Kto tu rządzi - ja czy mój mózg? Neuronauka a istnienie wolnej woli ebook

Michael S. Gazzaniga

Kto tu rządzi - ja czy mój mózg?

Nauronauka a istnienie wolnej woli

Przekład: Agnieszka Nowak-Młynikowska

Wersja demonstracyjna

Carol Tavris, Elliot Aronson

Błądzą wszyscy (ale nie ja)

Dlaczego usprawiedliwiamy głupie poglądy, złe decyzje i szkodliwe działania

Richard E. Nisbett

Geografia myślenia

Dlaczego ludzie Wschodu i Zachodu myślą inaczej

Wiesław Łukaszewski

Wielkie (i te nieco mniejsze) pytania psychologii

Michael S. Gazzaniga

Istota człowieczeństwa

Co czyni nas wyjątkowymi

Michael S. Gazzaniga

Kto tu rządzi? Ja czy mój mózg?

Neuronauka a istnienie wolnej woli

Simon Baron-Cohen

Teoria zła

O empatii i genezie okrucieństwa

Jonathan Haidt

Prawy umysł

Dlaczego dobrych ludzi dzielą polityka i religia?

Steven Pinker

Piękny styl

Przewodnik człowieka myślącego po sztuce pisania XXI wieku

Walter Mischel

Test Marshmallow

O pożytkach płynących z samokontroli

Richard E. Nisbett

Mindware

Narzędzia skutecznego myślenia

Dan Ariely

Szczera prawda o nieuczciwości

Jak okłamywać wszystkich, a zwłaszcza samych siebie

Thomas Gilovich, Lee Ross

Najmądrzejszy w pokoju

Jakie korzyści możemy czerpać z najważniejszych odkryć psychologii społecznej

Adam Galinsky, Maurice Schweitzer

Przyjaciel i wróg

Kiedy współpracować, kiedy rywalizować i jak odnosić sukcesy w jednym i drugim

Dan Ariely

Potęga irracjonalności

Ukryte siły, które wpływają na nasze decyzje

Dan Ariely

Grosz do grosza

Jak wydawać mądrze i jak unikać pułapek finansowych

PODZIĘKOWANIE

PRZEDMOWA

Neuronauka to coś więcej niż kolejna dyscyplina akademicka. Pojawił się bowiem przodek nowych dyscyplin, których jeszcze nie znamy, ale które staną się czymś powszednim dla naszych dzieci, a już na pewno dla wnuków. Neuronauka opisuje, jak działa mózg w reakcji na codzienne wydarzenia, takie jak smakowanie potraw, rozmowa z bliskimi, oglądanie nudnego filmu czy stres przed oświadczynami. Stara się przewidzieć, na co mózg zwraca uwagę, co zapamiętuje, co go przepełnia emocjami. Do tej pory wiedzą o codzienności zajmowały się nauki społeczne. Z mniejszą lub większą swobodą opisywały to, o czym człowiek myśli, co czuje, jak podejmuje decyzje. Tworzyły jego obraz na podstawie werbalnego samoopisu, czyli tego, co sobie uświadamiamy i o czym jesteśmy w stanie opowiedzieć. Tymczasem wielu procesów, jakie zachodzą w naszym umyśle, świadomi nie jesteśmy. Przedstawiciele psychologii eksperymentalnej oraz neuronauki od lat potwierdzają zasadność metafory Freuda, że psychika jest jak góra lodowa – to, co świadome, to jedynie jej czubek. Ale jak poznać i opisać nieświadomość? Na pewno nie za pomocą ankiety bądź kwestionariusza. Przydałoby się tutaj coś bardziej wyrafinowanego i zaawansowanego niż technika papier-ołówek. Takimi technologiami dysponuje neuronauka. Potrafi obrazować procesy biologiczne zachodzące w mózgu, i to w czasie rzeczywistym. A tacy ludzie, jak Damasio, LeDoux, Cacioppo czy Gazzaniga, w swoich potężnych laboratoriach, wyposażonych prawie jak statki kosmiczne, potrafią mapować reakcje biologiczne na zjawiska psychologiczne i vice versa. Prawdopodobnie nasze dzieci będą mogły robić to samo za pomocą smartfonów, na przykład w drodze na randkę, ale to już zupełnie inna historia.

Profesor Michael Gazzaniga mieszka w idyllicznej Santa Barbarze w Kalifornii i od półwiecza nieprzerwanie opisuje zasady działania mózgu, najbardziej skomplikowanego i energochłonnego organu naszego ciała. Prowadzi badania nad funkcjonalną lateralizacją mózgu, czyli nad tym, jak półkule komunikują się ze sobą. Jest oficjalnie uznawany za współtwórcę neurokognitywistyki, dziedziny wiążącej neurobiologię z psychologią (w 1964 roku otrzymał doktorat z psychobiologii). Jest także założycielem bądź prezesem prominentnych towarzystw naukowych i czasopism, redaguje prestiżową serię książek Cognitive Neurosciences (MIT Press), prezentującą wyniki badań blisko dwustu neuronaukowców z całego świata. O jego dokonaniach wspominał Stanisław Lem w książce Pokój na ziemi (Wydawnictwo Literackie, 1987).

Gazzaniga pisze nie tylko specjalistyczne artykuły akademickie, ale też książki adresowane do szerokiej publiczności. Najnowszą z nich jest właśnie ta. Pomysł na nią zrodził się podczas Wykładów Gifforda - cyklicznych spotkań tuzów uniwersyteckich z gronem amatorów zainteresowanych religią, nauką i filozofią. Gazzaniga buduje w niej interdyscyplinarny pomost między neuronauką, psychologią, etyką i prawem. Robi to z godną pozazdroszczenia swadą i erudycją. Czy mamy wolną wolę, a w konsekwencji - czy jesteśmy odpowiedzialni za swoje czyny? To przewodnie pytanie, które Gazzaniga zadaje i sobie, i nam. Jaka jest prawdziwa natura umysłu, zdeterminowana czy wolna? Przez stulecia wierzono, że to duch panuje nad materią, a człowiek jest predestynowany do sprawowania kontroli nad psychiką. Wolna wola jest tak silna, że może góry przenosić. Poglądy te były zbieżne z postępującą demokratyzacją świata. W ostatnich dekadach jednak dzięki gwałtownemu postępowi w naukach biologicznych, szczególnie w genetyce, coraz częściej pojawiały się stanowiska zgoła odmienne. Środowisko i wola mogą wiele, ale natura i geny – jeszcze więcej. Zachowania człowieka w większości są automatyczne i pozbawione jakiejkolwiek refleksji, a nazwę gatunkową „człowiek rozumny” otrzymaliśmy nieco na wyrost. Iluzja wolnej woli to tytuł jednej z bardziej wpływowych książek wydanych na początku nowego milenium. Neuronauka idealnie wpasowuje się w dyskusję, a sam Gazzaniga, wyraźnie zafascynowany potęgą neuronów, jednocześnie polemizuje z ich wszechwładzą. Lektura Kto tu rządzi? przyniesie korzyść wszystkim. Ciekawych świata laików oprowadzi po fascynującym świecie mózgu i umysłu, a zawodowym badaczom podpowie, jak pisać o nauce prosto i przyjaźnie.

Czy jesteśmy odpowiedzialni za własne czyny? Czy jesteśmy panami we własnym domu? Odpowiedzi na te oraz inne pytania trzeba już poszukać na następnych stronach.

Rafał Ohme

Szkoła Wyższa Psychologii Społecznej

ROZDZIAŁ I

Oto zagadka dotycząca naszej codzienności: każdy z nas czuje się wewnętrznie spójnym, świadomym podmiotem, który dąży do swoich celów i może dokonywać wolnych wyborów w niemal wszystkich sferach życia. Równocześnie wszyscy zdajemy sobie sprawę z faktu, że jesteśmy maszynami – biologicznymi, ale jednak maszynami – i że fizyczne prawa wszechświata odnoszą się do obu typów maszyn: sztucznych i naturalnych (ludzkich). Czy oba rodzaje maszyn są w pełni zdeterminowane (jak twierdził Einstein, który nie wierzył w wolną wolę), czy też możemy dokonywać wyborów według własnego uznania?

Richard Dawkins opowiada się za oświeceniowym, mechanicystycznym poglądem, że wszyscy jesteśmy zdeterminowanymi maszynami, i natychmiast zwraca uwagę na jego istotną implikację. Dlaczego karzemy ludzi przejawiających zachowania antyspołeczne? Dlaczego nie traktujemy ich jak maszyn, które trzeba naprawić? Przecież – argumentuje Dawkins – kiedy psuje się nam samochód, nie bijemy go ani nie kopiemy. Po prostu go naprawiamy.

Zastąpmy samochód koniem, który zrzucił nas z siodła. Co zrobimy? Myśl o smagnięciu batem wydaje się bardziej naturalna niż pomysł odprowadzenia konia do stajni, aby go tam naprawiono. W żywym ciele jest coś, co wywołuje intensywne reakcje, które stanowią nieodłączną część ludzkiej natury i pociągają za sobą całe mnóstwo uczuć, wartości, celów i zamiarów oraz niezliczone stany umysłu. Krótko mówiąc, w sposobie, w jaki jesteśmy skonstruowani, a także (jak można przypuszczać) w naszym mózgu jest coś, co wydaje się kierować naszym codziennym zachowaniem i procesami poznawczymi. Nasza konstrukcja wydaje się nader złożona. Ludzki mózg – ta niezwykła maszyna – działa samodzielnie, chociaż mamy wrażenie, że to my o wszystkim decydujemy. Oto zagadka do rozwiązania.

Ludzki mózg jest w dużej mierze systemem równoległym i rozproszonym, w którym mieści się nieskończenie wiele ośrodków decyzyjnych i centrów integracji. Mózg działa 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu – nigdy nie przestaje kierować naszymi myślami i pragnieniami oraz naszym ciałem. Miliony sieci mózgowych są niczym morze wojsk, a nie pojedynczy żołnierze czekający na rozkazy dowódcy. Jest to przy tym system zdeterminowany, nie zaś swobodny jeździec, który nic sobie nie robi z sił fizycznych i chemicznych działających we wszechświecie. Wszystkie te nowe fakty nie zachwiały jednak naszym przeświadczeniem, że w każdym z nas tkwi jakieś centralne Ja, które pociąga za sznurki. Oto zagadka, którą postaramy się rozwiązać. Spróbujemy wyjaśnić, jak to wszystko działa.

