Przyszłość umysłu. Dążenie nauki do zrozumienia i udoskonalenia naszego umysłu ebook

Tego samego autora polecamy:

WIZJE

Czyli jak nauka zmieni świat w XXI wieku

HIPERPRZESTRZEŃ

Wszechświaty równoległe, pętle czasowe i dziesiąty wymiar

WSZECHŚWIATY RÓWNOLEGŁE

Powstanie wszechświata, wyższe wymiary i przyszłość kosmosu

FIZYKA RZECZY NIEMOŻLIWYCH

Fazery, pola siłowe, teleportacja i podróże w czasie

FIZYKA PRZYSZŁOŚCI

Nauka do 2100 roku

KOSMOS EINSTEINA

Jak wizja wielkiego fizyka zmieniła nasze rozumienie czasu i przestrzeni

Tytuł oryginału

THE FUTURE OF THE MIND

The Scientific Quest to understand, enhance, and empower the Mind

Copyright © 2014 by Michio Kaku

All rights reserved

Projekt okładki

Magdalena Palej

Zdjęcie na okładce

© fotograzia | GettyImages

Redakcja

Anna Kaniewska

Korekta

Bronisława Dziedzic-Wesołowska

ISBN 978-83-8352-496-2

Warszawa 2023

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

Dedykuję tę książkę mojej ukochanej żonie, Shizue,

oraz córkom, Michelle i Alyson

Podziękowania

Z wielką przyjemnością przeprowadziłem wywiady i nawiązałem kontakty z następującymi, wybitnymi naukowcami, bez wyjątku należącymi do czołówki w swojej dziedzinie. Chciałbym wyrazić mą wdzięczność za to, że łaskawie zgodzili się poświęcić czas na udział w wywiadach i dyskusjach na temat przyszłości nauki. Byli dla mnie przewodnikiem i inspiracją, jak też źródłem solidnej wiedzy dotyczącej ich dziedziny.

Szczególnie serdecznie chcę podziękować tym pionierom i pomysłodawcom, którzy wyrazili zgodę na wystąpienie w moich programach nagrywanych dla kanałów BBC, Discovery/Science, oraz tym, którzy wzięli udział w moich ogólnokrajowych audycjach radiowych Science Fantastic i Explorations.

Peter Doherty, laureat Nagrody Nobla, Saint Jude Children’s Research Hospital

Gerald Edelman, laureat Nagrody Nobla, Scripps Research Institute

Leon Lederman, laureat Nagrody Nobla, Illinois Institute of Technology

Murray Gell-Mann, laureat Nagrody Nobla, Santa Fe Institute oraz Caltech

Henry Kendall, laureat Nagrody Nobla, MIT

Walter Gilbert, laureat Nagrody Nobla, Uniwersytet Harvarda

David Gross, laureat Nagrody Nobla, Kavli Institute for Theoretical Physics

Joseph Rotblat, laureat Nagrody Nobla, Hospital St. Bartholomew’s

Yoichiro Nambu, laureat Nagrody Nobla, University of Chicago

Steven Weinberg, laureat Nagrody Nobla, University of Texas w Austin

Frank Wilczek, laureat Nagrody Nobla, MIT

Amir Aczel, autor książki Uranium Wars

Buzz Aldrin, astronauta NASA, drugi człowiek na Księżycu

Geoff Andersen, Akademia Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych, autor The Telescope

Jay Barbree, autor książki Kierunek księżyc

John Barrow, fizyk, Uniwersytet Cambridge, autor książki Kres możliwości: granice poznania i poznanie granic

Marcia Bartusiak, autorka książki Einstein’s Unfinished Symphony

Jim Bell, astronom, Cornell University

Jeffrey Bennet, autor Beyond UFOs

Bob Berman, astronom, autor książki The Secrets of the Night Sky

Leslie Biesecker, National Institutes of Health (Narodowe Instytuty Zdrowia)

Piers Bizony, autor książki How to Build Your Own Starship

Michael Blaese, Narodowe Instytuty Zdrowia

Alex Boese, założyciel Museum of Hoaxes

Nick Bostrom, ekspert w dziedzinie transhumanizmu, Oxford University

podpułkownik Robert Bowman, Institute for Space and Security Studies

Cynthia Breazeal, ekspert w dziedzinie sztucznej inteligencji, MIT Media Lab

Lawrence Brody, Narodowe Instytuty Zdrowia

Rodney Brooks, szef Artificial Intelligence Laboratory (AI Lab), MIT

Lester Brown, Earth Policy Institute

Michael Brown, astronom, Caltech

James Canton, autor książki The Extreme Future

Arthur Caplan, dyrektor Center for Bioethics, University of Pennsylvania

Fritjof Capra, autor książki The Science of Leonardo

Sean Carroll, kosmolog, Caltech

Andrew Chaikin, autor książki A Man on the Moon

Leroy Chiao, astronauta, NASA

Eric Chivian, organizacja International Physicians for the Prevention of Nuclear War (Lekarze przeciw Wojnie Nuklearnej)

Deepak Chopra, autor książki Super Brain

George Church, szef Harvard’s Center for Computational Genetics

Thomas Cochran, fizyk, Natural Resources Defense Council

Francis Collins, Narodowe Instytuty Zdrowia

Vicki Colvin, nanotechnolog, University of Texas

Christopher Cokinos, astronom, autor książki Fallen Sky

Neal Comins, autor książki Hazards of Space Travel

Steve Cook, rzecznik prasowy NASA

Christine Cosgrove, autor książki Normal at Any Cost

Steve Cousins, dyrektor naczelny Willow Garage Personal Robots Program

Phillip Coyle, były asystent sekretarza obrony w Departamencie Obrony Narodowej Stanów Zjednoczonych

Daniel Crevier, ekspert w dziedzinie sztucznej inteligencji, dyrektor naczelny Coreco

Ken Croswell, astronom, autor książki Magnificent Universe

Steven Cummer, imformatyk, Duke University

Mark Cutkowsky, ekspert w dziedzinie budowy maszyn, Stanford University

Paul Davies, fizyk, autor książki Superforce

Michael Dertouzos, informatyk, MIT

Daniel Dennett, filozof, Tufts University

Jared Diamond, laureat nagrody Pulitzera, UCLA

Marriot DiChristina, „Scientific American”

Peter Dilworth, MIT AI Lab

John Donoghue, twórca Braingate, Brown University

Ann Druyan, wdowa po Carlu Saganie, Cosmos Studios

Freeman Dyson, Institute for Advanced Study, Princeton

David Eagleman, neurobiolog, Baylor College of Medicine

Paul Erlich, ekolog, Stanford University

John Ellis, fizyk, CERN

Daniel Fairbanks, autor książki Relics of Eden

Timothy Ferris, University of California, autor książki Coming of Age in the Milky Way Galaxy

Maria Finitzo, specjalista w dziedzinie komórek macierzystych, laureatka nagrody Peabody

Robert Finkelstein, specjalista w dziedzinie sztucznej inteligencji

Christopher Flavin, World Watch Institute

Louis Friedman, współzałożyciel Planetary Society

Jack Gallant, neurobiolog, Berkeley University of California

James Garwin, główny naukowiec NASA

Evelyn Gates, autorka książki Teleskop Einsteina

Michael Gazzaniga, neurolog, University of California, Santa Barbara

Jack Geiger, współzałożyciel organizacji Physicians for Social Responsibility

David Gelertner, informatyk, Yale University, University of California

Neal Gershenfeld, MIT Media Lab

Daniel Gilbert, psycholog, Harvard University

Paul Gilster, autor książki Centauri Dreams

Rebecca Goldberg, Environmental Defense Fund

Don Goldsmith, astronom, autor książki Runaway Universe

David Goodstein, asystent administratora Caltechu

J. Richard Gott III, Princeton University, autor książki Time Travel in Einstein’s Universe

Stephen Jay Gould, biolog, Harvard University

ambasador Thomas Graham, odpowiedzialny za satelity szpiegowskie i zbieranie danych wywiadowczych

Eric Green, Narodowe Instytuty Zdrowia

Ronald Green, autor książki Babies by Design

Brian Greene, Columbia University, autor książki Piękno Wszechświata

John Grant, autor książki Corrupted Science

Alan Guth, fizyk, MIT, autor książki Wszechświat inflacyjny

William Hanson, autor książki The Edge of Medicine

Leonard Hayflick, California University – San Francisco Medical School

Donald Hillebrand, Argonne National Labs, ekspert w dziedzinie przyszłości samochodu

Frank N. von Hippel, fizyk, Princeton University

Douglas Hofstadter, laureat nagrody Pulitzera, Indiana University, autor książki Gödel, Escher, Bach

Allan Hobson, psychiatra, Harvard University

John Horgan, Stevens Institute of Technology, autor książki The End of Science

Jeffrey Hoffman, astronauta, NASA, MIT

Jamie Hyneman, gospodarz programu Pogromcy mitów

Chris Impey, astronom, autor książki The Living Cosmos

Robert Irie, AI Lab, MIT

P.J. Jacobowitz, magazyn „PC”

Jay Jaroslav, MIT AI Lab

Donald Johanson, antropolog, odkrywca Lucy

George Johnson, dziennikarz redakcji naukowej „New York Timesa”

Tom Jones, astronauta, NASA

Steve Kates, astronom

Jack Kessler, specjalista w dziedzinie komórek macierzystych, laureat nagrody Peabody

Robert Kirshner, astronom, Harvard University

Kris Koenig, astronom

Lawrence Krauss, Arizona State University, autor książki Fizyka podróży międzygwiezdnych

Ray Kurzweil, wynalazca, autor książki The Age of Spiritual Machines

Lawrence Kuhn, filmowiec i filozof, gospodarz programu Closer to Truth

Robert Lanza, biotechnolog, Advanced Cell Technologies

Roger Launius, autor książki Robots in Space

Stan Lee, twórca Marvel Comics i Spider-Mana

Michael Lemonick, starszy redaktor naukowy magazynu „Time”

Arthur Lerner-Lam, geolog, wulkanolog

Simon LeVay, autor książki When Science Goes Wrong

John Lewis, astronom, University of Arizona

Alan Lightman, MIT, autor książki Sny Einsteina

George Linehan, autor książki Space One

Seth Lloyd, MIT, autor książki Programming the Universe

Werner R. Loewenstein, były dyrektor Cell Physics Laboratory, Columbia University

Joseph Lykken, fizyk, Fermi National Laboratory

Robert Mann, autor książki Forensic Detective

Michael Paul Mason, autor książki Head Cases: Stories of Brain Injury and Its Aftermath

Patrick McCray, autor książki Keep Watching the Skies

Glenn McGee, autor książki The Perfect Baby

James McLurkin, MIT, AI Lab

Paul McMillan, szef Space Watch

Pattie Maes, MIT Media Lab

Fulvia Melia, astronom, University of Arizona

William Meller, autor książki Evolution Rx

Paul Meltzer, Narodowe Instytuty Zdrowia

Marvin Minsky, MIT, autor książki The Society of Minds

Hans Moravec, autor książki Robot

Phillip Morrison, fizyk, MIT

Richard Muller, astrofizyk, California University, Berkeley

David Nahamoo, IBM Human Language Technology

Christina Neal, wulkanolog

Miguel Nicolelis, neurobiolog, Duke University

Shinji Nishimoto, neurolog, California University, Berkeley

Michael Novacek, American Museum of Natural History

Michael Oppenheimer, ekolog, Princeton University

Dean Ornish, specjalista w dziedzinie leczenia raka i chorób serca

Peter Palese, wirusolog, School of Medicine Mount Sinai

Charles Pellerin, urzędnik NASA

Sidney Perkowitz, autor książki Hollywood Science

John Pike, GlobalSecurity.org

Jena Pincott, autorka książki Czy mężczyźni naprawdę wolą blondynki?

