Žmogaus smegenys – sudėtingiausia biologinė sistema – nuo senų laikų žavėjo ir domino filosofus, mokslininkus, ir visus, bandžiusius suprasti, iš kur atsiranda sąmonė, loginis mąstymas, emocijos. Ir nors senovės bei viduramžių medicina pasiekė nemažai suprantant bendrą smegenų struktūrą ir kai kuriuos jų veikimo bei neveikimo (t. y. psichinių sutrikimų) principus, didžiausi pokyčiai įvyko tik XIX amžiaus pabaigoje ir XX amžiuje.
Žmogaus smegenys – sudėtingiausia biologinė sistema – nuo senų laikų žavėjo ir domino filosofus, mokslininkus, ir visus, bandžiusius suprasti, iš kur atsiranda sąmonė, loginis mąstymas, emocijos. Ir nors senovės bei viduramžių medicina pasiekė nemažai suprantant bendrą smegenų struktūrą ir kai kuriuos jų veikimo bei neveikimo (t. y. psichinių sutrikimų) principus, didžiausi pokyčiai įvyko tik XIX amžiaus pabaigoje ir XX amžiuje. Viena pirmųjų Nobelio premijų (1906 m.) buvo įteikta ispanui Santiago Ramon y Cajal už atradimą, kad smegenys yra didžiulis tinklas, sudarytas iš nervų ląstelių – neuronų. Netrukus buvo atrasta, kad neuronai perduoda informaciją vienas kitam daugiausia cheminėmis jungtimis – sinapsiais (Nobelio premija, Charles Sherrington), elektrinius signalus paversdami cheminiais, o šiuos – elektriniais. Buvo nustatyta, kad nervinė informacija koduojama ir perduodama diskrečiai – veiksmo potencialais („spikes“, žr. 1 pav.). Galiausiai Hodgkin ir Huxley sukūrė matematinį nervinių signalų perdavimo sinapsiais modelį (1963 m., Nobelio premija), pagal kurį buvo galima tiksliai apskaičiuoti, kaip neuronų membranos potencialas keičiasi veiksmo potencialo metu.
1 pav. (A) Nervinės informacijos vienetas – veiksmo potencialas („spike“),
trunkantis kelias milisekundes. (B) Tipinis neurono aktyvumo įrašas.
Tuo pat metu psichologai kūrė teorinius modelius, siūlė idėjas, bandydami suprasti mokymosi ir atminties formavimosi mechanizmus. Donald Hebb savo knygoje „The Organization of Behavior“ (1949) pasiūlė bendrą principą: jei neuronas A dažnai siunčia signalus neuronui B, sužadindamas pastarąjį, A->B jungties efektyvumas padidėja. Po 24 metų elektrofiziologiniai tyrimai parodė, kad Hebbas buvo visiškai teisus. Jo principas „firing together – wiring together“ tapo sinaptinio plastiškumo (dar vadinamo Hebbo plastiškumu) pagrindu.
Lygiagrečiai su šiais laimėjimais informatikai, studijuojantys dirbtinį intelektą, sukūrė galingą dirbtinio mokymosi metodą – dirbtinius neuroninius tinklus (žr. 2 pav.). Jų veikimas buvo pagrįstas supaprastintu informacijos perdavimo neuronais principu – nuo pradinių duomenų „neuronų“ iki rezultatų „neuronų“, likusiems „neuronams“ atliekant informacijos apdorojimo (iš esmės – kombinavimo) funkciją. Taikant garsųjį backpropagation algoritmą, šie neuroniniai tinklai galėjo būti „treniruojami“, keičiant jungčių tarp neuronų svorius taip, kad jie galėtų „išmokti“ bet kokią funkciją iš pradinių duomenų apskaičiuoti rezultatus. Tarp dirbtinių ir biologinių neuroninių tinklų yra daugybė skirtumų: biologiniai tinklai daug sudėtingesni, jie gali išmokti dinaminę sistemą, o ne statinę funkciją, ir nėra įrodymų, kad backprop algoritmas galėtų būti realizuojamas smegenyse. Vis dėlto dirbtinių tinklų sėkmė sustiprino idėjas pritaikyti panašius modelius, siekiant suprasti smegenų informacijos apdorojimą.