Osiągnięcia ludzkiego mózgu są jedną z podstaw naszego przekonania o istnieniu centralnego, dążącego do własnych celów Ja. Współczesna technika i know-how są zdumiewające – małpę z wszczepionym implantem neurologicznym można podłączyć do internetu w Północnej Karolinie, a kiedy będziemy ją stymulować, impulsy wysyłane przez jej neurony mogą kierować ruchami robota znajdującego się w Japonii. Co więcej, impulsy te dotrą do Japonii szybciej, niż zdołałyby dotrzeć z mózgu małpy do jej kończyny dolnej! Rozważmy bardziej przyziemny przykład: przyjrzyjmy się Twojemu obiadowi. Przy odrobinie szczęścia dzisiejszego popołudnia na Twoim talerzu pojawi się miejscowa sałata z siekanymi gruszkami z Chile, smakowity ser gorgonzola z Włoch, jagnięcina z Nowej Zelandii, pieczone ziemniaki z Idaho i czerwone wino z Francji. Jak wielu twórczych i pomysłowych ludzi musiało ze sobą współpracować, aby stało się to możliwe? Mnóstwo. Od człowieka, który pierwszy wpadł na pomysł, że może sam produkować jedzenie, przez tego, który pomyślał, że stary sok winogronowy ma interesujący smak, po Leonarda, który pierwszy narysował machinę latającą; od człowieka, który wziął pierwszy kęs tego pokrytego pleśnią sera i pomyślał: „To jest to!”, po niezliczonych naukowców, inżynierów, programistów, farmerów, ranczerów, kupców winnych, przewoźników, sprzedawców detalicznych i kucharzy, którzy wnieśli swój wkład. Nigdzie w królestwie zwierząt nie spotkamy podobnej kreatywności i współpracy między niespokrewnionymi osobnikami. Jeszcze bardziej zdumiewający wydaje się fakt, że są ludzie, którzy nie widzą istotnej różnicy między zdolnościami ludzi a zdolnościami innych zwierząt. Są przekonani, że ich ukochany pies, patrzący na nich wielkimi, smutnymi oczami, jest bliski opublikowania artykułu z poradami dla innych domowych pupili, zatytułowanego „Jak możesz manipulować swoim dwunożnym współlokatorem, nawet nie schodząc z kanapy”.

Ludzie zawędrowali w najdalsze zakątki świata i dzisiaj żyją w bardzo zróżnicowanych środowiskach. Tymczasem nasi najbliżsi żyjący krewni, szympansy, są gatunkiem zagrożonym. Nasuwa się pytanie: dlaczego my, ludzie, odnieśliśmy tak oszałamiający sukces, podczas gdy nasi najbliżsi krewniacy ledwie się trzymają? Potrafimy rozwiązywać problemy, z którymi nie radzi sobie żaden inny gatunek. Jedyna sensowna odpowiedź brzmi: to dlatego, że mamy coś, czego im brakuje. Trudno nam jednak zaakceptować ten fakt. Dzisiaj, na początku XXI wieku, dysponujemy wiedzą pomocną w znalezieniu odpowiedzi na niektóre z tych pytań – wiedzą, która była niedostępna dla dociekliwych umysłów naszych poprzedników. Tak, nasi przodkowie byli bardzo dociekliwi. Od zarania dziejów ludzie poszukiwali odpowiedzi na pytanie o to, czym i kim jesteśmy. Na murach świątyni Apollina w Delfach wyryto radę: „Poznaj samego siebie”. Człowieka zawsze interesowała natura umysłu, jaźni i kondycji ludzkiej. Skąd bierze się ta ciekawość? Twój pies nie zastanawia się nad takimi sprawami, leżąc na kanapie.

Dzisiaj neurobiolodzy badają ludzki mózg, drażniąc go, rejestrując jego aktywność, stymulując go, analizując i porównując z mózgami innych zwierząt. Niektóre tajemnice mózgu zostały rozwiązane, powstało też wiele nowych teorii. Nie wpadajmy jednak w samouwielbienie, powściągnijmy swoje ego. Już w V wieku przed naszą erą Hipokrates napisał słowa, których nie powstydziłby się współczesny przedstawiciel neuronauki: „Ludzie winni wiedzieć, że z niczego innego uciechy i radości, śmiechy i żarty nie rodzą się, jak tylko [z mózgu], tak jak i smutki i udręki, zmartwienia i płacz. Poprzez niego właśnie najwięcej pojmujemy i myślimy, widzimy i słyszymy, rozpoznajemy rzeczy szpetne i piękne, złe i dobre, przyjemne i odrażające. (...) Z tejże przyczyny szalejemy i doznajemy obłędu, ukazują nam się widziadła i strachy”[1]. Hipokrates przedstawił te mechanizmy zaledwie w ogólnym zarysie, nie mylił się jednak co do podstawowych zasad.

Wyjaśnienie owych mechanizmów jest zadaniem nauki. Dążąc do tego celu, powinniśmy skorzystać z rady Sherlocka Holmesa, znanego ze swej metody naukowej: „Trudność polega na oddzieleniu samej istoty zdarzenia od całej otoczki stworzonej przez różnych teoretyków i dziennikarzy. A zatem ustaliwszy tę niepodlegającą wątpliwości podstawę naszych dalszych działań, mamy obowiązek przekonać się na miejscu, czy można już wyciągnąć jakieś wnioski i na czym zasadza się owa tajemnicza sprawa”[2].

Ta wskazówka – fakty i tylko fakty – jest kluczem do rozwiązania zagadki. Zasadą tą kierowali się pierwsi badacze mózgu. Czym jest mózg? Weźmy ludzkie zwłoki, otwórzmy czaszkę i przyjrzyjmy się temu, co jest w środku. Zróbmy w tym dziury. Zbadajmy ludzi, którzy przeszli udar mózgu. Spróbujmy zarejestrować sygnały elektryczne wytwarzane przez mózg. Zobaczmy, jak w miarę rozwoju powstają w nim nowe połączenia. Jak się wkrótce przekonasz, takie proste pytania inspirowały pierwszych naukowców zajmujących się mózgiem i nadal motywują wielu współczesnych badaczy. Kiedy jednak zagłębimy się w tę opowieść, stanie się oczywiste, że bez badania zachowań organizmów i bez wiedzy na temat funkcji naszych ukształtowanych przez dobór naturalny systemów umysłowych poszukiwanie odpowiedzi na pytanie „Świadoma jaźń czy maszyna?” jest przedsięwzięciem beznadziejnym. Jak zauważył wybitny badacz mózgu David Marr, nie można wyjaśnić, jak działa skrzydło ptaka, badając jego pióra. W miarę jak gromadzimy coraz więcej faktów, musimy je rozważać w kontekście funkcjonalnym i próbować ustalić, w jaki sposób ów kontekst może nakładać ograniczenia na elementy leżące u podstaw danej funkcji. Zabierzmy się więc do pracy.

Rozwój mózgu

Zjawisko, które ma tak krótką i zgrabną nazwę, jak „rozwój mózgu”, powinno być łatwe do zbadania i wyjaśnienia, u ludzi jednak pojęcie to jest niezwykle pojemne. Obejmuje nie tylko rozwój neuronów, lecz także rozwój molekularny; nie tylko zmiany poznawcze z upływem czasu, ale też oddziaływanie świata zewnętrznego. Okazuje się, że nasze zadanie wcale nie jest łatwe. Oddzielenie istoty zdarzenia (faktów) od jego otoczki teoretycznej często bywa procesem długim, mozolnym i pełnym okrężnych dróg. Właśnie tak wyglądało odkrywanie podstawowej wiedzy na temat rozwoju i funkcjonowania mózgu.

Ekwipotencjalność

Na początku XX wieku badacze pojechali taką okrężną drogą. Skutków tego faktu doświadczamy do dziś – zarówno w świecie naukowym, jak i wśród laików – w postaci pytania „Geny czy wychowanie?”. W 1948 roku dwaj wybitni psychologowie z Kanady i ze Stanów Zjednoczonych, Karl Lashley i Donal Hebb, spotkali się w Dartmouth College, w mojej Alma Mater, żeby zastanowić się wspólnie nad pytaniem: czy ludzki mózg jest niezapisaną tablicą i czy jest w dużej mierze plastyczny, czy też ma pewne ograniczenia i jest w pewnym stopniu zdeterminowany przez swoją strukturę?

Teoria niezapisanej tablicy dominowała wówczas od mniej więcej dwudziestu lat, a Lashley był jednym z jej pierwszych orędowników. Był jednym z pierwszych badaczy, którzy zastosowali metody fizjologiczne i analityczne do badania mechanizmów mózgowych oraz inteligencji u zwierząt. W trakcie swoich eksperymentów uszkadzał wybrane fragmenty kory mózgowej szczurów i określał ilościowo wpływ owych uszkodzeń, dokonując pomiarów zachowań badanych zwierząt przed uszkodzeniem i po nim. Ustalił, że ilość usuniętej tkanki korowej wpływała na pamięć i uczenie się, podczas gdy lokalizacja uszkodzeń nie miała dużego znaczenia. Otrzymane wyniki przekonały go, że utrata sprawności wiązała się z ilością wyciętej kory, a nie z miejscem, z którego ją usunięto. Nie sądził, że uszkodzenie określonej części mózgu skutkuje utratą konkretnej zdolności. Sformułował zasadę efektu masy (mass action; tym, co determinuje sprawność mózgu, jest działanie tego organu jako całości) i prawo ekwipotencjalności (dane zadanie może być realizowane przez dowolną część mózgu, co oznacza brak specjalizacji)[3].

Podczas studiów magisterskich Lashley zaprzyjaźnił się z Johnem Watso-nem, dyrektorem laboratorium psychologicznego na Uniwersytecie Johnsa Hop-kinsa, i w dużej mierze uległ jego wpływowi. Watson, zdeklarowany behawiorysta i zwolennik teorii niezapisanej tablicy, w 1930 roku napisał słynne słowa: „Dajcie mi tuzin zdrowych, prawidłowo zbudowanych niemowląt i dostarczcie im wszystko, co składa się na mój własny szczególny świat, a zapewniam was, że wezmę na chybił trafił jedno z nich i uczynię z niego dowolnego typu specjalistę, czy to będzie lekarz, sędzia, kupiec, a nawet żebrak czy złodziej, bez względu na jego talenty, skłonności, zdolności, zadatki i rasę przodków”[4]. Zaproponowane przez Lashleya zasady efektu masy i ekwipotencjalności wpisywały się doskonale w model behawiorystyczny.

Kolejnych danych przemawiających za trafnością zasady ekwipotencjalności dostarczyły badania jednego z pierwszych neurobiologów rozwojowych, Paula Weissa. On także uważał, że rozwijający się mózg nie ma szczególnych specjalizacji. Weiss jest autorem słynnego powiedzenia „Funkcja poprzedza formę”[5], opartego na wynikach eksperymentów, w których badacz ten przeszczepiał dodatkowe kończyny traszkom – płazom z rodziny salamander. Pytanie brzmiało: czy nerwy wrastające w przeszczepioną kończynę były od początku wyspecjalizowane, czy też wzrastały przypadkowo i dopiero potem, na skutek używania kończyny, przystosowywały się do pełnienia funkcji nerwów kończyny? Weiss wykazał, że przeszczepione kończyny salamandry stawały się unerwione i zdolne do nauczenia się ruchów, które były całkowicie skoordynowane i zsynchronizowane z ruchami sąsiedniej kończyny. Roger Sperry, student Weissa i mój późniejszy opiekun naukowy, opisał zaproponowaną przez Weissa, powszechnie przyjętą teorię rezonansu jako „model, w którym wzrost połączeń synaptycznych uważano za proces całkowicie nieselektywny, rozproszony i uniwersalny w kontaktach góra–dół”[6]. W tamtych czasach uważano więc, że w układzie nerwowym „wszystko jest dozwolone” – nie ma żadnego ustrukturyzowanego systemu (na poziomie połączeń neuron–neuron). Lashley zapoczątkował ten sposób myślenia, behawioryści go spopularyzowali, a najwybitniejszy zoolog tamtych czasów wyraził swoje poparcie.

