O nouă teorie a undelor cerebrale explică cogniția și conștiința
O teorie recentă, publicată în The Journal of Neuroscience de trei cercetători de la Picower Institute for Learning and Memory de la MIT, oferă o explicație despre cum creierul produce cogniția și conștiința: utilizează unde călătoare de activitate neurală ritmică pentru a coordona rețele neuronale agile cu calcule analogice.
Profesorul Picower Earl K. Miller, autorul principal al lucrării, susține că metafora conform căreia creierul funcționează pe baza „circuitelor” este incompletă. Desigur, circuitele fizic conectate ale creierului oferă infrastructura necesară pentru a stoca amintirile noastre și a reprezenta nevoile și obiectivele curente. Însă, atunci când trebuie să folosim improvizat acele cunoștințe într-un context senzorial rapid și variat, nu ne putem baza doar pe procesul chimic relativ lent de reconectare a acelor conexiuni, numit „sinapse”. În schimb, creierul are nevoie de un sistem de control care să coordoneze milioane de neuroni pentru a procesa informația într-o fracțiune de secundă. Undele cerebrale, care au fost de mult timp înțelese ca fluctuații ritmice sincronizate ale unor grupuri mari de neuroni, îndeplinesc acest serviciu crucial, afirmă Miller și colegii săi, citând ani de dovezi experimentale din laboratorul său și din alte laboratoare.
Circuitele și sinapsele sunt importante și fundamentale, dar există mai mult în joc. Creierul generează unde, iar dinamica undelor este o modalitate extrem de eficientă de a coordona și a efectua calcule.
În timp ce circuitele digitale efectuează calcule pas cu pas prin intermediul comutatoarelor și porților secvențiale, calculul analogic, care poate fi realizat prin interferența undelor, procesează multiple calcule în paralel. Acest lucru nu doar că este mai eficient, dar și undele călătoare, focalizate local, sunt o caracteristică omniprezentă a creierului, notează cercetătorii.
„Creierul își exploatează propria fizică”, au scris Miller și coautori Scott L. Brincat și Jefferson E. Roy, care sunt cercetători în laboratorul lui Miller.
Teoria nouă este importantă nu doar pentru că oferă o explicație a cogniției și conștiinței, ci și pentru că afirmă potențialul de a considera undele în tratamentele clinice. Din fericire, undele pot fi manipulate noninvaziv.
„Dezvoltarea de tratamente bazate pe dinamica undelor cerebrale nu este doar o oportunitate, ci și o obligație”, a afirmat Miller, al cărui laborator face parte dintr-o colaborare care studiază undele cerebrale în autism.
Construind argumentul analogic, cercetătorii încep cu observația bine stabilită că mulți neuroni nu îndeplinesc doar o singură funcție. În schimb, aceștia răspund la multiple indicii și contexte, participând practic la multiple rețele funcționale simultan, o proprietate numită „selectivitate mixtă”. Miller și colegii săi au argumentat de ani de zile că aceasta conferă creierului o putere computațională imensă, dar a ridicat și întrebarea inițială despre cum reușește creierul să organizeze aceste rețele suprapuse cu o viteză și flexibilitate atât de mari pentru a produce gândirea agilă de care depindem cu toții.
După numeroase studii, răspunsul care a apărut pentru Miller și mulți alți neuroscienți este că undele cerebrale organizează ansambluri neuronale pentru a procesa informația. Miller a demonstrat că undele cerebrale de frecvențe diferite guvernează procese cognitive precum memoria de lucru și codificarea predictivă. Undele de frecvență relativ lentă „alpha” și „beta”, care reprezintă amintirile și obiectivele, reglează undele de frecvență mai rapide „gamma”, care reprezintă și raportează informațiile senzoriale.
Noua teorie propune că aceste unde de control alpha/beta apar din activitatea coordonată a neuronilor în circuite (conectate la joncțiuni numite „sinapse”) care codifică amintirile și obiectivele stocate.
„Sinapsele stochează reprezentări, în timp ce dinamica undelor ajută la determinarea care reprezentări sunt active în orice moment dat”, au scris autorii.
În unele dintre cercetările mai recente ale laboratorului lui Miller, echipa a găsit dovezi că, chiar și pe măsură ce undele apar din activitatea neuronală, undele pot crește rapid pentru a influența și coordona direct activitatea neuronală printr-un proces mediat de câmp electric numit cuplare ephaptic. Este important de menționat că câmpurile electrice pot exercita această influență coordonatoare foarte rapid.
Un alt component esențial al teoriei, pe care laboratorul lui Miller l-a demonstrat experimental, este că undele alpha/beta sunt capabile să își exercite controlul spațial, afectând zone locale ale cortexului, și temporal, călătorind de-a lungul cortexului. Practic, undele beta acționează ca șabloane mobile care guvernează unde și când undele gamma pot procesa informații senzoriale și care ansambluri de neuroni vor participa. Luate împreună, aceasta sugerează că creierul se angajează în „calcul spatiotemporal”, scriu autorii. Și acolo unde undele se intersectează, ele pot adăuga și scădea, permițând calcule analogice.
Miller recunoaște că următorul pas al laboratorului său ar trebui să fie să ofere dovezi directe că aceste calcule analogice au loc.
„Aceasta este o teorie. Intenționăm să o testăm căutând semnături ale calculului analogic în modelele undelor cerebrale”, a spus Miller.
Conexiunea cu conștiința
Articolul afirmă că conștiința „apare atunci când aceste modele dinamice de unde aduc cortexul într-o stare organizată, integrată global, una care leagă și influențează natural activitatea extinsă.”
Unele dintre cele mai convingătoare dovezi care leagă dinamica undelor de conștiință provin din studiile de anestezie generală pe care Miller le-a realizat împreună cu colegul său de la Picower Institute, Emery N. Brown. Laboratoarele lor au arătat că trei medicamente diferite, fiecare cu mecanisme moleculare diferite de acțiune, perturbă similar dinamica undelor cerebrale pentru a produce inconștiență.
„Conștiința depinde mai puțin de receptori specifici sau tipuri de celule și mai mult de integritatea organizării undelor la scară largă”, scriu autorii în revizuire.
Cu alte cuvinte, la fel ca și cogniția, conștiința depinde de modul în care creierul se organizează eficient prin undele cerebrale.
„Dinamicile câmpului electric oferă un substrat cu costuri reduse pentru organizarea și coordonarea informației în rețelele corticale”, concluzionează ei. „Având în vedere presiunea evolutivă puternică de a maximiza calculul pe unitate de energie, ar fi surprinzător dacă evoluția nu ar fi exploatat un astfel de substrat de calcul analogic înnăscut.”
