Mūsu smadzenes. Kā tās darbojas?

”No visām mūsu organisma daļām smadzenes ir visgrūtāk pētīt,” saka psihiatrs E. Fullers Torijs no ASV Nacionālā psihiskās veselības institūta. ”Mēs tās nēsājam apkārt uz saviem pleciem tajā kārbā, kas ir tik ļoti neparocīga zinātniskiem pētījumiem.”

TOMĒR, kā atzīmē paši zinātnieki, viņi daudz ko jau ir uzzinājuši par to, kā smadzenes apstrādā informāciju, ko tām piegādā mūsu piecas maņas. Aplūkosim, piemēram, kā smadzenēs notiek vizuālās informācijas apstrāde.

Mūsu ”iekšējās acis”

Gaismas stari sasniedz aci un acs ābolā atduras pret tīkleni, kas sastāv no trīs dažādiem šūnu slāņiem. Gaisma iespiežas līdz pat trešajam slānim, kurā atrodas šūnas, ko sauc par nūjiņām un vālītēm: nūjiņas ir jutīgas pret gaismas spilgtumu, bet vālītes uztver dažāda garuma viļņus, kuriem atbilst sarkanā, zaļā un zilā krāsa. Gaisma izbalina pigmentu, ko satur šīs šūnas. Tad tās sūta signālu otrā slāņa šūnām, un no turienes signāls tiek pārraidīts tālāk tām šūnām, kas veido trešo, virsējo slāni. Trešā slāņa šūnu aksoni apvienojoties izveido redzes nervu.

Redzes nervs, kas sastāv no miljoniem neironu, smadzenēs sasniedz tā dēvēto redzes nerva krustojumu. Tur neironi, pa kuriem pienāk impulsi no abu acu tīkleņu kreisās puses, satiekas un, izvietojušies paralēli cits citam, ved tālāk uz smadzeņu kreiso pusi. Impulsi no abu tīkleņu labās puses šūnām tādā pašā veidā tiek novirzīti uz smadzeņu labo pusi. Pēc tam impulsi sasniedz ”retranslācijas staciju” talāmā, un no turienes nākamie neironi aizvada tos tālāk uz apgabalu smadzeņu aizmugurējā daļā — uz redzes zonu.

Signāli par dažādiem vizuālās informācijas aspektiem plūst pa paralēliem nervu ceļiem. Zinātnieki ir noskaidrojuši, ka primārā redzes zona kopā ar blakus esošo smadzeņu garozas apvidu darbojas līdzīgi pasta nodaļai: tur tiek šķirota, pārsūtīta tālāk un sintezēta daudzveidīgā informācija, ko piegādā neironi. Trešais smadzeņu garozas apgabals uztver formu, piemēram, redzamā objekta kontūras, un kustību. Ceturtais apgabals fiksē gan apveidus, gan krāsas, bet piektais pastāvīgi ”kartografē” jaunos vizuālos datus, ļaujot izsekot tam, kā notiek pārvietošanās. Spriežot pēc jaunākajiem pētījumiem, acu savāktās vizuālās informācijas apstrādē piedalās veseli 30 dažādi smadzeņu rajoni. Bet kā tie sadarbojas, lai ļautu mums ieraudzīt vienotu attēlu? Kā redzes tēls veidojas mūsu apziņā?

Kā mūsu smadzenes ”skatās”

Acis savāc vizuālo informāciju, ko saņem smadzenes, bet šīs informācijas apstrāde notiek smadzeņu garozā. Ja jūs nofotografējat kādu ainu ar fotoaparātu, iegūtajā attēlā ir fiksētas visas šīs ainas detaļas. Bet, kad mūsu acis raugās uz šo pašu ainavu, mēs apzināti vērojam tikai daļu no tās — to daļu, kam ir pievērsta mūsu uzmanība. Kā smadzenes to panāk, tas joprojām nav noskaidrots. Pēc dažu pētnieku domām, šādu uztveri nodrošina tas, ka vizuālā informācija tiek pakāpeniski sintezēta un apkopota tā dēvētajās konverģences zonās, kas palīdz salīdzināt redzēto ar jau zināmo. Citi izsaka pieņēmumu, ka tajos gadījumos, kad mēs nepamanām kaut ko, kas nav aizsegts skatienam, tas notiek tāpēc, ka neironos, kas kontrolē apzināto redzi, nerodas uzbudinājums.