Steven Pinker, psycholog, Harvard University

Thomas Poggio, MIT, wydział sztucznej inteligencji

Correy Powell, wydawca magazynu „Discover”

John Powell, założyciel JP Aerospace

Richard Preston, autor książek Strefa skażenia oraz Demon in the Freezer

Raman Prinja, astronom, University College London

David Quammen, biolog ewolucjonista, autor książki The Reluctant Mr. Darwin

Katherine Ramsland, specjalistka w dziedzinie medycyny sądowej

Lisa Randall, autorka książki Ukryte wymiary Wszechświata, Harvard University

Sir Martin Rees, astronom królewski Wielkiej Brytanii, Uniwersytet Cambridge, autor książki Przed początkiem

Jeremy Rifkin, Foundation for Economic Trends

David Riquier, MIT Media Lab

Jane Rissler, Union of Concerned Scientists

Steven Rosenberg, Narodowy Instytut Zdrowia

Oliver Sacks, neurolog, Columbia University

Paul Saffo, futurysta, Institute of the Future

Carl Sagan, Cornell University, autor książki Kosmos

Nick Sagan, współautor książki You Call This the Future?

Michael H. Salamon, program NASA „Beyond Einstein”

Adam Savage, gospodarz programu Pogromcy mitów

Peter Schwartz, futurysta, założyciel Global Business Network

Michael Shermer, założyciel Skeptic Society i wydawca magazynu „Skeptic”

Donna Shirley, program marsjański NASA

Seth Shostak, Instytut SETI

Neil Shubin, autor książki Nasza wewnętrzna menażeria

Paul Shurch, SETI League

Peter Singer, autor książki Wired for War

Simon Singh, autor książki The Big Bang

Gary Small, autor książki i Mózg

Paul Spudis, autor książki Odyssey Moon Limited

Stephen Squyres, astronom, Cornell University

Paul Steinhardt, Princeton University, autor książki Nieskończony wszechświat

Jack Stern, chirurg pracujący z komórkami macierzystymi

Gregory Stock, UCLA, autor książki Redesigning Humans

Richard Stone, autor książek NEOs oraz Tunguska

Brian Sullivan, Hayden Planetarium

Leonard Susskind, fizyk, Stanford University

Daniel Tammet, autor książki Urodziłem się pewnego błękitnego dnia

Ted Taylor, projektant amerykańskich głowic jądrowych

Geoffrey Taylor, fizyk, University of Melbourne

Max Tegmark, kosmolog, MIT

Alvin Toffler, autor książki Trzecia fala

Patrick Tucker, World Future Society

Chris Turney, University of Wollongong, autor książki Ice, Mud and Blood

Neil de Grasse Tyson, dyrektor Hayden Planetarium

Sesh Velamoor, Foundation for the Future

Robert Wallace, autor książki Spycraft

Kevin Warwick, specjalista w dziedzinie budowy cyborgów, University of Reading, Wielka Brytania

Fred Watson, astronom, autor książki Stargazer

Mark Weiser, Xerox PARC

Alan Weisman, autor książki The World Without Us

Daniel Wertheimer, program SETI at Home, California University, Berkeley

Mike Wessler, MIT AI Lab

Roger Wiens, astronom, Los Alamos National Laboratory

Arthur Wiggins, autor książki The Joy of Physics

Anthony Wynshaw-Boris, Narodowe Instytuty Zdrowia

Carl Zimmer, biolog, autor książki Evolution

Robert Zimmerman, autor książki Leaving Earth

Robert Zubrin, założyciel Mars Society

Dziękuję również mojemu agentowi, Stuartowi Krichevsky’emu, który przez wszystkie lata jest u mego boku i zawsze służy dobrymi radami. Jego uwagi nieustannie wzbogacały moje książki. Chciałbym podziękować jeszcze moim wydawcom, Edwardowi Kastenmeierowi i Melissie Danaczko, którzy przygotowali książkę do druku i wzbogacili ją bezcennymi uwagami redakcyjnymi. Słowa podziękowania kieruję również ku dr Michelle Kaku, neurolog odbywającej staż w szpitalu Mount Sinai w Nowym Jorku, za owocne i pobudzające dyskusje. Dziękuję też moim kolegom z City College w Nowym Jorku oraz Graduate Center of City University w Nowym Jorku.

Wstęp

Dwie największe zagadki natury to umysł i Wszechświat. Korzystając z bogatego arsenału narzędzi technicznych, byliśmy w stanie sfotografować galaktyki oddalone o miliardy lat świetlnych, manipulować genami sterującymi procesami życiowymi, dotrzeć do wnętrza atomu, jednak umysł i Wszechświat wciąż nam się wymykają i kuszą. Stanowią rubieże naukowego poznania, skrywające się za mgłą najgłębszych i najbardziej fascynujących tajemnic.

Jeśli chcemy podziwiać majestat Wszechświata, wystarczy, że podniesiemy wzrok na nocne niebo, rozświetlone światłem miliardów gwiazd. Od kiedy nasi przodkowie po raz pierwszy zachwycili się blaskiem rozgwieżdżonego nieba, nieustannie dręczą nas wciąż te same, wieczne pytania: Skąd wszystko to się wzięło? Cóż wszystko to znaczy?

Aby doświadczyć tajemnic umysłu, wystarczy spojrzeć na nasze odbicie w lustrze i zadać sobie pytanie: Co kryje się za tymi oczami? Rodzą się wówczas niedające spokoju pytania w rodzaju: Czy mamy duszę? Co dzieje się z nami po śmierci? Kim „ja” jestem? I co najważniejsze, prowadzi nas to do fundamentalnego pytania: W jaki sposób wpasowujemy się w wielki kosmiczny plan? Jak wyraził to kiedyś Thomas Huxley, wielki biolog epoki wiktoriańskiej: „Dla ludzkości pytanie nad pytaniami, problem leżący u podstaw wszystkich innych zagadnień i ciekawszy od nich wszystkich wiąże się z określeniem miejsca człowieka w Naturze i jego związku z Kosmosem”.

W galaktyce Drogi Mlecznej jest sto miliardów gwiazd, mniej więcej tyle samo neuronów znajduje się w naszym mózgu. Aby mieć szansę napotkania obiektu równie skomplikowanego jak ten, który nosimy pod czaszką1, trzeba by odbyć podróż na odległość ponad 38 bilionów kilometrów, do najbliższej gwiazdy leżącej poza Układem Słonecznym. Umysł i Wszechświat są dla naukowca największym możliwym wyzwaniem, istnieje też między nimi osobliwy związek. Pod pewnym względem są całkowitymi przeciwieństwami. Domena Wszechświata to bezkres przestrzeni kosmicznej, gdzie można się natknąć na tak dziwaczne twory jak czarne dziury, eksplodujące gwiazdy i zderzające się galaktyki. Domena umysłu zaś to świat wewnętrzny, gdzie skrywają się nasze najbardziej osobiste, najbardziej intymne nadzieje i pragnienia. Umysł nigdy nie jest odległy bardziej niż nasza następna myśl, jednak często jesteśmy bezradni, gdy prosi się nas o jej wyartykułowanie i objaśnienie.

Choć w tym względzie można mówić o nich jak o przeciwieństwach, to wzbudzały one podobne emocje. Od niepamiętnych czasów Wszechświat i umysł otaczały przesądy, skrywała zasłona magii. Astrolodzy twierdzili, że potrafią wyczytać prawdę o Wszechświecie z konstelacji zodiaku, podobnie frenolodzy utrzymywali, że potrafią poznać prawdę o umyśle na podstawie ukształtowania czaszki. Równocześnie osoby czytające w myślach i prorocy byli na przestrzeni wieków na przemian wynoszeni na piedestał i bezwzględnie wyszydzani.

Drogi Wszechświata i umysłu wciąż przecinały się na wiele sposobów, w czym niemałą rolę odgrywały pewne zaskakujące pomysły formułowane przez pisarzy fantastyki naukowej. Czytając ich książki w dzieciństwie, marzyłem na jawie, że jestem członkiem slanów, wymyślonej przez A.E. van Vogta rasy telepatów. Nie mogłem wyjść z podziwu, w jaki sposób mutant Muł zdołał uwolnić swe telepatyczne moce i omal nie zawładnął całym Imperium Galaktycznym w napisanej przez Isaaca Asimova trylogii Fundacja. Oglądając film Zakazana planeta, zastanawiałem się, jak cywilizacja wyprzedzająca naszą w rozwoju o miliony lat mogła zgodnie ze swymi zachciankami dowolnie kształtować rzeczywistość dzięki skoncentrowaniu potężnych mocy telekinetycznych.

Wtedy, gdy miałem mniej więcej dziesięć lat, w telewizji pojawił się program zatytułowany The Amazing Dunninger, którego gospodarz olśniewał publiczność niesamowitymi sztuczkami magicznymi. Jego motto brzmiało: „Tym, którzy wierzą, żadne wyjaśnienie nie jest potrzebne; tym, którzy nie wierzą, żadne wyjaśnienie nie wystarczy”. W jednym z programów złożył deklarację, iż roześle swoje myśli do milionów ludzi w całym kraju. Zamknął oczy i zaczął się koncentrować, oświadczywszy, że wysyła właśnie nazwisko któregoś prezydenta Stanów Zjednoczonych. Prosił ludzi, aby zapisali je, kiedy pojawi się w ich głowie, a potem wysłali na widokówce na adres studia. Tydzień później triumfująco ogłosił, że zaczęły napływać tysiące kartek z nazwiskiem „Roosevelt”, tym samym, które „nadawał” na całe Stany Zjednoczone.

Na mnie nie zrobiło to wrażenia. W tamtych latach dziedzictwo Roosevelta wciąż bardzo mocno tkwiło w świadomości ludzi, którzy przeżyli Wielki Kryzys i drugą wojnę światową, toteż obecność jego nazwiska na kartkach pocztowych trudno było uznać za niespodziankę. (Pomyślałem sobie, że czymś naprawdę niezwykłym byłoby, gdyby Dunninger posłał w myślach nazwisko prezydenta Millarda Fillmore’a).

Mimo to moja wyobraźnia jednak została podsycona i nie mogłem się powstrzymać przed poczynieniem własnych eksperymentów z telepatią. Próbowałem koncentrować się możliwie najmocniej i czytać w myślach innych ludzi. Zamykałem oczy, skupiałem się i usiłowałem „wsłuchać się” w czyjeś myśli, próbowałem też przesuwać przedmioty w moim pokoju za pomocą telekinezy.