Połączenia nerwowe a neurospecyficzność

Donald Hebb nie był jednak przekonany. Chociaż prowadził badania pod kierunkiem Lashleya, był niezależnym myślicielem i zaczął pracować nad własnym modelem. Doszedł do wniosku, że ważne jest to, jak działają konkretne połączenia neuronalne, i odszedł od idei efektu masy i ekwipotencjalności. Już wcześniej odrzucił poglądy Iwana Pawłowa, wybitnego fizjologa rosyjskiego, który traktował mózg jako jeden wielki łuk odruchowy. Hebb był przekonany, że funkcjonowanie mózgu wyjaśnia zachowanie, a co za tym idzie – nie sposób oddzielić psychologii od biologii danego organizmu. Pogląd ten – dziś powszechnie przyjęty – w tamtych czasach wydawał się bardzo oryginalny. W przeciwieństwie do behawiorystów, którzy uważali, że mózg tylko reaguje na bodźce, Hebb zdawał sobie sprawę z faktu, że mózg działa przez cały czas, nawet wtedy, gdy nie odbiera żadnych bodźców. Próbował opracować model, który uwzględniałby ten fakt, mimo że w latach czterdziestych XX wieku dysponował ograniczonymi danymi dotyczącymi funkcjonowania mózgu.

Hebb zabrał się do dzieła, opierając się na wynikach swoich badań. Upadek ortodoksyjnego behawioryzmu i powrót do wcześniejszego przekonania o doniosłym znaczeniu połączeń neuronalnych nastąpił w 1949 roku wraz z ukazaniem się książki Hebba The Organization of Behavior: A Neuropsychological Theory (Organizacja zachowania. Teoria neuropsychologiczna). Jej autor napisał: „Jeśli akson komórki a znajduje się wystarczająco blisko, aby pobudzić komórkę B, i jeśli wielokrotnie przyczynia się do jej wyładowania, to w jednej lub w obu tych komórkach następuje proces wzrostu lub przemiana metaboliczna, która zwiększa skuteczność neuronu A jako jednej z komórek pobudzających neuron B”[7]. Zasada ta – potocznie określana w neuronauce frazą „neurony, które razem strzelają, łączą się ze sobą”[8] – stanowi podstawę poglądów Hebba dotyczących uczenia się i pamięci. Według Hebba grupy neuronów, które równocześnie generują wyładowania („strzelają razem”), tworzą zespół komórek (cell assembly). Neurony wchodzące w skład takiego zespołu mogą generować wyładowania nawet po zakończeniu zdarzenia, które wywołało ich aktywność. Zdaniem Hebba to utrzymywanie się pobudzenia stanowi formę pamięci, a myślenie to sekwencyjna aktywizacja zespołów komórek. Krótko mówiąc, Hebb podkreślał doniosłe znaczenie połączeń neuronalnych, które pozostają jednym z najważniejszych przedmiotów badań we współczesnej neuronauce.

Hebb skupił uwagę na sieciach neuronalnych i na tym, w jaki sposób mogą one przyswajać nowe informacje. Chociaż nie zajmował się procesem powstawania takich sieci, jedną z implikacji jego teorii jest pogląd, że myślenie wpływa na rozwój mózgu. Wniosek ten jest zgodny z wynikami wcześniejszych eksperymentów Hebba, prowadzonych na szczurach (opublikowanych w 1947 roku), które wykazały, że doświadczenie może wpływać na procesy uczenia się[9]. Hebb zdawał sobie sprawę z faktu, że jego teoria będzie modyfikowana w miarę dokonywania kolejnych odkryć dotyczących mechanizmów mózgowych, ale nacisk położony przezeń na połączenie biologii z psychologią wyznaczył drogę, która za kilkanaście lat doprowadziła nas do nowej dyscypliny naukowej – neuronauki.

Naukowcy zaczęli rozumieć, że kiedy jakaś informacja zostaje przyswojona i zapisana w mózgu, poszczególne obszary mózgu wykorzystują tę informację na różne sposoby. Pozostawało jednak pytanie: w jaki sposób ukształtowały się te sieci? Innymi słowy, jak rozwija się ludzki mózg?

Przełomowe okazały się badania studenta Paula Weissa, Rogera Sperry’ego, które stały się fundamentem współczesnej neuronauki i dowiodły istotnego znaczenia neurospecyficzności. Sperry’ego fascynował proces tworzenia się połączeń neuronalnych w mózgu. Sceptycznie odnosił się do zaproponowanego przez Weissa wyjaśnienia wzrostu nerwów, zgodnie z którym aktywność funkcjonalna odgrywa decydującą rolę w powstawaniu obwodów neuronalnych. W roku 1938, w którym Sperry rozpoczynał swoje badania, dwaj lekarze z Johns Hopkins Medical School, Frank R. Ford i Barnes Woodall, dostarczyli kolejnych danych przemawiających przeciwko doktrynie funkcjonalnej plastyczności układu nerwowego. Badacze ci opisali swoje doświadczenia z pacjentami klinicznymi, u których zaburzenia funkcji utrzymywały się jeszcze długo po całkowitej regeneracji uszkodzonych nerwów[10]. Sperry postanowił zbadać plastyczność funkcjonalną u szczurów poprzez sprawdzenie, jakie zmiany w zachowaniu pociągnie za sobą modyfikacja połączeń nerwowych. U każdego z badanych szczurów zamienił połączenia nerwowe między przeciwstawnymi mięśniami zginaczami i prostownikami tylnej łapy, co skutkowało odwróceniem ruchu w stawie skokowym. Chciał się przekonać, czy zwierzęta nauczą się prawidłowo poruszać łapą, jak przewidywała funkcjonalistyczna teoria Weissa. Ku swemu zaskoczeniu odkrył jednak, że szczury nigdy nie przystosowały się do zmiany – nawet po wielogodzinnym treningu[11]. Kiedy na przykład wspinały się po drabince, ich łapa ustawiała się w górę zamiast w dół i na odwrót. Sperry zakładał, że powstaną nowe obwody neuronalne, co pociągnie za sobą przywrócenie normalnego funkcjonowania łapy, okazało się jednak, że neurony ruchowe nie są wymienne. Następnie zajął się układem czuciowym – przeniósł nerwy skórne z jednej łapy do drugiej. I tym razem doznania zmysłowe szczurów okazały się trwale zaburzone – kiedy drażniono prądem ich prawą łapę, unosiły lewą; kiedy skaleczyły się w prawą łapę, lizały lewą[12]. Okazało się, że ani ich układ ruchowy, ani czuciowy nie odznacza się plastycznością. Weiss dokonał złego wyboru, kiedy w swoich eksperymentach użył salamandry jako modelu człowieka; regeneracja układu nerwowego występuje tylko u niższych kręgowców: ryb, żab i salamander. Sperry powrócił do idei, że tym, co reguluje proces wzrostu i miejsce zakończenia włókien nerwowych, jest pewien rodzaj chemotaksji (powinowactwa chemicznego) – idei zaproponowanej na początku XX wieku przez jednego z najwybitniejszych neuronaukowców wszech czasów, Santiago Ramóna y Cajala.

Sperry uważał, że wzrost obwodów neuronalnych jest wynikiem wyspecjalizowanego kodowania genetycznego dla połączeń nerwowych. Przeprowadził dziesiątki pomysłowych eksperymentów, by dowieść, że ma rację. W jednym z nich chirurgicznie obrócił oko żaby o 180 stopni. Po tym zabiegu, kiedy żabie pokazywano muchę, wyrzucała język w przeciwnym kierunku. Nawet po wielu miesiącach życia z obróconym okiem żaba nadal szukała muchy w niewłaściwym miejscu. Ów system okazał się wyspecjalizowany – nie był plastyczny i nie mógł się przystosować. Kolejnym zwierzęciem badanym przez Sperry’ego był karaś złocisty, któremu badacz usunął część siatkówki. Obserwując postępującą regenerację nerwów, Sperry sprawdzał, do którego miejsca pokrywy wzrokowej – części śródmózgowia odbierającej sygnały z oczu – będą one odrastały. Okazało się, że ich wzrost przebiega bardzo specyficznie. Te z nich, które wyrastały z tylnej części siatkówki, docierały do przedniej części pokrywy wzrokowej, te zaś, które wyrastały z przedniej części siatkówki, docierały do tylnej części pokrywy. Innymi słowy, rosnące nerwy docierały do określonego miejsca w śródmózgowiu niezależnie od swojej pozycji początkowej. Sperry doszedł do wniosku, że „za każdym razem, gdy ważne systemy włókien zostały rozłączone i przeszczepione albo po prostu chirurgicznie przecięte, proces ich odrastania zawsze prowadził do funkcjonalnej regeneracji i przebiegał w sposób uporządkowany, w warunkach uniemożliwiających modyfikacje reedukacyjne”[13]. Nieco później (jeszcze w latach sześćdziesiątych XX wieku) udało się zaobserwować i sfotografować wzrost nerwów. Okazało się, że końcówka rosnącego nerwu wysyła liczne mikrofilamenty – cieniutkie włókna białkowe, które niczym czułki badają „teren” wokół siebie, a kurcząc się i rozciągając, nadają kierunek wzrostowi nerwu[14]. Sperry uważał, że o tym, które mikrofilamenty uzyskają przewagę i zdeterminują przebieg wzrostu nerwu, decydują czynniki chemiczne. Zgodnie z jego modelem wzrostu neuronów komórki nerwowe rosną w kierunku swoich miejsc docelowych w mózgu dzięki filopodiom (cienkim wypustkom cytoplazmatycznym), które badają grunt przed sobą i dzięki gradientowi chemicznemu znajdują drogę do celu.

Idea ta dała początek koncepcji neurospecyficzności (neural specificity), nadal dominującej we współczesnej neuronauce. Oryginalny model Sperry’ego był później modyfikowany i ulepszany, ale zaproponowana przezeń ogólna koncepcja wzrostu neuronów pozostaje aktualna. Jako że procesy wzrostu neuronów i powstawania połączeń synaptycznych przebiegają pod kontrolą genetyczną, skutek działania tego mechanizmu jest taki, że schemat organizacyjny mózgu jest w zasadzie jednakowy u wszystkich gatunków kręgowców. Według Leah Krubitzer, biolożki ewolucyjnej z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis, prawdopodobnie istnieje wspólny wzór genetyczny dla kory mózgowej wszystkich gatunków zdeterminowanych przez jednakowe geny. Krubitzer pisze: „Pozwalałoby to zrozumieć, dlaczego u wszystkich badanych gatunków ssaków występuje jednakowy plan organizacyjny albo schemat rozwoju. Wyjaśniałoby też występowanie u ssaków szczątkowego aparatu zmysłowego i obszarów korowych, które wydają się nie wykorzystywać żadnego z układów czuciowych”[15]. Niektóre elementy są nieco przesunięte ze względu na różnice w wielkości i kształcie czaszki, ale ogólny wzór powiązań między nimi jest bardzo podobny u wszystkich gatunków.

