Хемијско-електрична чаролија

Аутор:
Г. Војиновић

Просечан људски мозак, који тежи око килограм и по, садржи више од 100 милијарди неурона међусобно повезаних помоћу 100 билиона синапси. Стотину билиона синапси? Вау! Сваког дана научимо нешто ново, зар не? Али, да ли се заиста ради о учењу или о неважном податку који ћемо врло брзо заборавити пошто га прочитамо?

И шта је уопште учење?

Џон О’Дохерти, један од десетак стручњака са америчког универзитета Калтек, за које је учење о учењу постало научни изазов и задатак, каже да постоји више начина на које бисмо могли да говоримо о њему.

„Наш мозак стално учи. Учење је кључно за наше преживљавање јер морамо да научимо како да нађемо храну, воду и заклон. Такође, није мање значајно да научимо како да избегавамо лоше, опасне ствари. Некад је то било како да се спасемо од лава, а данас да нас не прегази ауто...”

http://razbibriga.net/imported/clear.jpg

Синаптичку везу чине три дела: неуронски аксион (црвено), неуронски дендрит (наранџасто) и синаптичка пукотина (плаво). Десно је увећан приказ синаптичке пукотине.

Биолог Танос Сјапас види учење као део и пакет меморије, памћења. „Учење и памћење су две стране исте медаље”, каже он. Док је за Колина Камерера, стручњака који испитује људско понашање, учење само посебна врста доношења одлука – поступак којим разним објектима и доживљајима приписујемо одређене вредности. На тај начин „учење” о њима помаже нам да одлучимо да ли ћемо направити исти избор и у будућности. Што се тиче Мери Кенеди, иза које је тридесетак година изучавања рада синапси у мозгу – учење је првенствено вид „неуролошке пластичности”. Односно, способности појединачних можданих ћелија да стварају нове везе или усклађују већ постојеће.

Хемијско-електрична чаролија

Синаптичка веза састоји се од три дела: пошиљаоца сигнала, неуронског аксона; примаоца сигнала, неуронског дендрита; и синаптичке пукотине где се аксон и дендрит готово додирују. У задивљујућем поступку електрични импулс, надражај који је доспео до завршетка аксона, претвара се у излив хемикалија (неуротрансмитери). Оне прелазе преко уске синаптичке пукотине, да би у дендриту одмах биле поново враћене у електрични сигнал. Он затим путује дуж дендрита, кроз тело ћелије неурона, а потом низ аксон до другог низа синапси.

Ипак, све синапсе нису настале једнаке. Мада их сваки неурон има на хиљаде, већином су мале и слабе, па имају и слаб или никакав утицај на следећу ћелију у низу. Учење нечег новог – односно отварање линије саобраћаја између неурона који раније нису имали никакву међусобну везу – захтева да се у синапсама које их повезују појача сигнал. У толикој мери да послата порука кроз њих пролази „гласно и јасно”. Ово подешавање јачине је оно што је Мери Кенеди изучила до најмањих детаља. Њена лабораторија је међу ретким у свету која је пажњу усмерила на такозвану „послесинаптичку густину” или PSD (postsinaptic density. Ради се, у ствари, о примајућем завршетку синапсе – оном делу дендрита који укључује ћелијску опну и област непосредно испод ње, где се хемијски сигнал повлачи из пукотине и поново претвара у електрични облик.

Оживљавање електричног импулса у дендриту захтева прилив јона, а калцијум, каже Кенеди, утиче да памћење буде како треба, односно да подаци буду правилно сложени и добро сачувани.

Међућелијска супа у синаптичкој пукотини јако је зачињена калцијумовим јонима, док је површина PSD начичкана беланчевинама које су назване NMDA пријемници (рецептори). Када су они покренути, отвара се канал за пролаз калцијумових јона у дендрит. То је готово незамисливо сложен поступак, али у суштини се своди на следеће: што је калцијума који долази у дендрит кроз NMDA пријемнике више, то се и унутрашње стабло дендрита више разгранава и шири. А што се оно више грана, на PSD мембрани у већој мери ниче једна друга врста пријемника – AMPA рецептори. Они на крају подстичу неурон да окине електрични надражај. И све то – од прилива калцијума, ширења стабла дендрита, до додавања АМPА пријемника – одређује „неуролошку пластичност”.