Nie udało mi się.

Może gdzieś na Ziemi znajdowali się telepaci, ale ja do nich się nie zaliczałem. W trakcie tych działań zacząłem zdawać sobie sprawę, że nadzwyczajne wyczyny telepatów najprawdopodobniej nie są możliwe – przynajmniej bez pomocy kogoś z zewnątrz. Jednak w kolejnych latach powoli przyswajałem sobie jeszcze inną wiedzę: aby objąć rozumem największe sekrety Wszechświata, wcale nie trzeba telepatycznych mocy lub nadludzkich zdolności. W szczególności aby się dowiedzieć, czy mogłyby się ziścić pomysły pisarzy science fiction, należy zagłębić się w lekturze podręczników zaawansowanego kursu fizyki. Aby zrozumieć, w którym miejscu to, co możliwe, staje się już niemożliwe, trzeba poznać i docenić prawa fizyki.

Przez całe życie te dwie pasje rozpalały moją wyobraźnię: pragnąłem zrozumieć podstawowe prawa fizyki i przekonać się, jak nauka będzie kształtować w przyszłości nasze życie. Dałem ujście tej pasji i podzieliłem się targającymi mną emocjami, pisząc książki Hiperprzestrzeń, Dalej niż Einstein i Wszechświaty równoległe. Z fascynacji tym, co nas czeka, zrodziły się książki Wizje, Fizyka rzeczy niemożliwych oraz Fizyka przyszłości. W trakcie procesu twórczego, który obejmował poszukiwanie materiałów, nieustannie uświadamiałem sobie, że ludzki umysł wciąż jest jedną z największych i najbardziej tajemniczych sił na świecie.

Przez większą część historii świata zupełnie nie rozumieliśmy, ani czym jest ta siła, ani na jakich zasadach funkcjonuje. Starożytni Egipcjanie, mimo wielkich osiągnięć w dziedzinie sztuki i nauki, byli przekonani, że mózg jest bezużytecznym organem. Wyrzucano go, gdy balsamowano faraonów. Arystoteles wierzył, że dusza zamieszkuje serce, a nie mózg, któremu przypisywał jedynie funkcję chłodzenia układu sercowo-naczyniowego. Inni – wśród nich Kartezjusz – uważali, że dusza wnika do ciała przez drobny gruczoł w mózgu, szyszynkę. Wobec braku przekonujących dowodów żadna z tych teorii nie mogła być naukowo zweryfikowana.

Owe „ciemne wieki” trwały całe tysiąclecia i był ku temu dobry powód. Mózg waży zaledwie niecałe półtora kilograma, mimo to jest najbardziej złożonym obiektem w Układzie Słonecznym. Jego masa to około 2 procent masy całego ciała, jednak jest on bardzo zachłanny – zużywa 20 procent wytwarzanej przez ciało energii (u noworodków mózg pochłania zdumiewające 65 procent energii dziecka). Co więcej, aż 80 procent naszego genomu poświęcone jest kodowaniu mózgu. Pod czaszką nosimy około 100 miliardów neuronów. Liczba połączeń nerwowych i ścieżek przyjmuje wartości wykładnicze.

W 1977 roku astronom Carl Sagan napisał książkę, która zapewniła mu nagrodę Pulitzera. W TheDragons of Eden (Smoki Edenu) podsumował stan wiedzy o mózgu w tamtym czasie. Książka była pięknie napisana, a jej fabułę autor osnuł wokół najświeższych osiągnięć neurobiologii, której metodologia wspierała się wówczas na trzech filarach. Pierwszym było porównywanie budowy mózgu człowieka z mózgiem innych gatunków. Zadanie było trudne i żmudne, wymagało bowiem przeprowadzenia sekcji mózgu tysięcy zwierząt. Druga metoda była równie daleka od bezpośrednich badań mózgu człowieka: badano ofiary udarów i chorób, które często z powodu swych dolegliwości przejawiały dziwne zachowania. Tylko autopsja przeprowadzana po ich śmierci mogła wykazać, która część mózgu nie funkcjonowała prawidłowo. Trzeci sposób polegał na wykorzystaniu elektrod do stymulowania mózgu i powolnym, mozolnym zbieraniu informacji pozwalających odkryć, która część mózgu wpływa na konkretne zachowania.

Podstawowe narzędzia neurobiologii nie zapewniały możliwości prowadzenia systematycznych badań ludzkiego mózgu. Po prostu nie można zamówić sobie ofiary udaru z uszkodzeniami akurat w tej części mózgu, którą planuje się badać. Ponieważ mózg jest żywym, dynamicznie zmieniającym się systemem, autopsje nie ukażą najciekawszych aspektów jego pracy, choćby wzajemnego oddziaływania na siebie poszczególnych części, nie wspominając już o rzuceniu światła na procesy, które mogą prowadzić do tak różnorodnych myśli jak miłość, nienawiść, zazdrość i ciekawość.

Bliźniacze rewolucje

Czterysta lat temu wynaleziono teleskop i niemalże z dnia na dzień ten nowy, cudowny instrument zmienił sposób, w jaki postrzegaliśmy ciała niebieskie. Był to jeden z najbardziej rewolucyjnych (i wywrotowych) instrumentów badawczych w historii. Oto nagle na własne oczy można było zobaczyć, jak mity i dogmaty przeszłości rozwiewają się niczym poranna mgła. Zamiast być doskonałymi przykładami boskiej mądrości, ciała niebieskie okazały się dalekie od doskonałości. Księżyc był usiany kraterami o poszarpanych brzegach, Słońce miało czarne plamy, Jowisz własne satelity, Wenus fazy, a Saturn pierścienie. W piętnaście lat po wynalezieniu teleskopu dowiedziano się więcej o Wszechświecie niż w całej wcześniejszej historii ludzkości.

Podobną odmianę w neurobiologii przyniosło wprowadzenie w połowie lat dziewięćdziesiątych XX wieku i na początku XXI wieku aparatów do obrazowania mózgu metodą rezonansu magnetycznego i innymi różnymi technikami. W ciągu ostatnich piętnastu lat dowiedzieliśmy się o mózgu więcej niż w całej wcześniejszej historii ludzkości. Umysł, który kiedyś uważano za całkowicie niedostępny poznaniu, nareszcie znalazł się w centrum zainteresowania badaczy.

Laureat Nagrody Nobla Eric R. Kandel z Instytutu Maxa Plancka w Tybindze w Niemczech pisze: „Najcenniejszych odkryć dotyczących ludzkiego umysłu, do jakich doszło w tym okresie, nie dokonano dzięki dziedzinom tradycyjnie zajmującym się umysłem – filozofii, psychologii czy psychoanalizie. Zawdzięczamy je fuzji tych dyscyplin z biologią mózgu...”2.

Zasadnicza rola w tym przedsięwzięciu przypadła fizykom, którzy dostarczali coraz to nowych narzędzi badawczych, oznaczanych takimi akronimami, jak MRI, EEG, PET, CAT, TCM, TES i DBS. Instrumenty te radykalnie odmieniły badania mózgu. Dzięki nim nagle byliśmy w stanie obserwować procesy myślowe zachodzące w żywym, funkcjonującym mózgu. Jak mówi neurolog V.S. Ramachandran z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego: „Wszystkie te kwestie, którymi przez tysiąclecia zadręczali się filozofowie, my, naukowcy, możemy teraz zacząć zgłębiać przez obrazowanie mózgu, badanie pacjentów i zadawanie właściwych pytań”3.

Moje pierwsze kroki na niwie fizyki poniosły mnie ku tematom bliskim właśnie tych technologii, które teraz umożliwiają nauce wgląd w funkcjonowanie mózgu. W liceum, na przykład, dowiedziałem się o istnieniu nowej formy materii, nazywanej antymaterią. Chciałem zrealizować projekt naukowy dotyczący antymaterii. Potrzebowałem sodu-22, substancji, która w naturalny sposób emituje elektron obdarzony dodatnim ładunkiem elektrycznym (antyelektron, czyli pozyton). Z prośbą o udostępnienie niewielkiej ilości sodu-22 musiałem się zwrócić do dawnej Komisji Energii Atomowej, ponieważ jest to jedna z najbardziej egzotycznych substancji na Ziemi. Mając moją wymarzoną próbkę, mogłem zbudować komorę mgłową i umieścić ją w silnym polu magnetycznym, a następnie sfotografować smugi pozostawione przez cząstki antymaterii. Nie wiedziałem wówczas, że sód-22 wkrótce przyczyni się do powstania nowej technologii zwanej PET (pozytonowa tomografia emisyjna), która od tamtej pory dostarczyła nam nowych, zdumiewających informacji na temat żywego, myślącego mózgu.

Inną technologią, z którą eksperymentowałem w liceum, był rezonans magnetyczny. Na Uniwersytecie Stanforda chodziłem na wykłady Felixa Blocha, który wspólnie z Edwardem Purcellem został w 1952 roku laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie jądrowego rezonansu magnetycznego. Doktor Bloch wyjaśnił nam, dzieciakom z liceum, że pod wpływem silnego pola magnetycznego atomy ustawiają się dokładnie wzdłuż linii tego pola, jak igły kompasu. Później, jeśli w kierunku atomów zostanie wyemitowany impuls radiowy o starannie dobranej częstotliwości rezonansowej, zostaną one wzbudzone. Następnie atomy powracają do stanu podstawowego, emitując przy tym kolejny impuls radiowy, niczym echo pierwszego, który pozwala na identyfikację atomów. (Wykorzystałem potem zasadę rezonansu magnetycznego do skonstruowania w garażu mamy akceleratora cząstek o energii 2,3 miliona elektronowoltów).

Kilka lat później, na pierwszym roku studiów na Uniwersytecie Harvarda, miałem zaszczyt zgłębiać tajniki elektrodynamiki pod okiem doktora Purcella. Mniej więcej w tym samym czasie, podczas letniej przerwy w nauce, pracowałem w zespole doktora Richarda Ernsta, który dążył do uogólnienia prac Blocha i Purcella w zakresie rezonansu magnetycznego. Odniósł spektakularny sukces i ostatecznie, w 1991 roku, został uhonorowany Nagrodą Nobla za przygotowanie gruntu pod budowę nowoczesnego aparatu do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI). Z kolei aparaty MRI dostarczyły wspaniałych zdjęć żywego mózgu, zawierających jeszcze więcej szczegółów niż te uzyskane dzięki obrazowaniu PET.

Wzmacnianie potęgi umysłu

Koniec końców zostałem profesorem fizyki teoretycznej, ale fascynacja umysłem pozostała. To niezwykle ekscytujące widzieć, jak dzięki postępowi w fizyce, dokonanemu tylko w ostatniej dekadzie, możliwe stały się niektóre ze zjawisk, jakimi interesowałem się w dzieciństwie. Wykorzystując techniki obrazowania MRI, naukowcy potrafią odczytywać krążące w mózgu myśli. Umieją też wstawić do mózgu całkowicie sparaliżowanego pacjenta czip umożliwiający połączenie z komputerem – dzięki niemu pacjenci siłą swych myśli mogą surfować po Internecie, pisać i odczytywać e-maile, grać w gry komputerowe, sterować wózkiem inwalidzkim, kontrolować sprzęty domowe i manipulować mechanicznym ramieniem. W zasadzie ludzie ci mogą robić wszystko, co każdy zdrowy człowiek osiąga za pomocą komputera.