Podczas gdy wyniki eksperymentów Lashleya i Weissa wydawały się przemawiać za tym, że poszczególne obszary mózgu są niezróżnicowane i wymienne, Sperry wykazał, że jest zupełnie inaczej. Większość sieci mózgowych jest zdeterminowana genetycznie poprzez chemiczne lub fizjochemiczne kodowanie dróg i połączeń nerwowych. To pogląd kładący nacisk na trwale wbudowane atrybuty mózgu, zgodnie z którym procesy różnicowania neuronów, ich migracji i kierunek wzrostu komórek nerwowych (poprzez wydłużanie się aksonów) przebiegają pod kontrolą genów. Czysty natywizm – pogląd, że wszystkie idee zawarte w umyśle są wrodzone, a nie zaczerpnięte ze źródeł zewnętrznych – wiązał się jednak z pewnym problemem. Jego zapowiedź odnajdujemy już w pracach Hebba.

Doświadczenie

Mniej więcej w tym samym czasie, gdy Sperry pracował nad swoją teorią rozwoju nerwów (w latach sześćdziesiątych XX wieku), pewnego młodego brytyjskiego biologa, Petera Marlera, zafascynowały ptaki śpiewające. Ptaki te uczą się swoich treli od swych starszych pobratymców. W trakcie prowadzenia terenowych badań botanicznych Marler zauważył, że ptaki tego samego gatunku, mieszkające w różnych miejscach, śpiewają nieco inaczej (badacz nazwał te odmienne wersje ptasich piosenek dialektami). Obserwując pasówki białobrewe[16], zauważył, że młode ptaki były w stanie nauczyć się pewnego zakresu dźwięków w trakcie krótkiego okresu krytycznego, mniej więcej między trzydziestym a setnym dniem życia. Marler zastanawiał się, czy można wpłynąć na to, jakiej piosenki nauczą się młode pasówki, poprzez kontrolowanie dźwięków, z którymi się stykają. Odizolował młode ptaki w okresie krytycznym i odtwarzał im piosenki w ich dialekcie rodzimym lub obcym. Ptaki nauczyły się dialektu, z którym miały kontakt. Tak więc to, który dialekt opanowały, zależało od doświadczenia. Marler zadał sobie pytanie, czy młode pasówki mogłyby się nauczyć nieco odmiennej piosenki innego gatunku trznadlowatych, gdyby to ją słyszały w okresie krytycznym. Odtwarzał więc badanym ptakom na przemian pieśń treningową i piosenkę innego gatunku trznadlowatych, występującego powszechnie w ich środowisku naturalnym, ale pasówki nauczyły się jedynie treli własnego gatunku[17]. Tak więc dialekt, który sobie przyswajały, zależał od tego, jaką piosenkę słyszały, ale zakres piosenek, jakich były w stanie się nauczyć, okazał się bardzo ograniczony. Najwyraźniej istniały wrodzone ograniczenia neuronalne, zawężające zakres tego, czego ptaki mogły się nauczyć. Ograniczenia te stanowiły problem dla zwolenników teorii niezapisanej tablicy, lecz nie zaskoczyły Nielsa Jerne’a.

Nauka czy selekcja?

W latach pięćdziesiątych XX wieku słynny szwajcarski immunolog, Niels Jerne, wstrząsnął światem immunologii. W tamtych czasach niemal wszyscy immunolodzy byli zgodni co do tego, że proces powstawania przeciwciał przypomina proces uczenia się, w którym antygeny odgrywają rolę nauczycieli. Antygeny to zwykle białka lub cukry złożone znajdujące się na powierzchni komórek – mikroorganizmów, takich jak bakterie, wirusy czy pasożyty, albo komórek innego rodzaju, na przykład pyłków, białka kurzego lub białek pochodzących z przeszczepionych organów czy tkanek, bądź też znajdujących się na powierzchni komórek przetoczonej krwi. Jerne doszedł do wniosku, że proces ten przebiega zupełnie inaczej. Zasugerował, że organizm nie wytwarza specjalnie zaprojektowanych przeciwciał w reakcji na pojawienie się danego antygenu, lecz od urodzenia jest wyposażony we wszystkie typy przeciwciał, jakimi będzie dysponował w ciągu całego życia. Antygeny to po prostu cząsteczki, które są rozpoznawane lub wybierane przez jedno z tych wrodzonych przeciwciał. Nie ma tu mowy o żadnym uczeniu się, działa wyłącznie selekcja. Złożoność jest wbudowana w układ odpornościowy, a jej poziom nie wzrasta z upływem czasu. Idee Jerne’a stanowią fundament współczesnej wiedzy na temat odpowiedzi immunologicznej oraz teorii selekcji klonalnej (dotyczącej klonowania, czyli namnażania limfocytów wyposażonych w receptory wiążące dany antygen). Większość tych przeciwciał nigdy nie napotka obcych antygenów rozpoznawanych przez swoje receptory, ale te, które się z nimi zetknęły, aktywizują się i wytwarzają liczne klony, które wiążą i dezaktywują intruza.

Jerne nie przestał wywracać wszystkiego do góry nogami. Wysunął przypuszczenie, że skoro działanie układu odpornościowego opiera się na procesie selekcji, prawdopodobnie to samo można powiedzieć o pozostałych układach, nie wyłączając mózgu. W 1967 roku napisał artykuł zatytułowany Antibodies and Learning: Selection versus Instruction (Przeciwciała a uczenie się. Nauka czy selekcja?)[18], w którym podkreślił, że powinniśmy traktować mózg jako system reagujący na procesy selekcji, a nie na zewnętrzny instruktaż. Mózg nie jest niezróżnicowaną masą, zdolną nauczyć się wszystkiego, podobnie jak układ odpornościowy nie jest niezróżnicowanym systemem, który może wytworzyć dowolny typ przeciwciał. Jerne wysunął zaskakującą hipotezę, że uczenie się może być procesem przeszukiwania zasobu już istniejących, wrodzonych zdolności w celu znalezienia takiej, którą można wykorzystać do poradzenia sobie z konkretnym wyzwaniem. Innymi słowy, zdolności te są zdeterminowanymi genetycznie sieciami neuronalnymi, służącymi do przyswajania konkretnych treści. Oto często podawany przykład: łatwo nauczyć się lęku przed wężami, ale trudno wykształcić w sobie obawę przed kwiatami. Jesteśmy wyposażeni w gotowy szablon, który wywołuje reakcję strachu, kiedy wykrywamy pewne rodzaje ruchu – na przykład pełzanie w trawie – ale nie przejawiamy podobnej wrodzonej reakcji na kwiaty. Podobnie jak w wypadku układu odpornościowego, zasadnicza myśl brzmi: złożoność jest wbudowana w mózg, tak jak wspomniana wcześniej swoistość, której przykładem jest śpiew pasówki białobrewej. Najważniejsza jest idea selekcji spośród już istniejących zdolności. Idea ta implikuje jednak pewne ograniczenia – jeżeli jakaś zdolność nie jest wbudowana w mózg, to po prostu nie istnieje.

Słynny przykład mechanizmu selekcji w działaniu w świecie biologii populacyjnej zaobserwowano w oryginalnej „klasie szkolnej” Darwina – na wyspach Galapagos. W 1977 roku rejon ten nawiedziła długotrwała susza, która spowodowała nieurodzaj większości gatunków krzewów wytwarzających nasiona, co z kolei doprowadziło do wzrostu śmiertelności w populacji darwinek czarnych[19]. Ptaki tego gatunku miały dzioby różnej wielkości. Darwinki żywiły się nasionami, więc ich życie zależało od dzioba. Zięby wyposażone w mniejsze dzioby nie były w stanie rozłupać zdrewniałych owoców buzdyganka naziemnego ani twardych nasion, które pozostały stosunkowo dostępne w okresie suszy, podczas gdy ptaki o większych dziobach umiały to zrobić. Niewielkie zasoby miękkich nasion wkrótce się wyczerpały; pozostały tylko większe, twarde nasiona, z którymi radziły sobie wyłącznie zięby o większych dziobach. Ptaki o mniejszych dziobach wyginęły, pozostawiając swoich pobratymców wyposażonych w większe dzioby – oto przykład selekcji spośród już istniejących zdolności. W kolejnym roku młode zięby, które przetrwały suszę, na ogół były większe i miały większe dzioby[20].

Dzisiejsze poglądy na temat mózgu odbiegają od modelu zaproponowanego przez Lashleya, Watsona i Weissa. W modelu tym przedstawiano mózg jako niezróżnicowaną masę gotową do tego, by się uczyć; każdy mózg mógł się nauczyć wszystkiego. Równie łatwo byłoby nauczyć taki mózg delektowania się zapachem róż, jak czerpania przyjemności z woni zgniłych jajek, a nauczenie go odczuwania lęku przed kwiatami nie byłoby trudniejsze niż wykształcenie w nim strachu przed wężami. Nie wiem, co powiedzieliby Twoi goście, ale moi nie byliby zachwyceni, gdyby z kuchni docierał do nich zapach zgniłych jajek, niezależnie od tego, ile razy gościliby u mnie na obiedzie. Sperry podważył tę koncepcję i doszedł do wniosku, że mózg jest zbudowany w ściśle określony sposób i zdeterminowany genetycznie oraz że wszyscy przychodzimy na świat z bogatym wyposażeniem fabrycznym. Koncepcja ta tłumaczyła większość znanych faktów, ale nie wyjaśniała wszystkich danych, jakich dostarczały nieprzerwanie prowadzone badania. Z pewnością nie rozwiązywała zagadki ptaków śpiewających badanych przez Marlera.

Proces zależny od aktywności

Okazuje się, że – jak zwykle w neuronauce – to jeszcze nie wszystko. Wun Sin, Kurt Haas oraz ich współpracownicy badali wzrost neuronów w obrębie pokrywy wzrokowej w mózgu żaby i odkryli, że dostarczając żabie bodźców świetlnych, można zwiększyć tempo wzrostu oraz liczbę rozgałęziających się projekcji – kolców dendrytycznych – na koniuszku komórki nerwowej. Owe kolce dendrytyczne przewodzą impulsy elektryczne z innych neuronów i tworzą tak zwane drzewo dendrytyczne. Tak więc wzmożona aktywność wzrokowa stymulowała wzrost nerwów[21]. Wydaje się zatem, że wbrew temu, co twierdził Sperry, wzrost nerwów nie zależy wyłącznie od rodzaju genetycznie zdeterminowanej chemotaksji (kiedy to komórki migrują w kierunku określonych związków chemicznych). Rzeczywista aktywność neuronu, jego doświadczenie również wpływa na jego wzrost i na tworzone przezeń połączenia neuronalne. Proces ten nazywamy procesem zależnym od aktywności.