Lai kā tas arī būtu, grūtības, ar kurām zinātnieki saskaras, cenzdamies izskaidrot redzes mehānismu, ir nieks salīdzinājumā ar problēmām, kuras rodas, mēģinot noteikt, kas īsti ir apziņa un prāts. Tādas pētīšanas metodes kā magnētiskā rezonanse un pozitronu emisijas tomogrāfija ir pavērušas zinātniekiem jaunu logu uz cilvēka smadzenēm. Piemēram, novērojot asiņu pieplūdi noteiktiem smadzeņu apvidiem domāšanas procesa laikā, zinātnieki ir samērā droši konstatējuši, ka spēju dzirdēt vārdus, redzēt vārdus un izrunāt vārdus cilvēkam nodrošina atšķirīgi smadzeņu garozas apgabali. Taču, kā raksta kāds autors, ”prāta, apziņas fenomens ir daudz sarežģītāks, ..nekā to kāds būtu varējis iedomāties”. Liela daļa smadzeņu noslēpumu vēl joprojām ir neatklāti.

Smadzenes — tikai lieliski konstruēts dators?

Lai labāk saprastu mūsu sarežģītās smadzenes, var lietot salīdzinājumus. 18. gadsimta vidū, kad sākās rūpnieciskais apvērsums, kļuva populāri salīdzināt smadzenes ar mehānisku iekārtu. Vēlāk, kad attīstījās telefona sakari un telefons kļuva par vienu no progresa simboliem, cilvēki mēdza salīdzināt smadzenes ar noslogotu centrāli, kurā strādā operators, kas pieņem lēmumus. Mūsdienās, kad komplicētu uzdevumu izpildei tiek izmantoti datori, daudzi salīdzina smadzenes ar datoru. Vai šis salīdzinājums pilnībā izskaidro smadzeņu darbību?

Starp smadzenēm un datoru pastāv būtiskas atšķirības. Smadzenes pamatā ir ķīmiska, nevis elektriska sistēma. Katrā smadzeņu šūnā notiek daudz dažādu ķīmisku reakciju, — ar to smadzenēs notiekošie procesi krasi atšķiras no datoru darbības. Turklāt, kā atzīmē Sūzana Grīnfīlda, ”smadzenes neviens neprogrammē, tas ir orgāns, kas darbojas, pielāgojoties apstākļiem, spontāni”, turpretī datoriem ir nepieciešama programmēšana.

Starp neironiem pastāv sarežģīta sakaru sistēma. Daudziem neironiem ir vairāk nekā 1000 sinapšu, pa kurām tiem pienāk impulsi. Lai saprastu, ko tas nozīmē, padomāsim, piemēram, par to, ko savos pētījumos noskaidroja kāds neirobiologs. Viņš pētīja zonu smadzeņu apakšdaļā nedaudz virs un aiz deguna, lai izdibinātu, kā mēs pazīstam smaržas. Šis zinātnieks raksta: ”Pat šim it kā vienkāršajam uzdevumam, kas šķiet vieglāks par vieglu, ja to salīdzina ar kādas ģeometrijas teorēmas pierādīšanu vai Bēthovena stīgu kvarteta izprašanu, nepieciešami aptuveni 6 miljoni neironu, un ikviens no tiem saņem signālus varbūt no kādiem 10 000 citu neironu.”

Taču smadzenes nav tikai neironu sakopojums. Smadzenēs ietilpst arī glijas šūnas, kuru skaits vairākkārt pārsniedz neironu skaitu. Tās satur smadzenes kopā un veic arī citas funkcijas: veido neironu elektroizolācijas slāni, cīnās ar infekcijām un darbojas kā aizsargbarjera starp asinīm un smadzenēm. Pēc zinātnieku domām, glijas šūnas pilda arī citus uzdevumus, kas pagaidām vēl nav noskaidroti. ”Acīmredzamā analoģija ar cilvēka izgudrotajiem datoriem, kas apstrādā elektronisku informāciju ciparu formā, iespējams, ir tik nepilnīga, ka tā jau kļūst maldinoša,” secināts žurnālā Economist.

Bet tagad aplūkosim vēl kādu līdz galam neizdibinātu smadzeņu darbības aspektu.

Kā veidojas atmiņas?

