

Porównanie wielkości mózgów zwierząt i człowieka.

Porównanie mózgów zwierząt z uwzględnieniem kory i móżdżka.

Etapy filogenezy (rozwoju ewolucyjnego) widoczne są w ontogenezie (rozwoju osobniczym)?

Pierwsze neurony: w 4-5 tygodniu ciąży, z ektodermy, dzięki ekspresji genów homeotycznych, podobnych muszki owocówki do człowieka. Wzrost - czynniki neurotroficzne, NGF (neuron growth factor). Mutacja jednego genu LIS 1 z chromosomu 17 daje w wyniku brak pofałdowania kory mózgu.

W 5 tygodniu postają pierwsze neurony. Neurony dzielą się ok. 70-100 razy a potem przestają. Cewka nerwowa u wszystkich kręgowców tworzy 5 pęcherzyków.

U szympansa o 3 podziały mniej niż u człowieka, 8x mniejszej kora. Kręgowce - 3 warstwy neuronów w korze.
Ssaki - nowe warstwy przebijają się do góry, po czym górna warstwa starych neuronów wymiera.
Dolne warstwy (VI) kory wypuszczają aksony w stronę wzgórza i odwrotnie.

Z 5 pęcherzyków: rdzeniomózgowie, tyłomózgowie (most i móżdżek), środmózgowie (nakrywka pnia mózgu i pokrywa), międzymózgowie (układ limbiczny, oczy, szyszynka) i kresomózgowie (kora nowa, układ węchowy, jądra podstawy mózgu.

Zawiązki móżdżku u człowieka dopiero w 12 tyg.
Szybka faza rozwoju, następnie regresji, zwanej apoptozą.
W korze mózgu 50 do 90% wymiera, znaczna reorganizacja kory.
Brak precyzji chemicznej wymaga apoptozy?

Szlaki nerwowe powstają przed receptorami. Rola czynników wzrostu.
Maksymalne tempo wzrostu mózgu - 5 miesiąc; do 1 roku po urodzeniu.

4 miesiące:

• 15 schematów ruchowych, pierwsze specyficzne odruchy.
• Reakcje na światło.
• Na poziomie pnia mózgu - nieregularna aktywność elektryczna.
• Różnicowanie wrażeń smakowych.

5 miesiecy:

• Smak w pełni sprawny.
• Reakcje na dźwięki

6 miesiąc: odróżnialny sen i czuwanie, rekacje na mowę.
8 mc. sen REM i ruchy oczu.

Narodziny: duży mózg sprawia najwięcej kłopotów, chociaż jego masa to zaledwie 1/4 mózgu dorosłego.
Gwałtownie wzrasta gęstość synaptyczna połączeń miedzy neuronami, w korze od 2500/neuron w momencie narodzin, do 15000 w wieku 3 lat i spada powoli do połowy tej wartości.
Aktywność mózgu (w sensie zużycia energii) rośnie, w weiku 2 lata osiąga poziom dorosłego, w wieku 3 lat przewyższa go dwa razy i utrzymuje się do 9-10 roku życia, po czym powoli się zmniejsza by osiągnąć stabilny poziom koło 18 roku życia.

Rok po urodzeniu kora ruchowa łączy się z lędźwiową częścią rdzenia kręgowego, zanika odruch Babińskiego.

2 lata - masowa reorganizacja kory mózgu, amnezja dziecięca.

6 lat - mózg 3x większy niż w momencie narodzin.
Ok. 12 lat - stabilizacja płatów czołowych.
Ok. 20 lat - koniec reorganizacji, niewielkie zmiany (?) przez całe życie.

Każdy ma inny mózg, nawet bliźnięta jednojajowe (zdjęcia fMRI).
Odżywianie, zatrucia chemiczne, skład chemiczny wód płodowych ma wpływ na rozwój mózgu.

Ssaki: etapy rozwoju mózgu są b. podobne.
Otwarcie oczu: T=6 miesięcy, naturalna skala czasowa.
Neurony w warstwach kory: 30%T dla warstwy V, 100%T dla I oraz II.

Zachowanie człowieka - geny czy środowisko?
"Duch nad materią" - nie tyle przeceniany, co niezrozumiany.
Psychoanaliza: autyzm = oziębłość matki, zbyt natrętne sadzanie na nocniku - zupełne bzdury?

Geny: "wszyscy ludzie zostali stworzeni równymi", lepiej o różnicach zapomnieć!
Związki genów z przestępczością, różnice inteligencji, rasy ludzkie.

Socjobiologia oraz psychobiologia i psychologia Darwinowska - głównie badania nad zwierzętami.
Minnesota Center for Twin and Adoption Research (1979 r).
W 70% inteligencja wynika z genów? Inne badania: tylko 30%, jeśli odrzucić mutacje prowadzące chorób UN.
Korelacja IQ dzieci niespokrewnionych - 20%.