Ku mojej irytacji najnowsze badania wykazały, że mama miała rację – powinienem poświęcić więcej czasu ćwiczeniom gry na pianinie. Niezależnie od tego, jaką umiejętność ruchową ćwiczymy, trening naprawdę czyni mistrza. Ćwiczenie nie tylko zwiększa efektywność synaps[22]. Ostatnie badania wykazały, że połączenia synaptyczne żywej myszy szybko reagują na trening umiejętności ruchowych i ulegają trwałej reorganizacji. U miesięcznej myszy ćwiczenie umiejętności sięgania przednią łapką powodowało błyskawiczne (w ciągu godziny) tworzenie się kolców dendrytycznych. Po treningu całkowita gęstość (liczba) kolców wracała do poziomu początkowego – część starych kolców była eliminowana, a nowe (te wytworzone w trakcie ćwiczenia) się utrwalały. Ci sami badacze wykazali też, że różne umiejętności ruchowe są kodowane przez różne zespoły synaps. Dobra wiadomość jest taka, że może jeszcze nie jest za późno na posłuchanie dobrej rady matki (przynajmniej w wypadku myszy). Ćwiczenie nowych umiejętności sprzyja powstawaniu kolców dendrytycznych także w okresie dorosłości. Można wnioskować, że przyswajanie umiejętności ruchowych jest wynikiem reorganizacji synaps, a utrwalone połączenia neuronalne wydają się podstawą trwałej pamięci motorycznej.

Uczenie asocjacyjne (skojarzeniowe) jest kolejnym przykładem tego, jak doświadczenie może wpływać na powstawanie połączeń neuronalnych. Jeśli widziałeś film Niepokonany Seabiscuit, to może pamiętasz, jak tytułowego konia uczono, by ruszał galopem na dźwięk dzwonka. Kiedy dźwięczał dzwonek, jeździec uderzał konia w grzbiet szpicrutą, co wywoływało reakcję „uciekaj” i Seabiscuit podrywał się do biegu. Po wielu próbach ruszał galopem na sam dźwięk dzwonka. Biegł tak szybko, że zdołał pokonać mistrza Wschodniego Wybrzeża, ogiera o imieniu War Admiral.

Chociaż więc ogólny wzór połączeń neuronalnych powstaje pod kontrolą genetyczną, bodźce zewnętrzne – pochodzące ze środowiska i z ćwiczenia – również wywierają wpływ na wzrost neuronów i tworzenie połączeń. Współcześnie uważa się, że ogólny plan połączeń jest zdeterminowany genetycznie, ale konkretne połączenia na poziomie lokalnym są zależne od aktywności i stanowią wynik oddziaływania czynników epigenetycznych oraz doświadczenia. Zarówno geny, jak i środowisko mają istotne znaczenie, co może potwierdzić każdy spostrzegawczy rodzic lub właściciel psa czy kota.

Wrodzona złożoność

Psychologia rozwoju człowieka obfituje w przykłady intuicyjnej wiedzy niemowląt z dziedziny fizyki, biologii i psychologii. Elizabeth Spelke z Uniwersytetu Harvarda i Rene Baillargeon z Uniwersytetu Stanu Illinois przez wiele lat badały wiedzę małych dzieci na temat fizyki. Dorośli uważają tę wiedzę za oczywistą i rzadko zastanawiają się nad tym, skąd ona pochodzi. Na przykład kubek z kawą stojący na Twoim biurku na ogół nie wzbudza Twojego zainteresowania. Gdybyś jednak nagle zobaczył, jak ów kubek unosi się aż pod sufit, z pewnością przyciągnąłby Twoją uwagę – wpatrywałbyś się w niego ze zdumieniem. Kubek pokonałby siłę ciążenia. Spodziewamy się, że przedmioty będą się zachowywały zgodnie z pewnym zbiorem reguł, a jeśli tego nie robią, gapimy się na nie zaskoczeni. Wpatrywałbyś się w ten kubek, nawet gdybyś nigdy nie słyszał o grawitacji. Niemowlęta reagują tak samo. Gdyby butelka z mlekiem ni stąd, ni zowąd uleciała pod sufit, dziecko zaczęłoby się jej przyglądać.

Wiedząc, że niemowlęta dłużej patrzą na przedmioty, które zachowują się niezgodnie z pewnym zbiorem reguł, badaczki próbowały ustalić, jakie to reguły. Baillargeon umieszczała przed trzyipółmiesięcznymi niemowlętami piłkę, a następnie zasłaniała ją parawanem i potajemnie zabierała piłkę. Kiedy po usunięciu parawanu piłki nie było, dzieci wydawały się zaskoczone. To dlatego, że rozumiały już regułę fizyczną, zgodnie z którą masa nie może przenikać przez masę. Trzyipółmiesięczne niemowlęta rozumieją pojęcie stałości przedmiotu – spodziewają się, że przedmiot umieszczony poza ich polem widzenia nie zniknie[23]. W kilku innych eksperymentach badaczki wykazały, że niemowlęta spodziewają się, iż przedmioty będą spójne i pozostaną w jednym kawałku, zamiast samoistnie rozpaść się na części, jeśli za nie pociągniemy. Oczekują też, że przedmioty zachowają swój pierwotny kształt, jeśli przesuną się za nieprzezroczystym ekranem, aby po chwili pojawić się ponownie. Piłka nie powinna się zmienić w pluszowego misia. Dzieci spodziewają się, że przedmioty będą się poruszały po ciągłych trajektoriach, zamiast przeskakiwać z jednego punktu przestrzeni do innego. Przyjmują też pewne założenia dotyczące kształtów, które są częściowo zakryte. Widoczna część kuli po odsłonięciu całości powinna się okazać piłką, nie powinna mieć nóg. Wreszcie, niemowlęta spodziewają się, że przedmiot nie będzie się poruszał samodzielnie, jeśli nie wejdzie w kontakt z jakimś innym obiektem, oraz że zachowa ciągłość i nie będzie przenikał przez inne przedmioty[24]. To wiedza zdeterminowana genetycznie, z którą przychodzimy na świat. Skąd wiadomo, że nie jest ona wyuczona? Stąd mianowicie, że dzieci na całym świecie wiedzą to samo w tym samym wieku, niezależnie od swoich uprzednich doświadczeń.

Złożoność wydaje się również wbudowana w nasz układ wzrokowy. To samo można powiedzieć o wielu innych automatycznych procesach na poziomie spostrzegania. Na przykład to, co widzimy, nie musi odpowiadać rzeczywistości. Od dawna wiadomo, że dwa romby o jednakowej (zmierzonej) jasności wydają się różne, kiedy widzimy je na różnym tle. Szary romb na ciemniejszym tle wydaje się jaśniejszy niż taki sam romb na tle jaśniejszym.

Luminancja obiektu zależy przede wszystkim od natężenia światła padającego na ten obiekt, od ilości światła odbijającego się od jego powierzchni oraz od przejrzystości przestrzeni między obserwatorem a spostrzeganym obiektem (na przykład od tego, czy jest mgła albo czy działa filtr). Spostrzeganą luminancję obiektu nazywamy jasnością. Nie ma jednak prostej odpowiedniości między luminancją obiektu a jego spostrzeganą jasnością. Jeśli którykolwiek z tych trzech czynników się zmienia, to względne natężenie światła może (ale nie musi) być różne w zależności od kombinacji owych zmiennych. Popatrz na przykład na cztery ściany pokoju, w którym się znajdujesz. Mogą być pomalowane na taki sam kolor, ale jedna z nich może się wydawać jaśniejsza niż inna w zależności od oświetlenia. Jedna ze ścian może się wydawać biała, druga – jasnoszara, a trzecia – ciemnoszara. Wróć do tego pokoju za kilka godzin, kiedy oświetlenie będzie inne – jasność ścian również mogła się zmienić. Tak więc nie istnieje stały związek między źródłem bodźca wzrokowego a elementami, które składają się na ten bodziec, a nasz układ wzrokowy nie jest w stanie odgadnąć, w jaki sposób czynniki te połączyły się ze sobą, aby wytworzyć wartości luminancji obrazu docierającego do siatkówki.

Dlaczego ewolucja miałaby ukształtować taki system? Badacze z Duke University, Dale Purves, Beau Lotto i współpracownicy, zwracają uwagę na fakt, że zapewniające sukces zachowanie wymaga reakcji zgodnych ze źródłem bodźca, a nie z jego mierzalnymi właściwościami. Można się tego nauczyć jedynie na podstawie uprzednich doświadczeń – zarówno tych z przeszłości danego osobnika, jak i tych z przeszłości ewolucyjnej[25]. Na przykład poznanie luminancji dojrzałego owocu wiszącego na tle zielonego listowia byłoby bardziej użyteczne niż nauczenie się jego konkretnych właściwości optycznych. Innymi słowy, badacze ci uważają, że nasze obwody wzrokowe i związany z nimi sposób spostrzegania świata ukształtowały się w procesie doboru – zostały wyselekcjonowane na podstawie tego, które spośród wcześniejszych zachowań opartych na bodźcach wzrokowych zakończyły się sukcesem. „Skoro tak, to jeśli spostrzegany bodziec jest zgodny z innymi powierzchniami odbijającymi światło w podobny sposób i widzianymi w takim samym oświetleniu, będzie się on wydawał podobnie jasny. Jeśli natomiast ów bodziec jest zgodny z uprzednimi doświadczeniami układu wzrokowego z obiektami odbijającymi światło inaczej i widzianymi w innym oświetleniu, to spostrzegane powierzchnie będą się wydawały różne pod względem jasności”[26]. Rzecz w tym, że na poziomie poznawczym nie jesteśmy tego świadomi. Ów złożony automatyczny mechanizm został wbudowany w nasz układ spostrzegania wzrokowego w toku ewolucji na drodze doboru naturalnego.

Droga do Homo sapiens

Jak szacują paleoantropolodzy, współcześni ludzie i szympansy mają wspólnego przodka, który żył od pięciu do siedmiu milionów lat temu. Z jakiegoś powodu (często podejrzewa się, że była nim zmiana klimatu, która pociągnęła za sobą zmiany w dostępności pożywienia) nasza wspólna linia ewolucyjna rozdzieliła się na dwie. Po kilku falstartach i niepowodzeniach jedna z linii ostatecznie przekształciła się ewolucyjnie w szympansy (Pan troglodytes), a druga – w Homo sapiens. Chociaż my, Homo sapiens, jesteśmy jedynym żyjącym hominidem należącym do tej linii, przed nami było wiele innych gatunków. Nieliczne skamieniałe szczątki tych hominidów dostarczają nam wskazówek na temat tego, w jaki sposób powstaliśmy w toku ewolucji.