Atmiņa, kas, runājot profesora Ričarda Tompsona vārdiem, ir ”varbūt visapbrīnojamākais dabas fenomens”, ir saistīta ar vairākām atšķirīgām smadzeņu funkcijām. Daudzi smadzeņu pētnieki iedala atmiņu divos veidos: deklaratīvajā un procesuālajā atmiņā. Procesuālajā atmiņā tiek saglabāti paradumi un iemaņas, turpretī deklaratīvā atmiņa uzkrāj faktus. Grāmatā The Brain—A Neuroscience Primer (Smadzenes: Ievads neirobioloģijā) atmiņas procesi klasificēti pēc to ilguma: ļoti īslaicīgā atmiņa, kas ilgst kādas 100 milisekundes; īslaicīgā atmiņa, kuras ilgums ir dažas sekundes; darba atmiņa, kurā saglabājas nesen pieredzētais; un ilgstošā atmiņa, kurā uzkrājas vārdiskais materiāls, kas ir ticis atkārtots, un motoriskās iemaņas, kuras cilvēks ir apguvis.

Viena no teorijām ilgstošās atmiņas veidošanās sākumu saista ar procesiem smadzeņu priekšējā daļā. Informācija, kas atlasīta saglabāšanai ilgstošajā atmiņā, elektrisku impulsu veidā tiek pārraidīta uz smadzeņu daļu, ko sauc par hipokampu, un tur notiek process, kas palielina neironu spēju vadīt uzbudinājuma plūsmu, — šo procesu mēdz dēvēt par ilglaicīgo potencēšanu. (Skat. ielogojumu ”Tilts starp neironiem”.)

Kāda cita atmiņas veidošanās teorija balstās uz ideju, ka atmiņas pamatā ir smadzeņu biopotenciālu svārstības. Šīs teorijas aizstāvji uzskata, ka smadzeņu elektriskās aktivitātes svārstības, ko var salīdzināt ar ritmisku bungu rīboņu, palīdz saistīt atmiņas kopā un nosaka, kurā brīdī tiek uzbudinātas dažādas smadzeņu šūnas.

Zinātnieki domā, ka dažāda veida atmiņas smadzenes uzglabā dažādās vietās un ikviens priekšstats saistās ar to smadzeņu apgabalu, kas ir specializējies tā uztveršanā. Par atsevišķām smadzeņu daļām ir skaidri zināms, ka tās piedalās atmiņas veidošanā. Mandeļveida ķermenis — neliels nervu šūnu sakopojums pie smadzeņu stumbra — apstrādā ar bailēm saistītas atmiņas. Raksturīgais izturēšanās veids un fiziskās iemaņas saistās ar bazālo gangliju rajonu, savukārt smadzenītes, kas atrodas pie smadzeņu pamata, pārzina dzīves laikā apgūtās automātiskās kustības un noteiktus refleksus. Tieši šajā smadzeņu daļā, kā tiek uzskatīts, mēs ”uzglabājam” prasmi noturēt līdzsvaru, kura mums nepieciešama, piemēram, braucot ar divriteni.

Šajā īsajā dažu smadzeņu darbības aspektu apskatā nebija iespējams pievērst uzmanību daudzām citām būtiskām smadzeņu funkcijām, piemēram, laika koordinācijai, spējai apgūt valodu, sarežģīto apzināto kustību kontrolei, nervu sistēmas un dzīvībai svarīgo orgānu darbības regulēšanai un sāpju pārvarēšanai. Vēl joprojām daudz kas nav izpētīts arī tādā sfērā kā smadzeņu ķīmiskie sakari ar imūnsistēmu. ”[Smadzenes] ir tik neiedomājami sarežģītas,” raksta neirobiologs Deivids Feltens, ”ka rodas šaubas, vai ir kādas cerības izdibināt par tām visu līdz galam.”

Kaut arī daudzi smadzeņu darbības noslēpumi vēl nav atklāti, šis apbrīnojamais orgāns dod mums spēju domāt, apcerēt un atsaukt atmiņā to, ko esam uzzinājuši. Bet kā lai vislabāk izmanto savas smadzenes? Par to būs runa nākamajā rakstā, kas noslēdz šai tēmai veltīto rakstu sēriju.

[Papildmateriāls/Attēli 8. lpp.]

TILTS STARP NEIRONIEM

Kad neirons tiek uzbudināts, pa tā aksonu tiek pārraidīts nervu impulss. Kad impulss ir sasniedzis neirona gala veidojumu sinapses vietā, impulsa ietekmē gala veidojumā esošie sīciņie sinaptiskie pūslīši, kuros atrodas tūkstošiem neiromediatoru molekulu, savienojas ar šī veidojuma virsmu, un to saturs nokļūst sinaptiskajā spraugā un sāk plūst tai pāri.