Obecnie naukowcy idą jeszcze dalej i podłączają mózg do egzoszkieletu, noszonego przez pacjentów wokół swych sparaliżowanych kończyn. Być może pewnego dnia ludzie dotknięci porażeniem czterokończynowym będą mogli wieść normalne życie. Podobne egzoszkielety mogą obdarzyć ludzi supermocami, przydatnymi w śmiertelnie niebezpiecznych warunkach. Kiedyś, w przyszłości, nasi astronauci będą mogli nawet badać inne planety, sterując mechanicznymi surogatami z kanapy w swoim salonie.

Jak w filmie Matrix, pewnego dnia będziemy mogli dzięki komputerom załadowywać do mózgu wspomnienia lub nowe umiejętności. Naukowcom udało się już zaimplementować wspomnienia w ramach programów badawczych realizowanych na zwierzętach. Być może jest tylko kwestią czasu, kiedy my również będziemy w stanie wgrywać do mózgu wiedzę z zakresu nowych dziedzin, informacje na temat wakacji w nowych miejscach lub interesującego hobby. Jeśli możliwe będzie implementowanie wiedzy technicznej w umysłach naukowców i pracowników, technologia ta może nawet wpłynąć na ogólnoświatową ekonomię. Być może będziemy mogli wręcz dzielić się wspomnieniami. Pewnego dnia naukowcy zdołają zbudować „Internet umysłu” albo swego rodzaju „brain-net”, umożliwiający rozsyłanie po całym świecie drogą elektroniczną myśli lub odczuć. Nawet sny będzie można nagrywać i wysyłać „pocztą mózgową”.

Technologia może też umożliwić podnoszenie naszej inteligencji. Poczyniliśmy znaczące postępy w rozumieniu nadzwyczajnych mocy, jakimi dysponują „sawanci”, których zdolności mentalne, artystyczne lub matematyczne są autentycznie zdumiewające. Co więcej, udało się zsekwencjonować geny, którymi różnimy się od małp, co daje nam wyjątkowy wgląd w ewolucyjne pochodzenie mózgu. Wyizolowano też u niektórych gatunków zwierząt geny, które odpowiadają za zwiększoną wydajność pamięci i intelektu.

Te najnowsze odkrycia wywołały duże poruszenie i obiecują tak wiele, że przyciągnęły uwagę polityków. Neurobiologia nagle stała się dziedziną, w której doszło do transatlantyckiej rywalizacji pomiędzy największymi potęgami gospodarczymi świata. W styczniu 2013 roku prezydent Barack Obama i przewodniczący Unii Europejskiej ogłosili wdrożenie dwóch niezależnych projektów, na które w ich ostatecznym kształcie przeznaczone będą wielomiliardowe nakłady finansowe. Oba projekty koncentrują się na odwrotnej inżynierii mózgu. Rozszyfrowanie zawiłości struktury neuronalnej mózgu, uważane niegdyś za zadanie leżące beznadziejnie daleko poza zasięgiem nowoczesnej nauki, teraz stało się głównym celem dwóch projektów naukowych, które – jak wcześniej Human Genome Project – zmienią oblicze nauki i medycyny. Nie tylko dostarczą obrazu umysłu nieporównywalnego z żadnym innym, lecz także przyczynią się do powstania nowych gałęzi przemysłu, będą zarzewiem wzmożonej aktywności gospodarczej i otworzą przed neurobiologią nowe perspektywy.

Można sobie wyobrazić, że kiedy ścieżki nerwowe mózgu zostaną ostatecznie rozszyfrowane, możliwe będzie dotarcie do przyczyn chorób psychicznych, być może znajdziemy też lekarstwa na te nękające nas od pradawnych czasów przypadłości. Dekodowanie mózgu otworzy drzwi do ewentualnego wykonania jego kopii, co jednak prowokuje pytania natury filozoficznej i etycznej. Kim jesteśmy, jeśli naszą świadomość da się przenieść do komputera? Możemy też z nowej perspektywy spojrzeć na koncepcję nieśmiertelności. Nasze ciała będą tracić sprawność i ostatecznie umrą, ale czy świadomość mogłaby żyć wiecznie?

Pójdźmy jeszcze dalej. Może pewnego dnia w bardzo odległej przyszłości umysł zostanie uwolniony z kajdan ciała i będzie mógł swobodnie szybować między gwiazdami, jak przewiduje to kilku naukowców. Można sobie wyobrazić, że za kilka stuleci pełny schemat neuronalny zostanie zakodowany w świetle lasera i wysłany daleko w kosmos, co okazałoby się najwygodniejszym sposobem poznawania przez świadomość nowych światów.

Przed naszą nauką otwierają się zupełnie nowe, fantastyczne możliwości naukowe, w których drzemie moc odmiany przeznaczenia ludzkości. Wchodzimy właśnie w nową złotą erę neurobiologii.

Nie zdobyłbym się na tak śmiałe proroctwa, gdyby nie nieoceniona pomoc naukowców, którzy uprzejmie zgodzili się na przeprowadzenie z nimi wywiadu, rozpowszechnienie formułowanych przez nich pomysłów w ogólnokrajowych kanałach radiowych, a nawet na wprowadzenie ekip telewizyjnych do ich laboratoriów. Naukowcy ci kładą fundamenty, na których będzie się wspierać przyszłość umysłu. Z mojej strony włączenie głoszonych przez nich idei do niniejszej książki obwarowałem tylko dwoma warunkami:

1) przewidywania musiały pozostawać absolutnie zgodne z prawami fizyki;

2) daleko idące pomysły musiały być wsparte istniejącymi prototypami, będącymi świadectwem poprawności założeń leżących u podstaw koncepcji.

Dotknięci chorobą psychiczną

Napisałem kiedyś biografię Einsteina, zatytułowaną Kosmos Einsteina, która nie powstałaby, gdybym nie zagłębił się w najdrobniejsze szczegóły jego życia prywatnego. Wiedziałem, że jego najmłodszy syn cierpiał na schizofrenię, ale nie zdawałem sobie sprawy, jak wielki wpływ wywarło to na życie wielkiego naukowca. Einstein poznał jeszcze ból choroby psychicznej w inny sposób: jednym z jego najbliższych kolegów, który pomógł mu stworzyć ogólną teorię względności, był fizyk Paul Ehrenfest. W wyniku wyjątkowo ostrego napadu depresji Ehrenfest zabił własnego syna, który był obciążony zespołem Downa, a potem popełnił samobójstwo. W miarę upływu lat dowiadywałem się, że wielu moich kolegów również musiało zmagać się z ciężarem choroby psychicznej któregoś z członków rodziny.

Choroba psychiczna mocno naznaczyła również moje życie. Kilka lat temu, po długiej walce z chorobą Alzheimera, zmarła moja matka. Rozdzierało mi się serce, gdy widziałem, jak stopniowo traci pamięć o bliskich, gdy patrzyłem jej w oczy i wiedziałem, że mnie nie rozpoznaje. Patrzyłem, jak powoli gaśnie w niej blask człowieczej duszy. Całe życie poświęciła rodzinie i zamiast cieszyć się złotymi latami, została okradziona ze wszystkich wspomnień o tym, co było dla niej najcenniejsze.

W miarę starzenia się społeczeństwa smutne doświadczenia życiowe, które były udziałem moim i wielu innych ludzi, będą powtarzać się z rosnącym natężeniem wszędzie na świecie. Życzyłbym sobie, aby szybki postęp w neurobiologii przyniósł ulgę ludziom dotkniętym przez choroby psychiczne i demencję.

Co napędza tę rewolucję?

Dane uzyskiwane w wyniku obrazowania mózgu wciąż są przetwarzane, a dokonujący się postęp jest oszałamiający. Prasa kilka razy w roku ogłasza kolejny przełom. Droga od odkrycia teleskopu do zdobycia przestrzeni kosmicznej zajęła nam 350 lat, tymczasem po wprowadzeniu obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI) i innych zaawansowanych technik obrazowania wystarczyło zaledwie piętnaście lat, abyśmy zdołali aktywnie połączyć mózg ze światem zewnętrznym. Dlaczego tak szybko i jak wiele jeszcze można osiągnąć?

Ten błyskawiczny postęp zawdzięczamy po części temu, że dzisiejsza fizyka dobrze rozumie elektromagnetyzm, który rządzi przesyłaniem impulsów elektrycznych przez nasze neurony. Sformułowane przez Jamesa Clerka Maxwella matematyczne równania, którym podlegają zjawiska fizyczne związane z pracą anten, radarów, odbiorników radiowych i wież telefonii komórkowej, stanowią fundament, na którym opiera się technologia MRI. Trzeba było wielu stuleci, aby ludzie zgłębili tajniki elektromagnetyzmu, jednak teraz neurobiologia może cieszyć się owocami tych starań. W księdze pierwszej przyjrzę się historii badań mózgu i wyjaśnię, jak doszło do tego, że armada nowych instrumentów opuściła laboratoria fizyczne i dostarczyła fantastycznych, kolorowych zdjęć, ilustrujących zachodzące w mózgu procesy myślowe. Ponieważ centralną pozycję we wszystkich dyskusjach na temat umysłu zajmuje świadomość, oferuję spojrzenie na nią z perspektywy fizyka, ale sięgam też po definicję, która ma swe źródło w królestwie zwierząt. W zasadzie tworzę listę rankingową, pokazując, że różnym typom świadomości można przypisać numer.

Chcąc udzielić pełnej odpowiedzi na pytanie, jak będzie dalej przebiegał rozwój tych technologii, będziemy musieli również przyjrzeć się temu zagadnieniu przez pryzmat prawa Moore’a, które stwierdza, że moc komputerów podwaja się co osiemnaście miesięcy. Często zaskakuję ludzi prostym faktem, że ich telefon komórkowy dysponuje dzisiaj większą mocą obliczeniową niż wszystkie komputery NASA razem wzięte w czasach, gdy w 1969 roku udało się umieścić dwóch ludzi na powierzchni Księżyca. Dziś komputery mają dostatecznie dużą moc obliczeniową, aby radzić sobie z rejestrowaniem docierających z mózgu impulsów elektrycznych i zamienić część z nich na znajomy zapis cyfrowy. Dzięki temu możliwe stało się skonstruowanie interfejsu łączącego mózg z komputerem, pozwalającego na sterowanie każdym elementem elektronicznego wyposażenia za pomocą myśli. Ta szybko rozwijająca się dziedzina nosi nazwę „interfejs mózg–maszyna” (BMI), a newralgicznym punktem owej technologii jest komputer. W księdze drugiej przyjrzę się technologii, która umożliwiła rejestrowanie wspomnień, czytanie w myślach, nagrywanie filmów wideo z treścią snów i telekinezę.