Nasz pierwszy dwunożny przodek

Jedna z odnalezionych skamielin wywołała niemałe zamieszanie. W 1974 roku Donald Johanson wstrząsnął światem archeologii, kiedy odkrył liczące około czterech milionów lat skamieniałe szczątki hominida, któremu nadano nazwę Australopithecus afarensis. Odnaleziono mniej więcej 40% szkieletu, a na podstawie fragmentów kości miednicy ustalono, że są to szczątki osobnika płci żeńskiej – słynnej Lucy. Tym, co zdumiało naukowców, nie było samo odkrycie Lucy, lecz fakt, że była ona w pełni dwunożna, ale nie miała dużego mózgu. Do tamtej pory uważano, że u naszych przodków najpierw ukształtował się ewolucyjnie wielki mózg, a dopiero potem jego wspaniałe pomysły doprowadziły do dwunożności. Kilka lat później, w 1980 roku, Mary Leakey odkryła skamieniałe odciski stóp australopiteka pochodzące sprzed 3,5 miliona lat. Ich kształt, forma i rozkład masy okazały się niemal takie same jak u współczesnego człowieka, co stanowi dodatkowy dowód na to, że nasi przodkowie stali się w pełni dwunożni, zanim ewolucja wyposażyła ich w duży mózg. Jeszcze później Tim White i jego współpracownicy dokonali kolejnego fascynującego odkrycia. Odnaleźli kilka skamieniałości, między innymi stopę gatunku pośredniego, Ardipithecus ramidus, sprzed 4,4 miliona lat[27]. Z każdym nowym odkryciem teoretycy muszą zaczynać swoją pracę od początku. Tim White i jego międzynarodowy zespół uważają, że ostatni wspólny przodek człowieka i szympansa przypominał tego ostatniego w mniejszym stopniu, niż się powszechnie przypuszcza, oraz że od czasu oddzielenia się tych dwóch linii szympansy uległy większym przemianom ewolucyjnym, niż dotąd sądzono.

Jednego z takich teoretyków, psychologa Leona Festingera, interesowało pochodzenie współczesnego człowieka. Festinger zastanawiał się, którego z naszych przodków można uznać za pierwszego człowieka. Jego zdaniem dwunożność musiała być „niemal fatalnym w skutkach upośledzeniem”[28], ponieważ w dużym stopniu zmniejszyła prędkość poruszania się – zarówno podczas biegu, jak i w trakcie wspinaczki. Ponadto zwierzę czworonożne może dość sprawnie biegać na trzech kończynach, podczas gdy zwierzę dwunożne ze zranioną nogą tego nie potrafi. Ten fakt z pewnością sprawił, że nasi przodkowie stali się bardziej narażeni na ataki drapieżników.

Dwunożność pociągnęła za sobą jeszcze jeden niekorzystny skutek – zwężenie kanału rodnego. Szersza miednica uczyniłaby dwunożność technicznie niemożliwą. W okresie płodowym czaszka naczelnych jest zbudowana z ruchomych płytek kostnych ślizgających się po powierzchni mózgu, które zrastają się dopiero po porodzie. Dzięki temu czaszka jest wystarczająco elastyczna, aby przecisnąć się przez kanał rodny. Ponadto takie rozwiązanie umożliwia dalszy wzrost mózgu po narodzinach. W chwili przyjścia na świat mózg ludzkiego niemowlęcia jest około trzech razy większy niż mózg nowo narodzonego szympansa, ale odznacza się mniejszym stopniem dojrzałości rozwojowej. Tak więc w porównaniu z innymi małpami człekokształtnymi rodzimy się przedwcześnie (mniej więcej rok przed terminem), co pociąga za sobą kolejny negatywny skutek: ludzkie niemowlęta są bezradne i dłużej wymagają opieki. Można jednak zauważyć uderzającą różnicę pomiędzy mózgiem rozwijającego się dziecka a mózgiem młodego szympansa – mózg tego pierwszego powiększa się aż do okresu dorastania. W tym czasie staje się on trzy razy większy niż w chwili narodzin i zostaje udoskonalony na skutek oddziaływania rozmaitych czynników. Ostatecznie osiąga wagę około 1300 gramów. Mózg szympansa natomiast jest niemal w pełni rozwinięty już w chwili przyjścia na świat, a jego ostateczna masa wynosi około 400 gramów.

Dwunożność musiała się wiązać z jakąś korzyścią, która umożliwiała naszym przodkom przetrwanie i pomyślne rozmnażanie. Zdaniem Festingera owa korzyść nie polegała na tym, że nasi przodkowie mieli odtąd dwie wolne kończyny, które mogły służyć do innych celów niż przemieszczanie się, ale na tym, że dysponowali mózgiem, który stał się wystarczająco pomysłowy, aby wymyślić owe inne zastosowania: „Ręce i dłonie nie były i nadal nie są wyspecjalizowanymi kończynami, takimi jak ludzkie nogi. Wymyślono niezwykłą różnorodność zastosowań dla ludzkich rąk i dłoni, a słowo «wymyślono» jest tutaj najważniejsze”. Snując przypuszczenia na temat szczątków ardipiteka, Owen Lovejoy zasugerował, że osobniki płci męskiej używały kończyn górnych do tego, by przynosić jedzenie samicom w zamian za seks, co dało początek całej grupie zmian fizjologicznych, behawioralnych i społecznych[29]. Zdaniem Festingera siłą napędową ewolucji mózgu były pomysłowość i naśladownictwo: „Nie wszyscy ludzie żyjący około dwóch i pół miliona lat temu musieli wpaść na pomysł wytwarzania narzędzi z ostrymi krawędziami. (...) Kiedy jeden człowiek (albo niewielka grupa) wymyśla jakiś nowy proces, pozostali mogą go naśladować i uczyć się”. Większość ludzkich działań zaczęła się od jednego sprytnego pomysłu, który wszyscy powielamy. Kim był człowiek, który zaparzył pierwszą filiżankę kawy z tych niepozornie wyglądających ziaren? Był to ktoś wyposażony w mózg różniący się od mojego. Na szczęście jednak nie musiałem odkrywać na nowo Ameryki. Mogę wykorzystać dobry pomysł innej osoby. Pomysłowość i naśladowanie są wszechobecne w świecie człowieka i zdumiewająco rzadkie wśród naszych zwierzęcych przyjaciół.

Spadek prędkości poruszania się i większa liczba drapieżników wydają się niekorzystne, ale mogły stanowić potężny czynnik wyzwalający wiele zmian poznawczych. Ów pierwszy pomysłowy mózg musiał najpierw rozwiązać problem drapieżników, co dało początek powiedzeniu: „Potrzeba jest matką wynalazku”. Drapieżniki można przechytrzyć na dwa sposoby. Pierwszy z nich polega na tym, aby być większym i szybszym niż one – to rozwiązanie nie wchodziło w rachubę. Drugi sposób polega na życiu w dużych grupach, co zapewnia lepszą obserwację i ochronę, a jednocześnie usprawnia polowanie i zbieractwo. Przez wszystkie te lata naukowcy zastanawiali się, jakie czynniki odpowiadały za niepowstrzymany wzrost mózgu hominidów. Dzisiaj wydaje się, że decydującą rolę odegrały dwa czynniki stanowiące siłę napędową procesów doboru naturalnego i doboru płciowego: dieta, która zapewniła naszym przodkom dodatkowe kalorie niezbędne do wykarmienia większego mózgu (kosztownego z metabolicznego punktu widzenia), oraz wyzwania społeczne wynikające z życia w większych grupach, które zapewniały lepszą ochronę.

Czy fakt, że mamy większy mózg, wyjaśnia różnice między człowiekiem a innymi zwierzętami?

Holloway mierzy się z koncepcją dużego mózgu

Poglądowi, że ludzkie zdolności są wyłącznie funkcją większego mózgu, dał początek Karol Darwin, pisząc: „Jakkolwiek różnica między umysłem człowieka a umysłem najwyższych zwierząt jest olbrzymią, każdy przyzna, że jest ona ilościową tylko, a nie jakościową”[30]. Zwolennik i sprzymierzeniec Darwina, neuroanatom T. S. Huxley, uważał, że jedyną wyjątkową cechą ludzkiego mózgu jest jego wielkość[31]. Poglądu, że jedyną różnicę pomiędzy mózgiem człowieka a mózgami naszych najbliższych krewniaków z rzędu naczelnych stanowi różnica wielkości, nie kwestionowano aż do lat sześćdziesiątych XX wieku, kiedy to na scenę wkroczył Ralph Holloway (dzisiaj profesor antropologii na Uniwersytecie Columbia). Wyraził on przekonanie, że ewolucyjny wzrost możliwości poznawczych to wynik reorganizacji mózgu, a nie tylko zmian jego wielkości[32]. Holloway pisze: „Doszedłem do tego wniosku jeszcze przed rokiem 1964, kiedy to prowadziłem seminarium (...), podczas którego wykazałem, że część ludzi cierpiących na małogłowie, których mózgi są tak małe, że stanowiłyby przedmiot kpin nawet wśród goryli, mimo wszystko potrafi mówić. Moim zdaniem oznacza to, że ich mózg jest zorganizowany inaczej niż u wielkich małp człekokształtnych”[33]. W roku 1999 Todd Preuss i jego współpracownicy dostarczyli wreszcie Hollowayowi twardych danych fizycznych. Oni pierwsi odkryli mikroskopijne różnice w organizacji mózgów małp człekokształtnych i ludzi[34].

Kolejne dane potwierdzające słuszność poglądu Hollowaya uzyskali biolodzy ewolucyjni Willem de Winter i Charles Oxnard. Wysunęli oni przypuszczenie, że wielkość danej części mózgu zależy od jej związków czynnościowych z innymi częściami mózgu. Przeprowadzili analizę wielozmiennową (analizę, w której równocześnie uwzględnia się więcej niż jedną zmienną statystyczną), w której wykorzystali względną wielkość części mózgu u 363 gatunków zwierząt. Ujawniła ona istnienie grup gatunków o podobnych proporcjach części mózgu, przy czym ów podział na grupy opierał się w większym stopniu na podobnym stylu życia (przemieszczanie się, żerowanie i dieta) niż na związkach filogenetycznych (ewolucyjnych). Na przykład owadożerne nietoperze z Nowego Świata okazały się pod tym względem bardziej podobne do mięsożernych nietoperzy Starego Świata niż do swoich bliższych ewolucyjnie krewniaków – owocożernych nietoperzy zamieszkujących obie Ameryki. Analiza przeprowadzona przez de Wintera i Oxnarda wykazała, że gatunki o zbliżonym stylu życia mają podobnie zorganizowany mózg. Innymi słowy, zbieżność i podobieństwa pod względem relacji między częściami mózgu wydają się powiązane ze zbieżnością i podobieństwami pod względem stylu życia, które przekraczają granice grup filogenetycznych[35]. Spośród wszystkich 363 badanych gatunków ludzie – stanowiący odrębną grupę – byli jedynym gatunkiem dwunożnym. Badacze ujawnili istotną statystycznie, wynoszącą 22 odchylenia standardowe różnicę[36] między organizacją mózgu u ludzi i u szympansów. Oxnard konkluduje: „Organizacja ludzkiego mózgu bardzo się różni od organizacji mózgu szympansów, które z kolei nie różnią się istotnie od innych wielkich małp człekokształtnych, a nawet od małp Starego Świata”[37].