Sarežģītā mijiedarbības procesā, kas pamatojas uz ”atslēgas-slēdzenes” principu, neiromediatori atver vai bloķē uztverošā neirona kanālus. Šajā neironā ieplūst elektriski lādētas daļiņas un izraisa tajā tālākas ķīmiskas pārmaiņas, kas vai nu ierosina elektrisko impulsu, vai arī kavē tā rašanos.

Ja neironi regulāri tiek uzbudināti un iepludina sinaptiskajā spraugā mediatorus, notiek process, ko sauc par ilglaicīgo potencēšanu. Daži pētnieki uzskata, ka šajā procesā neironi satuvinās. Pēc citu zinātnieku apgalvojuma, pastāv pierādījumi, ka neirons, kas pārraida impulsus, saņem atpakaļ signālus no uztverošā neirona. Tas izraisa ķīmiskas pārmaiņas, kuru rezultātā pastiprināti tiek ražotas olbaltumvielas, kas pilda neiromediatoru funkcijas, un tāpēc saikne starp neironiem kļūst noturīgāka.

Mainīgie savienojumi starp smadzeņu neironiem, smadzeņu spēja pielāgoties — tās ir iezīmes, kas likušas nonākt pie secinājuma, kuru var formulēt īsi: ”Darbini smadzenes, citādi ierūsēs!” Lai kaut ko paturētu atmiņā, ir noderīgi to bieži atkārtot.

Aksons

Šķiedra, kas savieno neironus un pa kuru tiek pārraidīts impulss.

Dendrīti

Īsas, sazarotas šķiedras, kas saista neironus.

Neirīti

Taustekļveidīgi neirona izaugumi. Aksoni un dendrīti ir divi galvenie neirītu veidi.

Neironi

Nervu šūnas. Smadzenēs ir apmēram 10 līdz 100 miljardi neironu, un ”ikviens no tiem ir saistīts ar simtiem un reizēm pat tūkstošiem citu šūnu”.

Neiromediatori

Ķīmiskas vielas, kas nes nervu impulsus pāri tā dēvētajai sinaptiskajai spraugai no neirona, kurš pārraida signālu, uz neironu, kurš šo signālu uztver.

Sinapse

Sprauga starp signāla pārraidītāju un uztvērēju neironu vai nervu.

[Norādes par autortiesībām]

Balstīts uz profesores Sūzanas Grīnfīldas grāmatu The Human Mind Explained, 1996

CNRI/Science Photo Library/PR

[Papildmateriāls/Attēli 9. lpp.]

CILVĒKA UNIKĀLĀS SPĒJAS

Specializēti smadzeņu apgabali, kas saistīti ar valodu, nodrošina cilvēkam izcilas saziņas spējas. Tas, ko mēs vēlamies pateikt, šķiet, tiek koordinēts smadzeņu kreisās puslodes apgabalā, ko sauc par Vernikes lauku (1). Vernikes lauks ”sazinās” ar Brokā lauku (2), kurš rūpējas par gramatikas likumu ievērošanu. Pēc tam impulsi tiek pārraidīti uz blakus esošajām motoriskajām zonām, kas kontrolē sejas muskuļus un palīdz mums izveidot atbilstošus vārdus. Turklāt šie apgabali ir saistīti arī ar smadzeņu redzes sistēmu, tā ka mēs spējam lasīt, ar dzirdes sistēmu, tā ka mēs spējam dzirdēt un saprast citu teikto un atsaukties uz to, kā arī ar mūsu atmiņas krātuvēm, lai mēs varētu paturēt prātā vērtīgas domas. ”Galvenā iezīme, kas atšķir cilvēkus no citiem dzīvniekiem,” sacīts publikācijā Journey to the Centres of the Brain (Ceļojums uz smadzeņu centriem), ”ir viņu spēja apgūt apbrīnojami daudzveidīgas iemaņas, faktus un likumus ne tikai saistībā ar apkārtējās pasaules materiālajiem objektiem, bet it īpaši saistībā ar citiem cilvēkiem un to, kas liek viņiem būt tādiem, kādi viņi ir.”

[Attēli 7. lpp.]

Informāciju par krāsu, formu, kontūrām un kustību apstrādā dažādi smadzeņu apgabali

[Norāde par autortiesībām]

Parks Canada/ J. N. Flynn