„Ова калцијумска каскада притеже и ојачава везе између неурона”, објашњава Мери Кенеди. „Без ње – односно без јаког, добро повезаног PSD – учење се нагло зауставља. Пре тридесет година нисмо познавали ниједан од молекула који се налази у PSD. Били су само тамна места на електронском микроскопу. Сада знамо већину беланчевина које су тамо, а у знатној мери и како раде и одговарају на калцијум.” Пошто је открила грађу PSD, ова група стручњака сада жели да сазна „динамику” овог система, то јест, да разјасни како мале разлике у калцијумовом току утичу на ојачавање (или, понекад, на слабљење) синапси.

Памћењем до учења

Оно што смо знали о учењу – да је то промишљен, намеран процес – „зној и сузе” по дану, а додатни рад нашег мозга током ноћи. Другим речима, да је за учење потребно време, каже Танос Сјапас. Овај стручњак изучава како мозак прима приспеле податке, како их размешта уоколо по себи и на крају слаже – складишти на такве начине да касније брзо и лако могу да се „узму”. А то, у ствари, омогућава да се запамте – науче.

„Ради се о процесу”, каже Сјапас. „Када нешто учите, ваш мозак наставља да прави измене још дуго времена после тога. Не можете само да запамтите нове податке; морате и да их повежете с другим стварима које већ знате. А то је много већа вештина него што се мисли.”

И док Мери Кенеди завирује у појединачне неуроне, Сјапас и сарадници враћају се корак уназад, да би испитали веће наслаге можданих ћелија и њихове међусобне везе. У средишту њиховог разматрања нашао се хипокампус, закривљени гребен сиве материје за који се зна да је кључан за учење и стварање памћења – мада то, подвлачи Сјапас, није и место где се памћење на крају ускладиштава. Хипокампус помаже успостављање памћења, помаже његово учвршћивање, али га бележи негде другде.

„Желимо да откријемо како се током учења хипокампус покреће на рад и како саобраћа с другим областима мозга. То у ствари значи посматрање различитих делова мозга током дугог временског раздобља (потребни су месеци, чак и године, ако је у питању човек). Ипак, овај труд се исплатио. Користећи најсавременију технологију, Сјапас и Казимир Вирзински успели су да открију мноштво усклађених неуронских парова. Код њих је окидање импулса с неурона у хипокампусу пропраћено (у току милисекунде) испаљивањем с неурона у предњем делу великог мозга (префронтални кортекс).

Ради се тачно о оној врсти повезаности која је потребна да би хипокампус изазвао промене у кори – као што су учвршћивање или складиштење памћења. Ови истраживачи такође су открили да се тај поступак одиграва током оног дела нашег ноћног одмора када ништа не сањамо и налазимо се у дубоком сну. За време спавања кад сањамо, у РЕМ фази, изгледа да је мозак сувише заокупљен нашом борбом са зомбијима или лутањем без одеће по улицама, да би могао да обавља и овакав задатак. Али, оно што се заиста догађа током РЕМ спавања и дању док смо будни – то су „тета осцилације”. Ради се о познатим можданим ритмовима који управљају радом неурона у хипокампусу.

Деценијама се сматрало да су оне тај мајсторски биолошки сат који усклађује рад неурона – да су њихов главни „пејсмејкер”. Међутим, изучавања Лубанова и Сјапаса показала су да то није баш тако. Испоставило се да тета осцилације јуре преко хипокампуса у виду путујућег таласа – померајући се постојано од једног његовог краја ка другом. Другим речима, хипокампус има низ временских зона, слично онима које су уведене на Земљи.

Веза циља и навике

Уопштено говорећи, учење може да се разврста у две основне групе: на стицање навика и циљно – усмерено – учење.

„Замислите да сте мало дете које пролази поред фрижидера”, каже О’Дохерти. „И, онако, без икаквог разлога, отварате га и у њему опажате прекрасан колач. Наравно, одмах сте га зграбили и појели. Али, у тренутку док вам се он још топи у устима нешто сте научили: да отварање фрижидера може да има добре последице. И, када следећи пут будете пролазили поред њега, много је вероватније да ћете га намерно отворити.” То је само један, сликовити пример за учење којим стичемо навике, уобичајено понашање.

http://razbibriga.net/imported/clear.jpg

http://razbibriga.net/imported/clear.jpg

Циљно учење, с друге стране, истанчаније је и мање зависно од случаја.
„Тада размишљате о последицама својих поступака”, каже О’Дохерти. „Мислите: баш ми се једе неки добар колач; питате се где би могао да се нађе? А да можда није у фрижидеру?” Радије него да насумично отворите врата фрижидера – ви размишљате пре него што донесете одлуку. Процењујете могуће исходе пре него што делујете.