Nic dziwnego, że Darwin twierdził, iż różnica między człowiekiem a pozostałymi gatunkami zwierząt wyższych jest tylko różnicą stopnia. Choć każdy gatunek jest jedyny w swoim rodzaju, wszyscy jesteśmy zbudowani z takich samych klocków – cząsteczek i komórek – i wyewoluowaliśmy zgodnie z tymi samymi zasadami doboru naturalnego. U innych gatunków zaobserwowano antecedenty rozmaitych zdolności i atrybutów, uważanych wcześniej za występujące tylko u człowieka. Neuroanatom z Uniwersytetu Yale, Pasco Rakic (i nie tylko on), przypomina jednak: „Wszyscy dajemy się zwieść niezwykłym podobieństwom pod względem organizacji mózgu – w obrębie danego gatunku i między gatunkami – i dlatego zapominamy, że to w różnicach należy szukać źródeł ewolucyjnego postępu, który doprowadził do powstania naszych zdolności poznawczych”[38].

Spór dotyczący tego, w jaki sposób ludzki mózg różni się od mózgów innych zwierząt oraz jak mózgi innych zwierząt różnią się od siebie – czy jest to różnica ilościowa, czy jakościowa – nadal się toczy, ale dowody przemawiające za różnicą prawdziwie jakościową wydają się dużo bardziej przekonujące. Wybitny psycholog David Premack, który przez wiele lat próbował uczyć szympansy języka, jest w tym samym obozie, co Rakic: „Wykazanie podobieństwa między zdolnością jakiegoś zwierzęcia a zdolnością człowieka powinno automatycznie pociągnąć za sobą pytanie: na czym polega różnica? Pytanie to zapobiega myleniu podobieństwa z równoważnością”[39].

Jedną z najważniejszych różnic, na które zwraca uwagę Premack, jest fakt, że u innych gatunków zwierząt zdolności się nie generalizują. Każdy gatunek ma ściśle określony zbiór zdolności, z których każda stanowi adaptację ograniczoną do jednego celu. Ptaki gatunku modrowronka zaroślowa tworzą plany związane z jednym celem – przechowywaniem zapasów żywności – ale nie planują w żadnej innej sferze życia. Nie uczą też swoich młodych ani nie wytwarzają narzędzi. Kruki wytwarzają narzędzia, ale tylko w celu zdobywania pokarmu; ptaki te nie planują ani nie uczą swoich piskląt. Surykatki nie planują ani nie wytwarzają narzędzi, ale uczą swoje młode; owa nauka dotyczy jednak tylko jednego: jak zjeść jadowitego skorpiona w taki sposób, aby nie zostać przezeń ukłutym. Żaden z tych gatunków nie potrafi przenieść swojej umiejętności na inne dziedziny życia. Surykatka uczy swoje młode, jak bezpiecznie zjadać skorpiony. Tymczasem ludzie uczą swoje dzieci wszystkiego, a owa wiedza zwykle przenosi się na inne umiejętności. Krótko mówiąc, procesy nauczania i uczenia się zostały u nas uogólnione.

Podobnie jak u innych zwierząt, podstawowe ludzkie zdolności ukształtowały się ewolucyjnie jako konkretne adaptacje. Ludzie prześcigają inne gatunki pod względem liczby wyrafinowanych zdolności, które wyewoluowały w taki właśnie sposób. Połączenie tych zdolności dało początek dodatkowym umiejętnościom rozwiązywania problemów ogólnych, co doprowadziło do powstania zdolności ogólnych występujących wyłącznie u człowieka. Zaowocowało to eksplozją zdolności i narodzinami człowieczeństwa. Współcześni neuroanatomowie podkreślają, że wspinanie się po drzewie ewolucyjnym naczelnych w kierunku człowieka nie łączy się z prostym dodawaniem kolejnych umiejętności – jak kiedyś sądzono[40] – lecz z gruntowną reorganizacją całego mózgu. Wciąż jednak nie znamy odpowiedzi na kilka istotnych pytań: jakie procesy przebiegające w mózgu wytwarzają niezwykłe ludzkie zdolności? Jak powstały te procesy oraz jak możemy je uchwycić i wyjaśnić? Na szczęście – dla dzisiejszych absolwentów i z perspektywy bezpieczeństwa zatrudnienia – zagadka ta pozostaje nierozwiązana, mimo że naukowcy wciąż dokonują nowych odkryć w tej dziedzinie. Przyjrzyjmy się tym odkryciom.

Cechy fizyczne wyróżniające ludzki mózg

Wszystkie ustalenia podważające trafność teorii wielkiego mózgu skłoniły badaczy do sięgnięcia po mikroskopy oraz po zaawansowane techniki liczenia i barwienia komórek, które umożliwiają ich szczegółowe badanie. Oto skutek: szczelina w fundamentach teorii wielkiego mózgu rozszerza się na naszych oczach.

Większy nie znaczy lepszy

Kilka problemów rzucało cień na teorię dużego mózgu jeszcze przed ujawnieniem różnic mikroskopowych w 1999 roku. Neandertalczycy mieli większy mózg niż ludzie, ale nigdy nie przejawiali zdolności, jakimi może się pochwalić współczesny człowiek. W ciągu dziejów mózg Homo sapiens wyraźnie się zmniejszył. Kwestia ta przykuła moją uwagę, kiedy badałem pacjentów cierpiących na padaczkę lekooporną, u których przeprowadzono zabieg rozszczepienia mózgu (komisurotomia). W trakcie tej operacji przecina się grubą wiązkę nerwów stanowiącą połączenie między półkulami – spoidło wielkie – co uniemożliwia rozprzestrzenianie się impulsów nerwowych. Lewa półkula mózgu tych pacjentów, która nie odbiera żadnych sygnałów od prawej półkuli (w pewnym uproszczeniu można więc powiedzieć, że mózg zmniejszył się o połowę), pozostaje równie inteligentna, jak cały mózg. Jeśli wielkość mózgu jest tak ważna, to można się spodziewać, że utrata połowy tego organu będzie wywierała istotny wpływ na zdolność rozwiązywania problemów i formułowania hipotez. Nic podobnego.

Kiedy koncentrujemy się na liczbie neuronów, napotykamy kolejny problem. Mark Twain powiedział kiedyś: „Pogłoski o mojej śmierci były mocno przesadzone”. Podobnie przesadzone okazują się twierdzenia, że ludzki mózg jest większy, niż należałoby się spodziewać u małpy człekokształtnej naszej wielkości. W 2009 roku Frederico Azevedo i jego współpracownicy[41] zastosowali nową technikę zliczania neuronów i ustalili, że jeśli chodzi o liczbę neuronów oraz innych komórek, mózg ludzki jest typowym mózgiem gatunku należącego do rzędu naczelnych. Innymi słowy, jest taki, jakiego można oczekiwać u naczelnych naszej wielkości, i nie zawiera nieproporcjonalnie dużej liczby neuronów[42]. Badacze ci obliczyli również, że stosunek liczby komórek nieneuronalnych do liczby neuronów w strukturach ludzkiego mózgu jest podobny do wartości, jakie spotykamy u innych gatunków naczelnych, przy czym liczba komórek obu typów jest zgodna z oczekiwaniami dotyczącymi naczelnych naszej wielkości. Azevedo i jego współpracownicy doszli do wniosku, że to nie ludzie wyróżniają się wśród naczelnych nieproporcjonalnie dużym mózgiem (w stosunku do rozmiarów ciała). Gatunkami, które odstają od reszty, są goryle i orangutany, których ciała są niespodziewanie duże w stosunku do wielkości mózgu.

Ludzki mózg zawiera średnio 86 miliardów neuronów. Sześćdziesiąt dziewięć miliardów komórek nerwowych znajduje się jednak w móżdżku – niewielkiej strukturze zlokalizowanej w tylnej części mózgu, od której zależy koordynacja ruchowa. Cała kora mózgowa – obszar mózgu, który, jak się uważa, odpowiada za ludzką myśl i kulturę – ma ich zaledwie 17 miliardów, a w pozostałej części mózgu znajduje się nieco mniej niż miliard neuronów. Płaty czołowe i kora przedczołowa – fragment mózgu odpowiedzialny za pamięć i planowanie, elastyczność poznawczą, myślenie abstrakcyjne, inicjowanie właściwych zachowań i hamowanie tych niewłaściwych, uczenie się reguł oraz wybieranie istotnych informacji odbieranych przez nasze zmysły – zawierają dużo mniej neuronów niż pola wzrokowe, pozostałe pola czuciowe oraz pola ruchowe zlokalizowane w korze. Tym, co odróżnia płaty czołowe od innych części mózgu, jest jednak większe rozgałęzienie wypustek neuronów – dendrytów – co pociąga za sobą możliwość tworzenia większej liczby połączeń.

Zadanie badaczy anatomii mózgu stało się jasne. Skoro liczba ludzkich neuronów odpowiada liczbie komórek nerwowych w mózgu szympansa (po uwzględnieniu rozmiarów ciała), to gatunki te muszą się różnić pod względem wzorów połączeń neuronalnych lub struktury samych neuronów.

Zmiany wzorów połączeń neuronalnych

Wraz ze wzrostem mózgu zwiększa się liczba neuronów, liczba połączeń synaptycznych oraz przestrzeń między neuronami. Obliczono, że ludzka kora mózgowa jest 2,75 raza większa niż kora mózgowa szympansa, choć zawiera jedynie 1,25 raza więcej neuronów[43], co oznacza, że za tę różnicę wielkości w dużej mierze odpowiada powiększenie przestrzeni między ciałami komórek nerwowych oraz tego, co tę przestrzeń wypełnia. Owa przestrzeń, zwana neuropilem lub pilśnią nerwową, wypełniona jest elementami tworzącymi połączenia neuronalne: aksonami, dendrytami i synapsami. Ogólnie rzecz biorąc, im większy ten obszar, tym lepiej jest połączony[44], ponieważ coraz więcej neuronów łączy się z coraz większą liczbą innych neuronów. Jeżeli jednak wraz ze wzrostem mózgu każdy neuron miałby się połączyć ze wszystkimi innymi neuronami, to zwiększona liczba połączeń oraz rosnąca długość połączeń rozciągających się w coraz większym mózgu spowolniłaby przetwarzanie sygnałów nerwowych, a co za tym idzie – ostateczna korzyść byłaby niewielka[45]. W rzeczywistości poszczególne neurony nie łączą się ze wszystkimi pozostałymi. Wraz ze wzrostem mózgu następuje spadek odsetka połączeń. Od pewnego momentu, w miarę jak wzrasta bezwzględna wielkość mózgu i całkowita liczba neuronów, liczba połączeń nerwowych proporcjonalnie maleje, a wraz ze zmianą wzorca połączeń zmienia się wewnętrzna struktura mózgu. Spadek proporcjonalnej liczby połączeń neuronalnych zmusza mózg do specjalizacji – tylko w ten sposób możliwe jest dodawanie nowych funkcji. Grupy wzajemnie połączonych neuronów tworzą niewielkie obwody lokalne, które wykonują określone zadania związane z przetwarzaniem informacji. Obwody te działają automatycznie. Wyniki ich pracy są przekazywane do innej części mózgu, ale obliczenia, które doprowadziły do otrzymania danego rezultatu, nie są przesyłane dalej. Tak więc w wypadku omówionego wcześniej problemu dotyczącego percepcji wzrokowej wynik przetwarzania – ocena, że szary romb wydaje się jaśniejszy lub ciemniejszy – zostaje przesłany dalej, lecz kolejne kroki w procesie przetwarzania, które doprowadziły do tego wniosku – nie.