2 pav. Dirbtinio neuroninio tinklo schema.
Kairėje – pradinių duomenų „neuronai“, viduryje – tarpiniai „neuronai“, dešinėje – rezultatų „neuronai“. Naudojant duomenų ir teisingų rezultatų pavyzdžius, jungtys tarp neuronų gali būti modifikuojamos taip, kad tinklas „išmoktų“ pagal turimus duomenis teisingai apskaičiuoti rezultatus.
 3 pav. Nelaimėlis Phineasas Gage‘as. 1848-aisiais įvyko baisi katastrofa – JAV geležinkelių darbuotojas nukentėjo nuo sprogimo, kurio metu didžiulis metalinis strypas perėjo kiaurai pro jo galvą, smegenis. Vis dėlto Phineasas Gage‘as po katastrofos išgyveno 12 metų, nors kai kurios jo protinės funkcijos, susijusios su asmenybe ir sprendimų priėmimu, buvo pažeistos... Daugiau apie tai – Antonio Damasio knygoje „Descartes‘ Error“. |
|---|
1980–1990 metais daugelis mokslinių naujovių molekulinės genetikos, taikomosios fizikos ir informatikos srityse, robotinių sistemų vystymasis ir didėjanti kompiuterių galia davė impulsą sparčiam neuromokslo progresui. Per trumpą laiką buvo sukaupta daugiau informacijos apie smegenis, jų veikimo principus ir protinius procesus nei per visą žmonijos istoriją iki tol. Elektrofiziologinė įranga leido rašyti neuronų elektrinį potencialą ir juos stimuliuoti (nors tam reikia įvesti elektrodus į studijuojamą smegenų vietą, o tai paprastai negali būti taikoma žmonėms). Smegenų skenavimo metodai (ypač fMRI – Functional Magnetic Resonance Imaging) leido pažvelgti į smegenis kaip į visumą: įrašant įvairių smegenų sričių aktyvaciją, žmogui ar gyvūnui atliekant tam tikrą užduotį. Ši naujovė leido susieti smegenų aktyvaciją su elgesiu bei protiniais procesais, suteikdama galimybę studijuoti konkrečius ryšius – kurios sritys ir kaip lemia įvairius elgesio aspektus: mąstymą, mokymąsi, sprendimų priėmimą, emocijas ir daugelį kitų. 1970 m. buvo manoma, kad smegenyse bet kokio pobūdžio informacija apdorojama „visur“, o po 20 metų tapo aišku, kad daugelis smegenų sričių yra gana specializuotos tam tikroms funkcijoms, nors ne tiek, kiek dabartiniai kompiuteriai, kurie sugedus net mažiausiai procesoriaus daliai gali „nulūžti“ (žr. 3 pav.).
Jeigu ne fMRI, iki šių dienų tikriausiai nebūtume regėję įspūdingų nuotraukų, vaizduojančių įvairių smegenų sričių aktyvumo pokyčius. Be mokomosios ir „estetinės“ vertės, tai – viena svarbiausių technologijų, suteikusių galimybę mokslininkams sužinoti daug naujų ir įdomių dalykų apie smegenis. Be to, fMRI studijos davė impulsą neuroekonomikai ir naujoms pritaikymo sritims – neurorinkodarai ir neurofinansams. Pagrindinis fMRI principas – matuoti kraujo deguonies cirkuliacijos pokyčius įvairiose smegenų srityse, esant tam tikriems išoriniams stimulams. Kai smegenų srities aktyvumas padidėja (t.y. joje esantys neuronai atlieka kur kas daugiau veiksmo potencialų), neuronų energijai reikia daugiau deguonies. Hemoglobino molekulė keičia magnetines savybes atsižvelgiant į tai, ar ji „turi“ deguonies, ar ne. Būtent šie magnetizmo pokyčiai įrašomi pasitelkus fMRI skenerį ir pagal juos sudaromas trimatis „žemėlapis“. Kadangi ryšys tarp neuronų aktyvacijos ir deguonies koncentracijos padidėjimo yra žinomas, naudojant šį „žemėlapį“ įmanoma sekundės tikslumu nustatyti atitinkamus smegenų sričių aktyvacijos pokyčius. fMRI eksperimentuose žmonės (arba gyvūnai) paprastai atlieka tam tikrą užduotį (žr. 4 pav.) ir tuo pačiu metu įrašomi smegenų aktyvacijos pokyčiai. Kadangi fMRI matavimuose yra daug triukšmo, ta pati užduotis dažniausiai kartojama daug kartų ir tik tada nustatoma, kuriose smegenų srityse yra statistiškai reikšmingas aktyvacijos pokytis. Taigi spalvotuose smegenų aktyvumo „žemėlapiuose“ (žr. 5 pav.) spalvos reiškia ne patį aktyvumą, o tai, kiek reikšmingas yra aktyvumo pokytis.