W księdze trzeciej zbadam alternatywne formy świadomości, od snów, narkotyków, chorób psychicznych do robotów, a nawet obcych form życia z kosmosu. W tej części piszę o możliwościach kontrolowania mózgu i manipulowania jego funkcjami w celu zapanowania nad chorobami – depresją, chorobami Parkinsona i Alzheimera, jak też innymi schorzeniami. Szczegółowo omówię też założenia projektu BRAIN (Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies), którego realizację ogłosił prezydent Obama, oraz projektu Unii Europejskiej – Human Brain Project. Budżet każdego z tych projektów może sięgnąć miliardów dolarów. Ich celem jest rozszyfrowanie ścieżek nerwowych mózgu na poziomie pojedynczych neuronów. Nie ma wątpliwości, że oba rywalizujące ze sobą programy otworzą drzwi do zupełnie nowych dziedzin badań, dostarczą nowych sposobów walki z chorobami psychicznymi i odsłonią najgłębsze tajemnice świadomości.

Ponieważ podaliśmy definicję świadomości, możemy posłużyć się nią do zgłębienia tematu świadomości innej niż ludzka (to znaczy świadomości robotów). Jak zaawansowane mogą być roboty? Czy mogą mieć uczucia? Czy mogą stanowić zagrożenie? Zajmiemy się też świadomością kosmitów, których cele mogą być diametralnie różne od naszych.

W dodatku zajmuję się chyba najdziwniejszą ideą w całej fizyce, koncepcją wyjętą z fizyki kwantowej, według której zasadniczą podstawą rzeczywistości może być świadomość.

W tej gwałtownie rozwijającej się dziedzinie nie brak najróżniejszych pomysłów. Tylko czas pokaże, które z nich były zaledwie mrzonkami zrodzonymi przez wybujałą wyobraźnię pisarzy science fiction, a które solidnymi teoriami, umożliwiającymi prowadzenie w przyszłości badań naukowych. Postęp w neurobiologii osiągnął astronomiczne proporcje i pod wieloma względami napędzała go nowoczesna fizyka, w pełnym zakresie wykorzystująca siły elektromagnetyczne i jądrowe do sięgania ku wielkim sekretom ukrytym głęboko w naszych umysłach.

Powinienem podkreślić, że neurobiologia nie jest moją specjalnością. Jestem fizykiem teoretykiem, który żywi nieprzemijającą fascynację umysłem. Mam nadzieję, że punkt widzenia fizyka pomoże wzbogacić naszą wiedzę i zapewni świeże spojrzenie na najbardziej znany i jednocześnie wciąż obcy obiekt we Wszechświecie, jakim jest nasz umysł.

Biorąc pod uwagę szaleńcze tempo, z jakim pojawiają się zupełnie nowe perspektywy, ważne jest, byśmy od samego początku dobrze pojmowali, jak zbudowany jest mózg.

Tak więc skupmy się najpierw na korzeniach współczesnej neurobiologii, których historycy nauki dopatrują się w dniu, gdy żelazny szpikulec przebił mózg niejakiego Phineasa Gage’a. To dramatyczne zajście stanowiło początek ciągu zdarzeń, które pomogły otworzyć temat poważnych, naukowych badań mózgu. Choć dla pana Gage’a był to wielce niefortunny wypadek, utorował drogę do nowoczesnej nauki.

KSIĘGA I

Umysł i świadomość

ROZDZIAŁ 1

Otwieranie umysłu

Co się tyczy mózgu, podstawowym przyjmowanym przeze mnie założeniem jest to, że efekty jego pracy – czasami nazywane przez nas „umysłem” – wynikają z jego anatomii i fizjologii, i niczego więcej.

Carl Sagan

W 1848 roku Phineas Gage pracował w Vermoncie jako brygadzista ekipy kładącej tory nowej linii kolejowej, kiedy doszło do przypadkowego odpalenia ładunku dynamitu. Prosto w twarz mężczyzny wystrzelony został niemal półtorametrowej długości metalowy szpikulec, który wbił się na wysokości przedniego płata mózgu, wyszedł przez sklepienie czaszki i wylądował dwadzieścia pięć metrów dalej. Ujrzawszy rozbryzgane fragmenty mózgu brygadzisty, zszokowani koledzy natychmiast wezwali lekarza. Ku zaskoczeniu robotników (i samego lekarza), pan Gage nie zginął na miejscu.

Przez kilka tygodni to odzyskiwał, to tracił świadomość4, lecz ostatecznie, jak się wydawało, wrócił do pełni zdrowia. (W 2009 roku światło dzienne ujrzała niezwykła fotografia Gage’a z metalowym prętem w ręce, ukazująca pewnego siebie, przystojnego mężczyznę z raną głowy i uszkodzonym lewym okiem). Jednak po tym wypadku współpracownicy Gage’a zaczęli dostrzegać wyraźne zmiany jego osobowości. Dotychczas pogodny, zawsze śpieszący z pomocą brygadzista stał się grubiański, wrogi i samolubny. Ostrzegano nawet kobiety, aby trzymały się od niego z daleka. Doktor John Harlow, lekarz prowadzący leczenie5, odnotował własne obserwacje stanu pacjenta: „jest grymaśny i niezdecydowany, snuje wiele planów działania na przyszłość, które nie mają szans na wprowadzenie w życie, zaraz bowiem zastępują je inne, jak mu się zdaje, bardziej wykonalne. Pod względem zdolności intelektualnych i przejawianych zachowań jest niczym dziecko, ale targają nim zwierzęce popędy dorosłego mężczyzny”. Doktor Harlow zanotował jeszcze, że u pacjenta doszło do „radykalnej przemiany”, a jego koledzy w pracy twierdzili, że „to już nie jest Gage”. Po śmierci Gage’a w 1860 roku doktor Harlow zachował zarówno jego czaszkę, jak i pręt, który ją przebił. Szczegółowe prześwietlenia wykonane w późniejszych latach potwierdziły, iż metalowy pręt dokonał wielkiego spustoszenia w obszarze mózgu położonym za kością czołową czaszki, znanym pod nazwą płata czołowego, zarówno w lewej, jak i prawej półkuli mózgowej.

Ten niewiarygodny wypadek zmienił nie tylko życie Phineasa Gage’a, odmienił również tory, po których podążała nauka. Zanim do niego doszło, dominujący wówczas pogląd, nazywany w filozofii dualizmem, opierał się na założeniu, iż mózg i dusza są dwoma odrębnymi bytami. Szybko stało się jednak oczywiste, że uszkodzenia przedniego płata mózgu Gage’a skutkowały gwałtownymi zmianami jego osobowości. To z kolei doprowadziło do zmiany paradygmatu w nauce: dopuszczono możliwość, że poszczególne obszary mózgu można połączyć z określonymi zachowaniami.

Mózg Broki

W 1861 roku, zaledwie rok po śmierci Gage’a, ten rewolucyjny pogląd został jeszcze wzmocniony przez prace Pierre’a Paula Broki, paryskiego lekarza, prowadzącego dokumentację pacjenta niemal całkowicie normalnego, który przejawiał jedynie poważne zaburzenia mowy. Człowiek ten doskonale rozumiał mowę, lecz sam był w stanie wyartykułować tylko jeden dźwięk, słowo „tan”. Po śmierci pacjenta doktor Broca przeprowadził autopsję i stwierdził zmiany chorobowe w lewym płacie skroniowym, czyli obszarze mózgu położonym w pobliżu lewego ucha. W późniejszym czasie lekarz natrafił jeszcze na dwanaście przypadków pacjentów z identycznymi uszkodzeniami tego konkretnego obszaru mózgu. Obecnie o ludziach, u których stwierdzono uszkodzenia tego obszaru, mówi się, że cierpią na afazję Broki. (Ogólnie rzecz biorąc, chorzy rozumieją mowę, ale sami nie są w stanie mówić bądź gubią mnóstwo słów, gdy próbują).

Niedługo potem, w 1874 roku, niemiecki lekarz Carl Wernicke opisał pacjentów, których dolegliwości miały przeciwny charakter. Wypowiadali się w pełni zrozumiale, lecz nie rozumieli ani pisma, ani mowy. Często pacjenci z tą przypadłością mówili płynnie, prawidłowo gramatycznie i składniowo, jednak używali pozbawionych sensu słów i żargonu. Co smutne, ludzie ci zwykle nie zdawali sobie sprawy z tego, że z ich ust wydobywa się kompletny bełkot. Przeprowadzone przez Wernickego autopsje potwierdziły, że u wszystkich doszło do uszkodzenia nieco innego obszaru lewego płata skroniowego.

Prace Broki i Wernickego były kamieniami milowymi rozwoju nauki o mózgu, dowodziły, że istnieje bezpośredni związek przyczynowo-skutkowy pomiędzy zaburzeniami zachowania, takimi jak upośledzenie mowy, a uszkodzeniami konkretnych obszarów mózgu.

Do kolejnego przełomu doszło w samym środku wojennej zawieruchy. Na przestrzeni dziejów funkcjonowało wiele zakazów religijnych, stojących na przeszkodzie przeprowadzaniu sekcji ludzkiego ciała, które poważnie hamowały postęp w medycynie. Jednak w trakcie działań wojennych, kiedy na polu bitwy konały dziesiątki tysięcy wykrwawiających się żołnierzy, lekarze byli zmuszeni szybko obmyślać jakiekolwiek medyczne sposoby ratowania ludzi, które miały szanse powodzenia. W trakcie wojny prusko-duńskiej w 1864 roku niemiecki lekarz Gustav Fritsch wielokrotnie musiał ratować żołnierzy z otwartymi ranami mózgu i zauważył, że kiedy dotyka jednej półkuli mózgu, drgawki obejmują przeciwną stronę ciała. W późniejszym czasie, przeprowadziwszy starannie zaplanowane badania z wykorzystaniem stymulacji mózgu prądem elektrycznym, Fritsch wykazał, że lewa półkula mózgu kontroluje prawą stronę ciała, i odwrotnie. Było to szokujące odkrycie, dowodzące, iż u podstaw działania mózgu leżą impulsy elektryczne oraz że poszczególne obszary mózgu kontrolują części ciała położone po przeciwnej stronie. (Co ciekawe, pierwsze udokumentowane zastosowanie stymulacji elektrycznej mózgu miało miejsce niemal dwa tysiące lat wcześniej. Dokonali tego starożytni Rzymianie. Według kronik nadworny lekarz cesarza Klaudiusza posłużył się drętwą, rybą obdarzoną ładunkiem elektrycznym, którą przykładał do głowy pacjenta uskarżającego się na intensywne migreny. Było to w 43 roku naszej ery)6.

Odkrycie faktu, że mózg łączy z resztą ciała sieć, po której biegną impulsy elektryczne, aż do lat trzydziestych XX wieku nie pociągnęło za sobą usystematyzowanych badań. Wówczas to doktor Wilder Penfield zaczął pracować z chorymi na epilepsję, którzy często przechodzili wyniszczające organizm ataki konwulsji i zagrażające życiu napady padaczkowe. Ostatnią nadzieją dla tych pacjentów była chirurgiczna operacja mózgu, w trakcie której usuwano fragment kości czaszki i odsłaniano mózg. (Ponieważ mózg nie zawiera receptorów bólu, pacjent może być przytomny na wszystkich etapach procedury, co pozwalało doktorowi Penfieldowi stosować wyłącznie znieczulenie miejscowe).