„Навике су ствари које чинимо без размишљања о последицама”, објашњава О’Дохерти. Бити циљно усмерен је убирање плодова онога што смо већ видели, доживели.

Ипак, то не значи да наши циљеви и навике нису повезани. Напротив, у многим случајевима су у тесној вези. Узмимо, на пример, вожњу бицикла. Кад први пут седнете на бицикл, потпуно сте обузети циљним учењем. Морате да размишљате о сваком свом покрету јер имате циљ – желите да останете усправно на бициклу, да не паднете. Међутим, после извесног времена уопште не морате да размишљате о својим покретима. Они су постали део ваших навика и одигравају се без икаквих тешкоћа, аутоматски. Звучи познато и очигледно, зар не? Па ипак, тек недавно, О’Дохерти (са још два сарадника) успео је да докаже и огледом да – током времена и уз вежбање – циљно понашање људи може да прерасте у навику. Поред тога, ови научници су открили и област нашег мозга која је одговорна за стечене навике.

Све то било је омогућено захваљујући нарочитој врсти скенера – такозваној функционалној магнетној резонанци (fMRI). Добровољци су лежали у овом уређају и извршавали различите задатке које су добијали од стручњака. И док су се њихове мисли развијале, скенер је у 3Д техници пратио који делови мозга су се укључивали у рад.

„И не само то”, додаје О’Дохерти. „Могли смо да откријемо и који су алгоритми били упослени када се извршавао одређени задатак.”

Ова истраживања потврдила су да циљно учење обично почиње у делу мозга који се налази мало изнад наших очних јабучица (ventromedial prefrontal cortex – VMPFC) Ова област мозга постала је позната захваљујући незгоди коју је доживео један железнички радник (Финеас Гејџ) још средином 19. века. У тај предео главе ударила га је шина, после чега је несрећни човек изгубио способност да доноси одлуке. Та област затим саобраћа с једном другом у средини мозга (anterior dorsal striatum), пре него што се укључи трећи део мозга (posterior dorsal striatum). Он је тесно повезан с нашим моторним способностима и зато игра знатно већу улогу у стицању навика, него у размишљању (које је неопходно за циљно учење).

Из туђег искуства

Да бисмо правилно могли да применимо нешто што смо научили у прошлости, учење обично подразумева да се наша сазнања редовно допуњавају новим, да се ажурирају. Рачунарским речником речено – да се „апдејтују”. Међутим, обично постоји разлика између онога што смо мислили да ћемо добити неком својом одлуком и онога што смо заиста постигли. У том смислу, наше учење се своди на смањење грешке у предвиђању. Тек кад се она обори на нулу, нешто смо „сасвим научили”. Ова врста унапређења учења, поступком „пробе и грешке”, пример је за такозвано „учење без модела”. Она може да објасни шта се догађа кад почињемо да стварамо навике.

Постоји и „учење на моделу”, када, да бисмо стигли до циља, морамо тачно да „снимимо” свој тренутни положај, стање. Играње шаха један је од примера за то. У том случају, ради се о врсти циљног учења. О’Дохерти и Јан Глешер открили су да описана два начина учења сарађују, олакшавајући нам доношење најважнијих одлука. Такође су показали да се при томе запошљавају различите области мозга.

„Кад имате низ могућих одлука пред собом – као што је, на пример, који филм ћете изабрати за гледање – ви учите само о филму који сте одабрали”, каже Колин Камерер. Ако је тај филм био одличан и ако се други пут приказује филм са истом глумицом – вероватно ћете га погледати јер сте нешто научили из сопственог искуства. Слично, ако је био лош, размислићете да ли ћете погледати филм истог редитеља. Али, како доносимо одлуке кад немамо сопствено искуство? Распитаћемо се код пријатеља или познаника – учићемо из туђег искуства. Ова врста учења названа је привидно, фиктивно учење.

Занимљиво је да ће податке до којих смо дошли на овај, посредан начин, наш мозак сместити на исто место где и оне до којих смо дошли сами. Ипак, постоји једна разлика. Камерерова ранија изучавања показала су да таквим подацима верујемо упола мање него сопственим. Зато није сасвим извесно да ћемо погледати филм, иако је наш пријатељ одушевљен њиме и тврди да морамо да га видимо.