 4 pav. fMRI įranga eksperimento metu. Žmogus paguldytas taip, kad jo galva būtų skeneryje. Ten, matydamas ekraną ir naudodamas pultą, jis atlieka užduotį. |
|---|
Nors fMRI turėjo didelės įtakos studijuojant įvairių rūšių atmintį, emocijas, vaizdinės informacinės apdorojimą smegenyse ir daug kitų dalykų, apžvelgsiu tik keletą įdomiausių ar galbūt egzotiškiausių rezultatų.
Eksperimento dalyviams buvo rodomos įvairaus patrauklumo žmonių nuotraukos. Žvilgsnis buvo nukreiptas arba į akis, arba į šoną. Nuskenavus dalyvių smegenis užduoties metu buvo nustatyta, kad smegenų sritis, dalyvaujanti apdorojant atlygių ir malonumų (rewards) informaciją, tapo labiau ar mažiau aktyvi, priklausomai nuo to, ar nuotraukoje žvilgsnis buvo nukreiptas į akis, ar į šoną (žr. 5 pav.). Be to, kuo patrauklesnis atvaizdas nuotraukoje, tuo didesnis šis efektas. Tai rodo, kad vien patrauklaus žmogaus akių žvilgsnis gali sukelti pakankamą atsaką smegenų atlygių apdorojimo sistemoje. Tai, be abejo, gali turėti įtakos tolesniam elgesiui ir bendravimui.
5 pav. Patrauklaus žvilgsnio eksperimentas (Kampe et al., Nature 2001)
(A) Nuotraukų, kuriuose užfiksuoti skirtingi žvilgsniai, pavyzdžiai. (B) Smegenų aktyvacijos pokyčio „žemėlapis“. Geltona spalva – striatum sritis, kurios aktyvacija keičiasi atsižvelgiant į žvilgsnio kryptį ir patrauklumą.
Ekonomika bando atsakyti į klausimą, kaip žmonės atlieka sprendimus, siekdami patenkinti savo poreikius, o neuroekonomikai labiausiai rūpi išsiaiškinti, kodėl žmonės priima būtent tokius, o ne kitokius sprendimus. Ekonomistams nepajėgiant paaiškinti, kodėl žmonės priima iš pirmo žvilgsnio neracionalius ir neoptimalius sprendimus, kartais neuroekonomika gali padėti rasti priežastis. Neretai fMRI yra vienas svarbiausių neuroekonomistų įrankių.
Viena pagrindinių temų yra netikrumas (uncertainty) – kaip žmonės (bei gyvūnai) į jį reaguoja ir kaip jis paveikia jų sprendimus įvairiose situacijose. Netikrumas gali būti dviejų tipų: rizika – kai žinomos galimų įvykių tikimybės, ir nežinomybė (ambiguity) – kai tos tikimybės nežinomos. Viena pagrindinių „neracionalumo“ priežasčių – per didelis rizikos ir nežinomybės vengimas, kurį galima perteikti keliais paradoksais.
Sankt Peterburgo paradoksas. Žmonės gali pasirinkti – arba gauti 40 dolerių iš karto, arba pradėti nuo 2 dolerių ir mesti monetą: atvertus herbą – žaidimas baigiamas ir prizas atiduodamas, priešingu atveju – prizas padvigubinamas ir žaidimas tęsiamas (t. y. moneta metama dar kartą). Nesunku apskaičiuoti, kad antruoju atveju tikėtina prizo vertė yra begalinė (0,5 x 2 + 0,25 x 4 + 0,125 x 8 + ... = 1 + 1 + ... = ∞). Tačiau dauguma žmonių renkasi 40 dolerių...