Doktor Penfield zauważył, że stymulowanie elektrodą określonych części kory mózgowej skutkuje reakcjami różnych części ciała. Nagle zdał sobie sprawę, że jest w stanie ustalić przybliżony związek między konkretnymi obszarami kory mózgowej a częściami ludzkiego ciała. Wykonane przez niego rysunki są tak precyzyjne, że do dzisiaj wykorzystuje się je w niemal niezmienionej postaci. Natychmiast odbiły się szerokim echem zarówno w środowisku naukowym, jak i opinii publicznej. Na jednym z diagramów można zobaczyć, który obszar mózgu kontroluje wybrane funkcje organizmu, oraz odczytać z niego, jak istotne są to funkcje. Na przykład, ponieważ usta i ręce mają tak kluczowe znaczenie dla naszego przetrwania, duża moc mózgu koncentruje się na kontrolowaniu tych części ciała, podczas gdy receptory czuciowe na plecach są niemal całkowicie ignorowane.

Penfield poczynił jeszcze inne spostrzeżenia. Pacjenci, u których stymulacji poddawano fragmenty płata skroniowego, nagle z krystalicznie czystą jasnością przypominali sobie dawno zapomniane zdarzenia ze swego życia. Zszokowało go, gdy w samym środku operacji mózgu pacjent wybełkotał: „To było zupełnie jak wtedy... stałem na schodach [mojego] liceum... słyszałem, jak mama rozmawia z ciocią przez telefon i mówi, żeby przyszła wieczorem”7. Penfield uświadomił sobie, że słucha wspomnień zakopanych głęboko w mózgu. Opublikowanie przez niego w 1951 roku wyników prac doprowadziło do kolejnego przełomu w naszym pojmowaniu mózgu.

Mapa mózgu

W latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XX wieku możliwe stało się stworzenie uproszczonej mapy mózgu, zawierającej lokalizację poszczególnych obszarów, a nawet identyfikującej funkcje niektórych z nich.

Na rysunku 2 widzimy korę nową, zewnętrzną warstwę mózgu, podzieloną na cztery płaty. Jest ona u ludzi mocno rozwinięta. Wszystkie płaty mózgu mają za zadanie przetwarzać sygnały pochodzące od receptorów zmysłowych, z jednym wyjątkiem. Jest nim płat czołowy, ulokowany za kością czołową. Kora przedczołowa, najbardziej wysunięta do przodu część płata czołowego, jest miejscem, gdzie zachodzi większość racjonalnych procesów myślowych. Odczytywana przez ciebie informacja jest przetwarzana właśnie w korze przedczołowej. Uszkodzenie tej części mózgu może prowadzić do upośledzenia zdolności planowania lub rozważania wariantów przyszłości, jak u Phineasa Gage’a. Jest to obszar, w którym analizowane są informacje z ośrodków zmysłowych i zapadają decyzje dotyczące kierunku podejmowanych w przyszłości działań.

Płat ciemieniowy umiejscowiony jest na szczycie naszego mózgu. Prawa półkula kontroluje wrażenia czuciowe i odpowiada za ich lokalizację, lewa kontroluje ruchy celowe i pewne funkcje językowe. Uszkodzenie tej części mózgu może prowadzić do wielu problemów, takich jak choćby trudność w rozpoznawaniu położenia części własnego ciała.

Płat potyliczny ulokowany jest w tylnej części mózgu i zawiaduje przetwarzaniem informacji dostarczanej przez wzrok. Uszkodzenia tego obszaru mogą powodować ślepotę lub upośledzenie widzenia.

Płat skroniowy kontroluje funkcje językowe (dotyczące lewej strony ciała), jak również rozpoznawanie twarzy i odczuwanie pewnych emocji. Uszkodzenie tego płata może spowodować, że utracimy zdolność mówienia lub rozpoznawania znajomych twarzy.

Rysunek 1. Stworzona przez doktora Wildera Penfielda mapa rejonów kory mózgowej zawiadujących funkcjami motorycznymi ciała, ukazująca, który obszar kontroluje konkretną część ciała.

Ewoluujący mózg

Kiedy przyjrzymy się innym częściom ciała, takim jak mięśnie, kości lub płuca, wydaje się, że charakteryzuje je oczywisty porządek i celowość, który natychmiast rzuca się nam w oczy. Tymczasem struktura mózgu robi wrażenie raczej chaotycznego zlepku różnych kawałków. Istotnie próby stworzenia mapy mózgu często nazywano „kartografią dla głupców”.

Rysunek 2. Cztery płaty kory nowej mózgu odpowiedzialne są za różne, aczkolwiek związane ze sobą funkcje.

Chcąc dostrzec logiczny wzorzec w owej pozornie bezładnej strukturze, w 1967 roku doktor Paul MacLean z Narodowego Instytutu Zdrowia Psychicznego zastosował do mózgu teorię ewolucji Karola Darwina. Podzielił organ na trzy części. (Choć przeprowadzone w późniejszym czasie badania naukowe wykazały, że konieczne jest wprowadzenie do modelu pewnych poprawek, to jednak dążąc do ogólnego objaśnienia struktury mózgu, posłużymy się nim jako przybliżonym schematem porządkującym). Przede wszystkim MacLean zauważył, że tylna i środkowa część, zawierające pień mózgu, móżdżek i zwoje podstawy mózgu, są niemal takie same, jak analogiczne fragmenty mózgu gadów. Znane pod nazwą „gadziego mózgu”, są to najstarsze struktury, zawiadujące podstawowymi, atawistycznymi funkcjami, w tym zdolnością utrzymywania równowagi, oddychaniem, trawieniem, biciem serca i ciśnieniem krwi. Kontrolują one też takie zachowania, jak walka, polowanie, parzenie się i obrona terytorium, niezbędne do zapewnienia przetrwania i reprodukcji. Początki gadziego mózgu mogą sięgać 500 milionów lat wstecz (patrz rysunek 3).

W miarę postępu przemian ewolucyjnych na drodze od gadów do ssaków mózg stawał się coraz bardziej złożony, rozwijał się, pojawiały się całkiem nowe struktury. Tak wytworzył się „mózg ssaczy”, albo inaczej układ limbiczny, umiejscowiony blisko środka naszego mózgu, w otoczeniu części mózgu gadziego. Układ limbiczny jest wydatny u zwierząt żyjących w dużych grupach społecznych, choćby małp. W jego skład wchodzą struktury odpowiedzialne za regulację zachowań emocjonalnych. Ponieważ dynamika w obrębie grup społecznych może być dość zagmatwana, układ limbiczny staje się niezbędny w procesie oceny sytuacji i rozpoznawania wrogów, sojuszników i rywali.

Odrębne części układu limbicznego, kontrolujące zachowania kluczowe dla zwierząt społecznych, to:

• hipokamp: brama do zasobów pamięci, gdzie wspomnienia pamięci krótkotrwałej są przekształcane we wspomnienia pamięci długotrwałej; nazwa oznacza „konika morskiego” i stanowi ilustrację jego dziwnego kształtu; uszkodzenia tej części mózgu prowadzą do zaniku zdolności tworzenia nowych wspomnień długoterminowych – człowiek staje się więźniem teraźniejszości;

• ciało migdałowate: przestrzeń emocji, zwłaszcza strachu, gdzie są one przede wszystkim rejestrowane i wywoływane; nazwa nawiązuje do jego kształtu;

• wzgórze: jest to rodzaj stacji przekaźnikowej, odbierającej sygnały czuciowe z pnia mózgu i przesyłającej je do różnych fragmentów kory mózgowej; łacińska nazwa thalamus oznacza „komorę wewnętrzną”;

• podwzgórze: tu regulowana jest temperatura ciała, kontrolowany jest rytm dobowy, głód, pragnienie, pewne aspekty rozmnażania i rozkoszy; obszar ten jest położony poniżej wzgórza – stąd nazwa.

Rysunek 3. Ewolucyjna historia mózgu, ze wskazaniem gadziego mózgu, układu limbicznego (zwanego mózgiem ssaczym) i kory nowej (mózg człowieka). Z grubsza rzecz ujmując, można byłoby wywieść stąd wniosek, że na początku ścieżki ewolucji mózgu znajduje się mózg gadzi, po nim pojawił się mózg ssaczy, na koniec zaś mózg człowieka.

Na koniec docieramy do trzeciego i najświeższego obszaru mózgu ssaczego, kory mózgowej, stanowiącej zewnętrzną warstwę naszego mózgu. Ostatnią, wytworzoną w toku ewolucji strukturą kory mózgowej jest kora nowa, która zarządza wyższymi procesami poznawczymi. Obszar ten najsilniej rozwinięty jest u ludzi – stanowi do 80 procent masy naszego mózgu, a mimo to jest zaledwie grubości serwetki. U szczurów kora nowa jest gładka, tymczasem u ludzi jest silnie pofałdowana, co pozwala na upchnięcie w ludzkiej czaszce dużej powierzchni.

W pewnym sensie ludzki mózg jest podobny do muzeum; zgromadzono tu bowiem pozostałości po wszystkich minionych etapach naszej rozciągniętej na miliony lat ewolucji, w trakcie której organ ten zyskiwał na objętości, pojawiały się nowe struktury w przedniej części i uruchamiane były nowe funkcje. (Mniej więcej podobną drogę rozwoju przechodzi mózg niemowlęcia. Mózg nowo narodzonego dziecka również powiększa objętość i rozwija się w przedniej części, być może naśladując poszczególne stadia ewolucji człowieka).

Choć kora nowa robi wrażenie niezwykle skromnej, jest to mylące. Oglądając ją pod mikroskopem, można w pełni docenić architekturę mózgu. Substancję szarą tworzą miliardy malutkich komórek mózgowych nazywanych neuronami. Niczym gigantyczna sieć połączeń telefonicznych, odbierają one sygnały od innych neuronów poprzez dendryty, które przypominają wąs wystający z jednego końca neuronu. Na drugim końcu znajduje się długie włókno zwane aksonem. Ostatecznie akson łączy się poprzez dendryty co najmniej z dziesięcioma tysiącami innych neuronów. Na złączu dwóch neuronów znajduje się drobna przerwa nazywana synapsą. Synapsy pełnią funkcję bram, regulując przepływ informacji w mózgu. W obszarze synaps działają specjalne związki chemiczne nazywane neuroprzekaźnikami, wpływające na przepływ sygnałów. Neuroprzekaźniki – dopamina, serotonina i noradrenalina – pomagają sterować przepływem informacji w miriadach ścieżek mózgu, toteż wywierają potężny wpływ na nasz nastrój, uczucia, myśli i stany umysłu (patrz rysunek 4).