Badania prowadzone w ciągu ostatnich czterdziestu lat wykazały, że ludzki mózg zawiera miliardy neuronów zorganizowanych w lokalne, wyspecjalizowane obwody zwane modułami. Na przykład Mark Raichle, Steve Petersen i Mike Posner przeprowadzili badanie z wykorzystaniem technik neuroobrazowania, które pokazało różne obwody działające równolegle i przetwarzające różne typy sygnałów. Jeden obszar mózgu reaguje, kiedy słyszymy słowa, inna część aktywizuje się wtedy, gdy je widzimy, jeszcze inna – kiedy sami je wypowiadamy, przy czym wszystkie te obszary mogą być aktywne równocześnie[46]. James Ringo, który doszedł do wniosku, że w większym mózgu musi istnieć proporcjonalnie mniej połączeń nerwowych, co prowadzi do powstawania bardziej wyspecjalizowanych sieci neuronalnych, zauważył też, że wyjaśnia to problem ze szczurami Karla Lashleya oraz ich ekwipotencjalnymi mózgami. W małych mózgach szczurów nie wytworzyły się wyspecjalizowane obwody charakterystyczne dla większych mózgów. Dodajmy do tych rozważań komentarz Todda Preussa: „Odkrycie różnorodności korowej okazało się nader kłopotliwe. Dla neuronaukowców ten fakt oznacza bowiem, że szerokie uogólnienia dotyczące organizacji kory mózgowej, oparte na wynikach badań prowadzonych na osobnikach kilku gatunków «modelowych», takich jak szczury czy rezusy, zbudowane są na bardzo kruchych fundamentach”[47].

W toku ewolucji ssaków wraz z powiększaniem się mózgu następował nieproporcjonalny wzrost jego najmłodszej ewolucyjnie części – kory nowej. Sześciowarstwowa kora nowa jest zbudowana z neuronów, „małych szarych komórek” – jak nazywał je Herkules Poirot – i spoczywa na szczycie kory mózgowej niczym wielka, pofałdowana serweta. Kora nowa odpowiada za procesy spostrzegania zmysłowego, inicjowania ruchu, orientacji przestrzennej, świadomego i abstrakcyjnego myślenia, a także za język i wyobraźnię. Wzrost mózgu regulowany jest przez harmonogram procesu neurogenezy, który, rzecz jasna, przebiega pod kontrolą DNA. Dłuższy okres rozwojowy oznacza większą liczbę podziałów komórek, co prowadzi do powstania większego mózgu. Warstwy zewnętrzne, zwane nadziarnistymi (warstwy II i III), dojrzewają ostatnie[48], a ich projekcje docierają przede wszystkim do innych miejsc w obrębie kory[49]. Jeff Hustler z naszego laboratorium poczynił ważne spostrzeżenie na temat tych warstw: u naczelnych obserwuje się proporcjonalnie większy wzrost liczby neuronów warstwy II i III niż u innych ssaków. U naczelnych stanowią one 46% grubości kory (cortical thickness), u mięsożerców – 36%, a u gryzoni – 19%[50]. Warstwa ta jest grubsza ze względu na gęstą sieć połączeń między ośrodkami korowymi. Zdaniem wielu badaczy warstwy nadziarniste oraz utworzona przez nie sieć połączeń mają istotne znaczenie dla wyższych funkcji poznawczych realizowanych dzięki połączeniu obszarów motorycznych, czuciowych i kojarzeniowych (asocjacyjnych). Zróżnicowana grubość tych warstw może wskazywać na zmienność liczby połączeń nerwowych[51], która z kolei może być jedną z przyczyn występowania różnic poznawczych i behawioralnych między gatunkami[52]. Większe rozmiary kory nowej umożliwiłyby reorganizację lokalnych obwodów korowych i zwiększenie liczby połączeń.

Tymczasem w miarę, jak mózgi naczelnych się powiększały, spoidło wielkie – gruba wiązka włókien nerwowych, która przekazuje informacje między dwiema półkulami mózgu – stało się proporcjonalnie mniejsze[53]. Większe rozmiary mózgu wiążą się więc z ograniczeniem komunikacji między półkulami. W toku ewolucyjnego rozwoju człowieczeństwa półkule mózgu stały się słabiej połączone, podczas gdy liczba połączeń w obrębie każdej z półkul (liczba lokalnych obwodów neuronalnych) wzrosła, co sprawiło, że przetwarzanie informacji stało się procesem w większym stopniu lokalnym. Co prawda wiele obwodów duplikuje się symetrycznie w obu półkulach (na przykład w prawej półkuli znajdują się obwody neuronalne zawiadujące ruchami lewej strony ciała, a w półkuli lewej umiejscowione są obwody kontrolujące prawą stronę), ale spora liczba obwodów jest zlokalizowana tylko w jednej półkuli. Zlateralizowane obwody neuronalne – takie, które występują tylko w jednej półkuli – są bardzo liczne w ludzkim mózgu. W ostatnich latach dowiedzieliśmy się o asymetriach neuroanatomicznych występujących u wielu gatunków zwierząt, ale u ludzi zlateralizowane obwody neuronalne wydają się dużo bardziej rozpowszechnione niż u innych gatunków[54].

Zaczątki lateralizacji musiały być obecne już u ostatniego wspólnego przodka człowieka i szympansa. Na przykład moi współpracownicy Charles Hamilton i Betty Vermeire badali umiejętność rozpoznawania twarzy u makaków i odkryli przewagę prawej półkuli ich mózgu w rozpoznawaniu małpich twarzy[55]; podobnie jest u ludzi – prawa półkula lepiej sobie radzi z rozpoznawaniem ludzkich twarzy. Inni badacze wykazali, że zarówno u ludzi, jak i u szympansów hipokamp (struktura odpowiedzialna za uczenie się oraz konsolidację pamięci przestrzennej, nastroju, apetytu i snu) jest asymetryczny – jego prawa część jest większa niż lewa[56]. W toku ewolucji hominidów nastąpił jednak dalszy postęp procesu lateralizacji. W poszukiwaniu asymetrii między człowiekiem a innymi naczelnymi najwięcej badań poświęcono obszarom odpowiedzialnym za język. Badacze znaleźli w nich wiele różnic. Na przykład równina skroniowa, wchodząca w skład ośrodka Wernickego, obszaru korowego odpowiedzialnego za rozumienie mowy, jest większa po prawej stronie mózgu niż po lewej zarówno u ludzi, jak i u szympansów oraz rezusów, z tym że w lewej półkuli ludzkiego mózgu struktura ta ma pewne wyjątkowe cechy mikroskopowe. Minikolumny korowe[57] są tu szersze, a odległości między nimi – większe. Powstała wskutek tego odmienna struktura neuronalna może wskazywać, że w lewej półkuli mózgu schemat przetwarzania informacji jest lepiej dopracowany i mniej redundantny niż w półkuli prawej. Można również przypuszczać, że w wolnej przestrzeni pomiędzy minikolumnami znajduje się jakiś dodatkowy element, którego jeszcze nie znamy. Stwierdzono też międzypółkulową asymetrię struktur korowych tylnej części obszaru kontrolującego funkcje językowe oraz ośrodka Broki – rejonów uczestniczących w rozumieniu i wytwarzaniu mowy – co wskazuje na zmiany w sieci połączeń odpowiedzialnych za tę wyjątkową umiejętność[58].

Wkrótce po rozpoczęciu badań pacjentów z rozszczepionym mózgiem odkryliśmy kolejną zdumiewającą różnicę anatomiczną. U szympansów i rezusów spoidło przednie – wiązka włókien nerwowych łącząca środkową i dolną część zakrętu skroniowego obu półkul mózgowych – uczestniczy w przesyłaniu informacji wzrokowych[59]. Tymczasem późniejsze badania z udziałem pacjentów z rozszczepionym mózgiem wykazały, że u ludzi spoidło przednie nie przekazuje informacji wzrokowych, lecz sygnały zapachowe i słuchowe. Ta sama struktura, różne funkcje. Kolejna istotna różnica dotyczy głównej drogi wzrokowej, która zarówno u małp, jak i u ludzi biegnie z siatkówki oka do pierwotnej kory wzrokowej w płacie potylicznym (w tylnej części mózgu). Małpy z uszkodzoną korą wzrokową nadal widzą obiekty w przestrzeni, a także rozróżniają kolory, jasność, wzory i położenie obiektów[60]. Ludzie, u których doszło do podobnego uszkodzenia, nie radzą sobie z tymi zadaniami i tracą zdolność widzenia. Takie różnice w zakresie funkcji i możliwości dróg mózgowych świadczą o istnieniu różnic gatunkowych między podobnymi strukturami mózgowymi i przypominają nam, że powinniśmy zachować ostrożność, dokonując porównań międzygatunkowych.

Dzięki nowej technice neuroobrazowania, zwanej obrazowaniem tensora dyfuzji (diffusion tensor imaging), możemy sporządzić mapę włókien nerwowych. Organizacja ludzkiego mózgu na poziomie lokalnym stała się zatem dostępna, można ją obserwować i opisać w kategoriach liczbowych. Przy użyciu tej techniki zgromadzono więcej danych przemawiających za zmianą wzorów połączeń neuronalnych. Na przykład wiązka włókien kojarzeniowych (istoty białej), która u człowieka odpowiada za funkcje językowe – pęczek łukowaty – odznacza się zupełnie inną organizacją u małp Starego Świata, szympansów i człowieka[61].

Różne typy neuronów

Jakiś czas temu zastanawiałem się, czy zdaniem naukowców komórki nerwowe przedstawicieli różnych gatunków są odmienne, czy takie same. Grupie wybitnych neurobiologów zadałem więc pytanie: „Gdybyś rejestrował impulsy elektryczne wytwarzane przez wycinek hipokampa umieszczony na szkiełku laboratoryjnym i  gdybyś nie wiedział, czy pochodzi on z mózgu myszy, małpy czy człowieka, to czy potrafiłbyś je odróżnić na podstawie samej aktywności elektrycznej?” Większość odpowiedzi, które wtedy otrzymałem, można sprowadzić do twierdzenia: „Komórka to komórka. To uniwersalna jednostka przetwarzania, która u pszczoły i człowieka różni się jedynie wielkością. Jeśli więc odpowiednio wyskalujesz komórki piramidowe myszy, małpy i człowieka, to nie zdołasz ich od siebie odróżnić nawet z pomocą Pytii”. W ciągu ostatnich dziesięciu lat pojawił się jednak inny, zakrawający na herezję pogląd: nie wszystkie komórki nerwowe są takie same, a pewne typy neuronów występują jedynie u przedstawicieli określonych gatunków. Ponadto dany typ neuronu może przejawiać wyjątkowe właściwości u osobników konkretnego gatunku.