Herrnstein i Wilson, "Crime and Human Nature" (1985)
Mordercy - 30 x więcej mężczyzn niż kobiet; poziomu testosteronu?
Ale w Chicago 30 x bardziej skłonni do morderstwa niż w Anglii.
Tendencja do używania gramatyki - genetyczna; wybór języka - środowisko.

Wielkie mózgi sprawiają kłopot - czytajcie "Galapagos" K. Vonneguta!
W bólach rodzić będziesz ... to przez ten wielki mózg.

Julian Jaynes (Princeton): świadomość istnieje zaledwie 3-4 tysięcy lat.
Język początkowo był dosłowny, najpierw pojawiły się rzeczowniki, później asocjacje opisujące świat wewnętrzny.
Czasowniki abstrakcyjne pochodzą od konkretnych pojęć, np. w sanskrycie: "być" - "bhu", czyli rosnąć; "jestem" - "amsi", czyli oddychać (ang. "am", niem. "atmen").

Świadomość: synteza działania obu półkul mózgu. Cechy:

• projekcja czaso-przestrzenna;
• wybór sceny, modelu, treści umysłu;
• projekcja personifikacji "ja" w przestrzeni i w czasie;
• narracyjny wybór spójnych sekwencyjnych zdarzeń;
• skojarzenia i asymilacja doświadczeń.

Do -1500 roku słowa mają tylko znaczenia konkretne (np. w Illiadzie).
Psyche = "oddech" a nie "dusza".
Niepełna integracja półkul mózgu?
Prawa zarządza głosami bogów, lewa wykonuje.
Stres: zamiast świadomości wyboru polecenie - głos autorytetu.

Halucynacje słuchowe w schizofrenii - często komentarze zdarzeń.
Drażnienie kory skroniowej: wywołuje głosy krytykujące, doradzające, nakazujące ...
M. Persinger: stymulacja lewego płata dolnoskroniowego wywołuje poczucie mistycznej obecności.
Wizje, brak poczucia czasu, rytm i muzyka, intuicja - sacrum, wynik halucynacji.

Rządy teokratyczne sprzed 10 tys. lat: władcy-bogowie (jeszcze do połowy XX wieku w Japonii!), "ślepe" posłuszeństwo.
Wieża Babel - ślad z okresu, gdy słyszano zbyt wiele głosów?
W greckich eposach boskie głosy informują o decyzjach.
Anarchia po upadku teokracji w Asyrii i w Japonii trwała setki lat.
Pismo alfabetyczne, ok. -2000 lat, Egipt.
Rozwój lewej półkuli, myślenie samodzielne - opór bogów.

"Fajdros" Platona: bóg Tot nauczył sztuk i pisma lud króla Tamuza, który go tak krytykuje (ustami Sokratesa):

Ten wynalazek niepamięć w duszach ludzkich posieje, bo człowiek, który się tego wyuczy, przestanie ćwiczyć pamięć; zaufa pismu i będzie sobie przypominał wszystko z zewnątrz, ze znaków obcych jego istocie, a nie z własnego wnętrza, z siebie samego. Więc to nie jest lekarstwo na pamięć, tylko środek na przypominanie sobie. Uczniom swoim dasz tylko pozór mądrości, a nie mądrość prawdziwą. Posiędą bowiem wielkie oczytanie bez nauki i będzie się im zdawało, że wiele umieją, a po większej części nie będą umieli nic i tylko obcować z nimi będzie trudno; to będą mędrcy z pozoru, a nie ludzie mądrzy naprawdę.

Po -1500 roku pojawiają się w literaturze metafory i decyzje zależą od ludzi (np. w Odysei).

Trudno zweryfikować taką teorię: mogą pomóc badania literackie i językoznawcze.
Świadomość pierwotna widoczna u zwierząt, refleksyjna tylko u dorosłych ludzi?
Plamy na czole i reakcja dzieci oraz szympansów.
"Interpretator" w lewej półkuli mógł powstać niedawno, okresie historycznym.
Umysły, postrzeganie świata zmienia się z pokolenia na pokolenie.

Nie będzie czasu na dalszą naturalną ewolucję mózgu! Niedługo zaczniemy naprawiać i udoskonalać mózgi.

Wzrok, słuch już naprawiamy za pomocą implantów.
Zapobieganie napadom wściekłości przez hamowanie jąder migdałowatych, stymulacja jąder podstawy mózgu w chorobie Parkinsona.
Bezpośredni dostęp do komputerowych danych? Trudno je będzie zintegrować z modelem świata.

Sterowanie myślami w grach nadchodzi!
Szybki jak myśl? Myśl jest wolniejsza od działania (wie to każdy sportowiec), ale podłączenie bezpośrednie do mózgu, nawet za pomocą EEG, pozwala na szybsze reakcje.

Przeszczepy mózgu - możliwe w przyszłości.