Zaprezentowany opis z grubsza odpowiada zakresowi wiedzy z lat osiemdziesiątych XX wieku. Jednak w następnym dziesięcioleciu, głównie dzięki nowym technologiom, dostępnym za sprawą odkryć w dziedzinie fizyki, mechanizmy działania mózgu zaczęto ujawniać z niezwykłą szczegółowością, zapoczątkowując długą serię odkryć naukowych, która wciąż jest kontynuowana. Jednym z motorów napędowych tej rewolucji był aparat do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI).

Rysunek 4. Diagram obrazujący budowę neuronu. Impulsy elektryczne biegną wzdłuż aksonu, aż napotkają synapsę. Przepływ impulsów elektrycznych przez synapsę regulują neuroprzekaźniki.

Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego: okno na mózg

Aby zrozumieć, dlaczego ta zupełnie nowa technologia pomogła rozszyfrować myślący mózg, musimy teraz skupić uwagę na pewnych podstawowych prawach fizyki.

Fale radiowe, będące rodzajem promieniowania elektromagnetycznego, mogą przenikać przez tkanki, nie wyrządzając przy tym żadnych szkód. Aparaty do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego wykorzystują ten fakt, emitując fale elektromagnetyczne, które swobodnie przenikają w głąb czaszki. W efekcie technologia ta dostarczyła nam cudownych zdjęć, przedstawiających coś, czego, jak wcześniej sądzono, nigdy nie będzie można utrwalić na fotografii: zachodzących we wnętrzu mózgu procesów, które towarzyszą doznawaniu emocji i odbieraniu bodźców nerwowych. Obserwując taniec światełek w aparacie MRI, można prześledzić ruch myśli wewnątrz mózgu. To jak możliwość oglądania wnętrza zegara podczas wsłuchiwania się w jego tykanie.

Pierwsze, co rzuca się w oczy w aparatach MRI, to wielkie, cylindryczne cewki magnetyczne, które wytwarzają pole magnetyczne od dwudziestu do sześćdziesięciu tysięcy razy silniejsze niż pole magnetyczne Ziemi. Gigantyczny magnes jest jednym z zasadniczych powodów, dla których aparat może ważyć tonę, wypełniać sobą salę i kosztować kilka milionów dolarów. (Aparaty MRI są bezpieczniejsze od aparatów rentgenowskich, ponieważ nie emitują niebezpiecznego promieniowania jonizującego. Tomograf komputerowy, za pomocą którego również można otrzymać trójwymiarowe obrazy, zalewa ciało promieniowaniem o dawce wielokrotnie przewyższającej dawki pochłaniane przy normalnym zdjęciu rentgenowskim, toteż do tomograficznych badań diagnostycznych trzeba podchodzić z ostrożnością. Z kolei właściwie obsługiwane aparaty MRI są bezpieczne. Problemem bywa jednak niedbalstwo pracowników. Włączone w nieodpowiednim momencie pole magnetyczne może z wielką prędkością wyrzucić w powietrze metalowe narzędzia. Zdarzało się, że takie wypadki kończyły się zranieniami, a nawet śmiercią).

Zasada działania aparatów MRI jest następująca: ułożeni płasko pacjenci wsuwani są do wnętrza cylindra, zawierającego dwie duże cewki wytwarzające pole magnetyczne. Po włączeniu pola magnetycznego jądra atomów ludzkiego ciała zachowują się jak igła magnetyczna kompasu – ustawiają się zgodnie wzdłuż linii pola magnetycznego. Następnie generowany jest słaby impuls promieniowania radiowego, za sprawą którego niektóre jądra atomów w ciele człowieka zaczynają podskakiwać. Kiedy jądra atomów powracają do swojej normalnej pozycji, emitują wtórny impuls promieniowania radiowego, który jest rejestrowany przez aparat MRI. Analizując charakterystykę tego słabego „echa”, można odtworzyć położenie i naturę atomów. Niczym nietoperz, który wykorzystuje echo do określenia położenia obiektów na swej drodze, echo wytwarzane przez aparaty MRI pozwala naukowcom wydobyć niesamowity obraz wnętrza mózgu. Później komputery przeprowadzają rekonstrukcję położenia atomów, przedstawiając nam piękne, trójwymiarowe diagramy.

Gdy wprowadzano do użytku pierwsze aparaty obrazujące metodą rezonansu magnetycznego, były one w stanie ukazać statyczną strukturę mózgu i jego różnych obszarów. Jednak w połowie lat dziewięćdziesiątych XX wieku wynaleziono nowy typ aparatów MRI, określany nazwą „funkcjonalny” MRI, albo w skrócie fMRI, zdolny wykrywać obecność tlenu we krwi płynącej wewnątrz mózgu. (Naukowcy czasami oznaczają różne typy aparatów obrazujących metodą rezonansu magnetycznego przez dodanie małej litery przed skrótem MRI, my jednak przez ten skrót będziemy rozumieli każdy aparat MRI, niezależnie od jego typu). Obrazowanie MRI nie pozwala na bezpośredni wgląd w przepływ elektryczności w neuronach, ale – ponieważ tlen jest niezbędny w procesie dostarczania energii do neuronów – natleniona krew może w pośredni sposób umożliwiać śledzenie przepływu energii elektrycznej w neuronach oraz pokazać, w jaki sposób różne obszary mózgu wzajemnie ze sobą oddziałują.

Dzięki takiemu obrazowaniu udało się już ostatecznie obalić tezę, że procesy myślowe koncentrują się w jednym wybranym ośrodku. Zamiast tego można dostrzec, jak zachodzące procesy myślowe sprawiają, że energia elektryczna krąży po różnych obszarach mózgu. Obrazowanie MRI umożliwiło śledzenie ścieżki, po której podążają nasze myśli, rzucając światło na naturę choroby Alzheimera, Parkinsona, schizofrenii i całej masy innych schorzeń psychicznych.

Ogromną zaletą aparatów MRI jest ich znakomita zdolność do lokalizowania bardzo małych fragmentów mózgu, o rozmiarach mierzonych w ułamkach milimetra. Obrazowanie MRI pozwala otrzymać coś więcej niż obraz złożony z punkcików na dwuwymiarowym ekranie, zwanych pikselami. Powstający obraz składa się z wokseli, punktów w trójwymiarowej przestrzeni, i jest to zbiór liczący dziesiątki tysięcy jasnych, kolorowych kropek, układających się w trójwymiarowy kształt mózgu.

Ponieważ różne pierwiastki chemiczne odpowiadają reakcją na różne częstotliwości promieniowania radiowego, zmieniając częstotliwość impulsu fal radiowych, można identyfikować różne pierwiastki wchodzące w skład ciała. Jak już wspomniałem, aparaty fMRI biorą na cel znajdujące się w naszej krwi atomy tlenu, co pozwala dokonać precyzyjnych pomiarów przepływu krwi, jednak aparaty obrazujące metodą rezonansu magnetycznego można dostroić w taki sposób, aby rozpoznawały inne atomy. Tylko w ostatniej dekadzie wprowadzono do użytku nowy typ aparatu MRI nazywany aparatem do „obrazowania tensora dyfuzji” (DTI), który wykrywa przepływ wody w mózgu. Ponieważ woda podąża tam ścieżkami sieci neuronowej, aparaty DTI dostarczają pięknych zdjęć, na których mózg przypomina splątane gałązki rosnącej w ogrodzie winorośli. Naukowcy są teraz w stanie w jednej chwili określić, jak dane obszary mózgu łączą się z innymi partiami tego organu.

Technologia obrazowania metodą rezonansu magnetycznego jest jednak obciążona kilkoma wadami. Jeśli chodzi o rozdzielczość przestrzenną, nic nie może się z nią równać, gdyż aparaty MRI potrafią umiejscowić malutkie woksele z zegarmistrzowską precyzją, lecz nie są już tak dobre, gdy zależy nam na szybkiej rejestracji zachodzących zmian. Potrzebują bowiem całej sekundy, aby zlokalizować przepływ krwi w mózgu. Jedna sekunda może nie wydawać się dużym przedziałem czasu, ale należy pamiętać, że sygnały elektryczne przemierzają cały mózg w okamgnieniu, zatem aparatom mogą umknąć jakieś zawiłe szczegóły procesów myślowych.

Kolejną przeszkodą są koszty, sięgające milionów dolarów, tak więc lekarze zmuszeni są dzielić się aparatami. Jednak wraz z postępem w dziedzinie technologii koszt urządzeń powinien spadać, jak dzieje się to w odniesieniu do wszystkich cudów techniki.

Tymczasem astronomiczne koszty nie zdławiły pościgu za komercyjnymi zastosowaniami. Jednym z pomysłów jest wykorzystanie aparatury MRI jako wykrywacza kłamstw. Według niektórych badań można tą metodą identyfikować kłamstwa z pewnością sięgającą 95 procent, a nawet wyższą. Poziom dokładności wciąż wzbudza kontrowersje, jednak pomysł opiera się na założeniu, że osoba wypowiadająca kłamstwo musi znać prawdę, obmyślić kłamstwo, a następnie szybko przeanalizować jego spójność ze znanymi wcześniej faktami. Niektóre firmy utrzymują dziś, że technologia MRI pokazuje, iż u osoby uciekającej się do kłamstwa rozświetlają się płaty przedczołowy i ciemieniowy. Mówiąc precyzyjniej, aktywna staje się kora oczodołowo-czołowa (która, oprócz innych funkcji, odgrywa rolę „szybkiego kontrolera”, mającego ostrzegać nas, że coś jest nie tak, jak być powinno). Obszar ten jest umiejscowiony tuż za naszymi oczodołami, stąd jego nazwa. Teoria głosi, że kora oczodołowo-czołowa rozumie różnicę pomiędzy prawdą a kłamstwem, przez co wzmaga się jej aktywność. (Inne obszary mózgu, takie jak średnio-górny i wewnętrzno-boczny fragment kory przedczołowej, odpowiedzialne za procesy poznawcze, również rozjaśniają się, gdy człowiek kłamie).

Już teraz kilka firm komercyjnych oferuje aparaty MRI jako wykrywacz kłamstw, w sądach pojawiają się przypadki zgłaszania pozyskanych tą drogą danych jako materiału dowodowego. Warto jednak odnotować fakt, że tak przygotowane aparaty wykrywają podwyższoną aktywność tylko pewnych określonych obszarów mózgu. Podczas gdy testy DNA zawodzą w jednym przypadku na 10 miliardów albo rzadziej, zawodność obrazowania MRI w roli wykrywacza kłamstw jest znacznie większa, w procesie obmyślania kłamstwa bowiem uczestniczy wiele obszarów mózgu, które jednak odpowiedzialne są również za procesy myślowe wielu innych rodzajów.

Obrazowanie EEG

Kolejnym użytecznym narzędziem, umożliwiającym sięgnięcie w głąb mózgu, jest EEG, czyli elektroencefalogram. Po raz pierwszy wykonano go jeszcze w 1924 roku, jednak dopiero w ostatnich latach zastosowanie komputerów umożliwiło wydobycie użytecznych informacji z powodzi danych dostarczanych przez każdą elektrodę.