Ellsbergo paradoksas. Urnoje yra 90 rutulių: 30 jų – mėlyni, o likę – kai kurie raudoni, kai kurie geltoni. Žmogus gali rinktis: arba jis nori gauti 100 dolerių, jei ištrauks mėlyną rutulį, arba jei ištrauks raudoną rutulį (kitais atvejais neduodama nieko). Daugelis žmonių renkasi susieti 100 dolerių su mėlynu rutuliu. Jei sąlygos pakeičiamos taip, kad, nepaisant pirmojo pasirinkimo, 100 dolerių taip pat duodama ištraukus geltoną rutulį, dauguma žmonių nori pakeisti pirmąjį pasirinkimą iš mėlyno rutulio į raudoną...
Nors rizikos ir nežinomybės vengimas buvo žinomas kur kas anksčiau nei neuromokslas tapo populiarus, neurotechnologijos (kaip fMRI) leido suprasti, kokie smegenų mechanizmai yra atsakingi už šiuos fenomenus. Be to, nors dauguma žmonių vengia rizikos ir nežinomybės, kai kurie priešingai – jos ieško. Ekstremalus tokio elgesio pavyzdys – patologinis lošimas loterijose ir kazino...
Vienoje studijoje (Hsu et al., Science 2005) buvo nustatyta, kurios smegenų sritys ir kaip reaguoja į riziką bei nežinomybę. Eksperimento dalyviams buvo pateiktos kelios kortų žaidimų ir oro prognozių situacijos: jie turėjo pasirinkti tarp šanso laimėti 10 dolerių ir garantuotų 3 dolerių. Šansas laimėti buvo arba apytiksliai žinomas (rizika), arba gana neaiškus (nežinomybė). Skenavimo rezultatai parodė, kad didžiausi pokyčiai įvyko trijose smegenų srityse (žr. 6a pav.). Dviejose jų (amygdala ir OFC), reguliuojančiose baimę, emocijas ir emocijų kontrolę, aktyvacija labiau padidėdavo nežinomybės atveju, o trečioji sritis (striatum) buvo aktyvesnė rizikos atveju. Kiekvienas eksperimento dalyvis skirtingai vertino riziką ir nežinomybę, tačiau bendra tendencija aiški: beveik visi vengė rizikos, o dauguma – ir nežinomybės (žr. 6b pav., mėlyna grupė). Tačiau šį eksperimentą atliekant su pacientais, kurių priekinė smegenų žievės sritis (įskaitant OFC) pažeista, dauguma rinkosi rizikingus sprendimus (žr. 6b pav., raudona grupė). Nelaimėliui Phineasui Gage‘ui, kuriam geležinis strypas perėjo kiaurai pro smegenis ir daugiausia pažeidė būtent šią sritį, gyvenimas po katastrofos tapo pragaru. Anksčiau jis buvo stropus darbuotojas, tačiau po šio įvykio tapo sunkaus charakterio, nesukalbamas, priimdavo keistus ir rizikingus sprendimus, kurie dažnai nepasitvirtindavo. Galiausiai jis prarado darbą, šeimą ir pinigus...
6 pav. Rizikos ir nežinomybės sąryšis su smegenimis. (A) Smegenų sritys, kurių aktyvacija pasikeičia labiausiai reaguojant į nežinomybę (LOFC & amyg) ir riziką (striatum). (B) Eksperimento dalyvių klasifikacija pagal jų elgesį rizikos ir nežinomybės atžvilgiu. Raudona grupė – pacientai, kurių OFC sritis sužalota; mėlyna grupė – žmonės, kurių OFC sritis sveika.