Rysunek 5. Na górze: obraz uzyskany za pomocą aparatu funkcjonalnego MRI, ukazujący obszary mózgu charakteryzujące się wysoką aktywnością. Na dole: podobny do kwiatu wzór, stworzony przez aparat DTI, który śledzi aktywność sieci neuronowej i połączeń wewnątrz mózgu.

Przed skorzystaniem z aparatu pacjent zazwyczaj nakłada futurystycznie wyglądający hełm z wystającymi z niego końcówkami elektrod. (W bardziej zaawansowanych wersjach aparatu hełm zastępowany jest siatką na włosy, w którą wpleciono szeregi malutkich elektrod). Zadaniem elektrod jest wykrywanie krążących po mózgu wątłych sygnałów elektrycznych.

Istnieje kilka zasadniczych różnic między obrazowaniem EEG i obrazowaniem MRI. Obraz w technologii MRI, jak mogliśmy się przekonać, powstaje po wysłaniu przez aparat impulsów fal radiowych i przeanalizowaniu wracającego „echa”. Oznacza to, że zmieniając częstotliwość impulsu, można wybierać do analizy różne atomy, dzięki czemu aparat zyskuje dość wszechstronne zastosowania. Tymczasem aparat EEG jest całkowicie pasywny, zwyczajnie poddaje analizie drobne impulsy elektryczne, emitowane przez mózg w sposób naturalny. Przewaga aparatury EEG wynika stąd, że rejestrowane są sygnały z całej objętości mózgu, co pozwala naukowcom mierzyć całkowitą jego aktywność podczas snu, wysiłku umysłowego, odprężenia, marzeń itp. Różne stany świadomości wibrują z różną częstotliwością. Na przykład głęboki sen odpowiada falom delta, charakteryzującym się częstotliwością od 0,1 do 4 cykli na sekundę. Stany umysłu związane z podwyższoną aktywnością, na przykład pojawiające się w chwilach rozwiązywania problemów, odpowiadają falom beta, charakteryzującym się częstotliwością od 12 do 30 cykli na sekundę. Wibracje te umożliwiają różnym obszarom mózgu wymianę informacji i wzajemną komunikację nawet wówczas, gdy leżą one na przeciwnych krańcach. Nie bez znaczenia jest też to, że obrazowanie MRI odnotowuje przepływ krwi w mózgu co najwyżej kilka razy na sekundę, podczas gdy obrazowanie EEG ukazuje aktywność elektryczną natychmiastowo, w czasie rzeczywistym.

Największe zalety obrazowania EEG kryją się jednak w łatwości jego przeprowadzania oraz w niskich kosztach. Nawet licealiści w domach eksperymentowali z nakładanymi na głowę sensorami EEG.

Obrazowanie EEG ma wszakże bardzo poważną wadę, która na dziesięciolecia powstrzymała rozwój tej techniki diagnostycznej. Jest nią bardzo słaba rozdzielczość przestrzenna. Aparat EEG rejestruje sygnały, które wcześniej uległy rozproszeniu podczas przenikania przez kości czaszki. Patrząc na plątaninę zarejestrowanych przez aparat EEG impulsów, niemal na pewno nie uda się stwierdzić z całą pewnością, z którego obszaru mózgu pochodzą. Co więcej, drobne ruchy, choćby poruszenie palcem, mogą zniekształcić sygnał, przez co cały zapis staje się bezużyteczny.

Obrazowanie PET

Jeszcze innym użytecznym narzędziem należącym do świata fizyki jest aparat wykorzystujący do diagnozowania pozytonową tomografię emisyjną (PET), który wylicza przepływ energii w mózgu na podstawie obecności glukozy, cząsteczek cukru stanowiącego paliwo dla komórek. Podobnie jak w komorze mgłowej, którą budowałem w czasach nauki w liceum, aparaty PET wykorzystują subatomowe cząstki emitowane przez znajdujący się w glukozie sód-22. Przed rozpoczęciem obrazowania PET pacjent dożylnie otrzymuje specjalny roztwór, zawierający lekko radioaktywny cukier. Znajdujące się w cząsteczce cukru atomy sodu zostały zastąpione atomami radioaktywnego sodu-22. Za każdym razem gdy atom sodu ulega rozpadowi radioaktywnemu, emituje elektron o dodatnim ładunku elektrycznym, czyli pozyton, który bez trudu wychwytywany jest przez sensory aparatu. I tak, śledząc drogę radioaktywnych atomów wbudowanych w cząsteczkę cukru, można ujawnić przepływ energii w mózgu.

Obrazowanie PET ma wiele zalet podobnych do tych, które charakteryzowały technologię MRI, jednak nie jest w stanie zbliżyć się do wspaniałej rozdzielczości przestrzennej zdjęć uzyskiwanych dzięki rezonansowi magnetycznemu. Aczkolwiek zamiast skupiać się na pomiarze przepływu krwi, który jest tylko pośrednim wskaźnikiem zużycia energii w organizmie, obrazowanie PET umożliwia bezpośredni pomiar zużycia energii, toteż lepiej oddaje rzeczywistą aktywność mózgu.

Ma ono jednak poważną wadę. W przeciwieństwie do technologii MRI i EEG badanie PET wiąże się z ekspozycją pacjenta na działanie substancji radioaktywnej, przez co konieczne jest ograniczenie częstotliwości stosowania tej metody diagnozowania. Z powodu niewielkich, ale na tyle poważnych dawek pochłoniętego promieniowania, że nie sposób ignorować zagrożenia radioaktywnością, na ogół zaleca się, aby badanie PET nie odbywało się częściej niż raz do roku.

Magnetyzm mózgu

W ostatniej dekadzie arsenał naukowców zajmujących się funkcjonowaniem mózgu wzbogacił się o wiele nowych urządzeń, stanowiących zdobycze zaawansowanej techniki. Wśród nich jest przezczaszkowy stymulator elektromagnetyczny (TES), magnetoencefalograf (MEG), spektroskop bliskiej podczerwieni (NIRS). Znaczący postęp odnotowano w optogenetyce i innych dziedzinach.

W szczególności magnetyzm wykorzystuje się do systematycznego wyłączania określonych obszarów mózgu, bez konieczności chirurgicznego otwierania czaszki. Zjawisko fizyczne leżące u podstaw działania tych nowych wynalazków polega na tym, że szybko zmieniającemu się polu elektrycznemu towarzyszy zmienne pole magnetyczne i vice versa. Magnetoencefalograf (MEG) biernie mierzy pole magnetyczne, wytwarzane przez zmienne pole elektryczne mózgu. Pole to jest niezwykle słabe, jego natężenie jest wręcz skrajnie niskie, równe jednej miliardowej natężenia ziemskiego pola magnetycznego. Podobnie jak EEG, obrazowanie MEG sprawdza się rewelacyjnie, gdy diagnostom zależy na obserwacji bieżącego stanu mózgu, aparat może bowiem dokonywać nawet do tysiąca pomiarów na sekundę. Niestety, rozdzielczość przestrzenna sięga zaledwie centymetra sześciennego.

W przeciwieństwie do pasywnie dokonującego pomiarów aparatu MEG przezczaszkowy stymulator elektromagnetyczny (TES) wytwarza silny impuls elektryczny, któremu towarzyszy puls energii magnetycznej. Aparat TES umieszcza się tuż przy głowie pacjenta, toteż impuls magnetyczny przenika czaszkę i wywołuje kolejny impuls elektryczny wewnątrz mózgu. Ten wtórny impuls elektryczny jest dostatecznie silny, aby wyłączyć lub stłumić aktywność wybranych obszarów.

W przeszłości, aby przekonać się, jakie funkcje wypełnia dany obszar mózgu, naukowcy musieli badać przypadki pacjentów po wylewie lub cierpiących na raka, u których wyłączenie pewnych obszarów było skutkiem choroby. Obecnie przy użyciu technologii TES można na życzenie i całkiem nieszkodliwie wyłączać lub tłumić aktywność określonych części mózgu. Kierując impuls magnetyczny na wybrany obszar mózgu, można określić, jakie są jego funkcje, poprzez zwyczajną obserwację zmian w zachowaniu badanej osoby. (Na przykład kierując impulsy na lewy płat skroniowy, można dostrzec szkodliwy wpływ tych zabiegów na zdolność mowy).

Rysunek 6. Badanie za pomocą przezczaszkowego stymulatora elektromagnetycznego i magnetoencefalografu, które w celu określenia natury zachodzących w mózgu procesów myślowych wykorzystują do penetracji mózgu pole magnetyczne zamiast fal radiowych. Pole magnetyczne może na pewien czas wyciszyć określone obszary mózgu, dzięki czemu naukowcy są w stanie poznać szczegóły dotyczące ich funkcjonowania bez ograniczania się do przypadku pacjentów z udarem mózgu.

Jedną z potencjalnych wad technologii TES jest to, że wytwarzane przez aparat pola magnetyczne nie wnikają zbyt daleko w głąb mózgu (natężenie pola magnetycznego spada znacznie szybciej, niż następuje zmniejszenie siły oddziaływania elektrycznego, która jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości). Technologia TES jest dość użyteczna w wypadku oddziaływania na obszary mózgu położone blisko czaszki, jednak pole magnetyczne nie dotrze do ważnych ośrodków położonych w głębi mózgu, jakim jest, na przykład, układ limbiczny. Może kolejne generacje sprzętu TES zdołają przezwyciężyć ten problem, jeśli uda się zwiększyć natężenie pola magnetycznego i precyzję aparatu.

Głęboka stymulacja mózgu

Kolejnym narzędziem o kluczowym dla neurologów znaczeniu jest procedura nazywana głęboką stymulacją mózgu (DBS). Sondy stosowane przez doktora Penfielda były dość prymitywne. Dziś elektrody mają grubość włosa i docierają do ściśle określonych obszarów, położonych głęboko wewnątrz mózgu. Pozwoliły naukowcom odkryć, jakie funkcje pełnią różne części mózgu, ale umożliwiły też leczenie zaburzeń psychicznych. Potwierdzono skuteczność procedury DBS w przypadku choroby Parkinsona, która charakteryzuje się tym, że pewne obszary mózgu są ponad miarę aktywne i często wywołują niekontrolowane drżenie rąk.

Ostatnio celem dla elektrod stał się nowy obszar mózgu (nazywany polem Brodmanna numer 25), który jest zwykle ponad miarę aktywny u pacjentów cierpiących na depresję, niereagujących ani na psychoterapię, ani na farmaceutyki. Głęboka stymulacja mózgu przyniosła niemal cudowne ukojenie udręczonym pacjentom, którzy przez dziesięciolecia zmagali się z cierpieniem.

Każdego roku odkrywa się nowe zastosowania głębokiej stymulacji mózgu. Właściwie wszystkie poważniejsze choroby mózgu ponownie poddano analizie pod kątem zastosowania w ich diagnozowaniu i leczeniu tej metody oraz innych, nowych technologii, które umożliwiają wgląd w jego pracę. W przypadku DBS mamy do czynienia z bardzo obiecującą i ekscytującą dziedziną diagnostyki oraz leczenia.

Optogenetyka, czyli rozświetlanie mózgu