Nors šioje studijoje matomi skirtumai tarp „normalių“ žmonių ir neurologinių pacientų ekonominio elgesio atžvilgiu, tačiau tai nereiškia, kad vien pacientai su pažeistomis smegenimis elgiasi keistai rizikos ir nežinomybės atžvilgiu. Yra daug ir kitų veiksnių: genai, lemiantys impulsyvų elgesį, chroniškas stresas, kai kurių narkotikų vartojimas gali taip išbalansuoti minėtas smegenų sistemas ir jų sąryšius, kad galiausiai jų (ne)veikimas taps panašus į neurologinių pacientų. Be to, net ir „normaliame“ parametrų ruože skirtumai tarp individų gali būti gana dideli. Labai tikėtina, kad jie labai veikia žmonių asmenybę, santykius su kitais žmonėmis, pasitikėjimą savimi ir kitais, optimistinį ar pesimistinį požiūrį.
Panašūs eksperimentai buvo atlikti bandant susieti smegenų aktyvacijos ypatumus su pasitikėjimu partneriais, bendrą optimizmą su pesimizmu. Rezultatai parodė, kad minėtos smegenų sritys ir keletas kitų dalyvauja šiuose procesuose, kad egzistuoja nemažai skirtumų tarp individų, kad kai kuriais atvejais šie skirtumai gali būti matomi fMRI skeneryje kaip skirtingo dydžio aktyvacijos.
Be abejo, dažniausiai ryšys tarp smegenų aktyvumo ypatumų ir elgesio bruožų nėra toks paprastas. Vis dėlto įvairūs dirbtinio mokymosi metodai (pavyzdžiui, minėti dirbtiniai neuroniniai tinklai) gali būti sėkmingai naudojami šiam tikslui. Kelios JAV kompanijos jau dabar bando sukurti metodus, pagal kuriuos priėmimo į darbą atrankoje būtų skenuojamos kandidatų smegenis ir pagal smegenų aktyvacijos profilį būtų galima nustatyti, ar kandidato asmenybės bruožai yra tinkami darbui, ar ne... Panašūs metodai (derinant fMRI skenavimą su dirbtinio mokymosi klasifikacijos metodais) netolimoje ateityje gali padėti teismo procesuose.
Naujoje rinkodaros (marketingo) šakoje neurorinkodaroje taikomi skenavimo metodai (fMRI, elektroencefalografija ir kiti), bandant rasti sąryšį tarp įvairių rinkodaros stimulų (reklamos, firminių ženklų) ir atitinkamų smegenų sričių aktyvacijos. Kadangi yra žinoma, kurios sritys dalyvauja apdorojant malonumų, atlygių bei emocijų informaciją, ir egzistuoja modeliai, susiejantys šių sričių aktyvumą su sprendimų priėmimu, galutinis neurorinkodaros tikslas – sukurti efektyviausius stimulus, turinčius daugiausia įtakos priimant sprendimus.
Vienoje garsiausių neurorinkodaros studijų buvo matuojami smegenų aktyvacijos pokyčiai geriant Coca-Cola ir Pepsi. Eksperimento dalyviams nepasakius, kuris gėrimas yra Coke, o kuris – Pepsi, abu buvo mėgstami vienodai (Pepsi net pasiekė aukštesnę aktyvaciją smegenų srityje, atsakingoje už atlygių informacijos apdorojimą). Tačiau kai dalyviai sužinojo, kurį gėrimą geria, smegenų aktyvacijos „žemėlapis“ pasikeitė, ir smegenų sritys, „atsakingos“ už deklaratyvios informacijos bei atminties apdorojimą, tapo kur kas aktyvesnės. Kadangi 3/4 dalyvių atsakė, kad Coke jiems skanesnis už Pepsi, tai tikriausiai rodo, kad jų polinkis rinktis Coke yra susijęs ne tiek su jo skoniu, kiek su Coca-Cola prekės ženklu.
Straipsnio tęsinyje aptarsiu įdomiausius elektrofiziologinius tyrimus, smegenų-kompiuterio sąsają, magnetinius ir farmakologinius stimuliatorius. Bus kalbama apie stresą ir emocijas, elgesio genetiką ir smegenų kompiuterinį modeliavimą. Galiausiai pristatysiu savo projektą (glaudžiai susijusį su šiomis temomis) ir ateities perspektyvas.
