Duch Włodzisław - Fizyka umysłu.pdf - D - Retland

Fizyka umysłu.

Włodzisław Duch,

Katedra Metod Komputerowych, Uniwersytet Mikoaja Kopernika

Wielkim wyzwaniem dla fizyki jest stworzenie takiego modelu

wiata, który da si

zrozu-

mie

. Istotn

ęś

tego

wiata s

nasze umysły. Po trwaj

cej tysi

ce lat dyskusji filozoficz-

nej natura umysłów staje si

coraz bardziej zrozumiała dzi

ki post

pom neuronauk ( neuro-

sciences ), czyli ró

nych gał

zi nauki badaj

cych budow

i aktywno

ść

neuronów mózgu. Fi-

zyka jest oczywi

cie podstaw

kszo

ci metod bada

wiadczalnych, w tym metod obra-

tylko nad zagadnieniami teoretycznymi. W

ostatnich latach powstało szereg laboratoriów zajmuj

ci mózgu, ale tu skupi

cych si

teoretyczn

neurofizyk

(np.

na Uniwersytecie Hebrajskim czy na UCSD), istnieje równie

Instytut Neurofizyki w Bremie.

Mózg ludzki jest najbardziej skomplikowanym obiektem w znanym wszech

wiecie a

umysł najbardziej tajemniczym. Przez „umysł” rozumiemy kompleks zdolno

ci umo

liwiaj

cych powstanie subiektywnego obrazu

wiata dzi

ki procesom poznawczym i aktywnej eks-

ploracji. Subiektywny obraz

wiata obejmuje

wiat fizyczny, relacje społeczne oraz wyobra-

enia dotycz

ce samego siebie. Poznawanie obejmuje postrzeganie, pami

tanie, my

lenie i

ocenianie. Aktywna eksploracja, działanie, zwi

zane jest z planowaniem, aktami podejmowa-

nie decyzji, kontrol

zachowania i uwag

. Specyficzn

własno

umysłu jest

wiadomo

ść

zdolno

do „zdawania sobie sprawy” z własnych procesów poznawczych.

Czy fizyka wystarczy by zrozumie

ść

działanie mózgu i umysłu? Nie jest to przekonanie

ród fizyków powszechne [1]. Podobne w

tpliwo

ci na pocz

tku XX wieku dotyczyły natu-

ycia [2]. Introspekcja przekonuje nas,

e zjawiska mentalne i procesy zachodz

ce w mó-

zgu maj

całkiem odmienn

natur

. Jak nale

y rozumie

relacje pomi

dzy mózgiem a umy-

cych w mózgu procesów do opisu umysłu? Badanie

mózgu na poziomie molekularnym (neurochemii) lub badanie własno

ść

od badania zachodz

ci pojedynczych neuro-

nów niewiele nam tu pomog

, podobnie jak pełna znajomo

ść

oddziaływa

na poziomie cz

stek elementarnych nie wystarczy do zrozumienia aktywno

ci biologicznej białek.

Kilka lat temu zaproponowałem [3] by traktowa

procesy mentalne jako rezultat neurody-

namiki na poziomie globalnej aktywno

ci bioelektrycznej mózgu. Otwiera to drog

do two-

rzenia modeli na poziomie po

rednim pomi

dzy działaniem mózgu i umysłu, modeli operuj

zykiem redukowalnym do zjawisk neurofizjologicznych z jednej strony i rozszerzal-

nym do poj

ęć

psychologicznych z drugiej. Postaram si

poni

ej uzasadni

swój optymizm i

przedstawi

podstawowe idee tego modelu. Zanim jednak do tego dojd

konieczne b

dzie

krótkie wprowadzenie wyja

niaj

ce relacje pomi

dzy mózgiem i umysłem.

1. Relacja umysł - mózg

Mózg jest substratem, w którym zachodz

procesy konieczne do powstawania procesów

mentalnych. Neuropsychologia [4] bada zwi

zki pomi

dzy zaburzeniami funkcji psychicz-

nych a uszkodzeniami ró

nych obszarów mózgu i poł

cze

pomi

dzy tymi obszarami.

Zwi

zki te mo

na cz

sto zrozumie

jako specyficzne zaburzenia przetwarzania informacji,

dzy

rozpoznawaniem afektywnym i kognitywnym). Modele neuronowe chorób psychicznych i

syndromów neuropsychologicznych pozwalaj

ce do zaskakuj

cych zmian w sposobie działania umysłu (np. dysocjacji pomi

zrozumie

przynajmniej w jako

ciowy sposób

zowania aktywno

słem i jak przej

cych j

prowadz

przyczyny patologii i normalnego funkcjonowania mózgu [5]. Mamy obecnie bardzo bogaty

materiał do

dkowania.

Struktura mózgu jest wynikiem milionów lat rozwoju, adaptacji ewolucyjnych umo

wiadczalny wymagaj

cy teoretycznego uporz

liwia-

cych sprawne działanie pozwalaj

ce na przetrwanie gatunku w zmiennych, niekorzystnych

warunkiem koniecznym istnienia umysłu, ale

samo badanie tych procesów nie pozwoli w pełni zrozumie

ce w mózgu s

indywidualnego umysłu. Potrze-

by organizmu i jego mo

liwo

ci poznawcze, znajduj

ce odbicie w strukturze mózgu, stwarza-

wiata. Struktura umysłu jest rezultatem niepo-

wtarzalnej historii jednostki. Procesy neurofizjologiczne odpowiedzialne za zdarzenia men-

talne maj

ramy dla powstania subiektywnego obrazu

racj

bytu tylko ze wzgl

du na istnienie umysłu. Pomi

dzy procesami mentalnymi

i stanami mózgu istnieje

cisła odpowiednio

ść

. Np. rozpoznanie jakiej

melodii wywołuje

szereg skojarze

, stanów mentalnych realizowanych przez ró

ne pobudzenia mózgu. Zale

żą

one od kultury, w której wychowała si

dana osoba, od jej przeszłych prze

. Relacje po-

dzy nast

puj

cymi po sobie stanami mentalnymi maj

sens tylko na poziomie umysłu.

Zachodz

ce w mózgu procesy neurofizjologiczne umo

liwiaj

powstanie stanów mentalnych,

ale ich nie wyja

niaj

. Dlatego nie mo

na w pełni wyja

stanów umysłu sprowadzaj

c je

do stanów mózgu. Modele umysłu wymagaj

innego poziomu opisu ni

modele mózgu.

Procesy neurofizjologiczne odpowiadaj

ce zdarzeniom mentalnym musz

charakteryzo-

odmiennymi prawami i własno

ciami ni

te, które dotycz

zachowania si

pojedyn-

nowy,

emergentny poziom organizacji. Wzajemne relacje stanów neurofizjologicznych mózgu i

wzajemne relacje stanów mentalnych maj

one oddziaływania ogromnej liczby neuronów tworz

analogiczn

struktur

, nie ma natomiast mowy o

bezpo

rednim podobie

stwie. Wewn

trzn

dynamik

stanów mózgu w przypadku swobod-

nym (bez bod

ców zewn

trznych) scharakteryzowa

na za pomoc

prawdopodobie

stw

przej

ść

pomi

dzy stanami atraktorowymi neurodynamiki [5]. Tylko takie stany istniej

dosta-

tecznie długo by mogły by

zwi

zane z tre

zdarze

mentalnych. Odpowiadaj

ce im stany

umysłu składaj

z wspomnie

, epizodów, my

li, wyobra

. Elementy te b

nazywał

„obiektami umysłu”. Prawdopodobie

stwa przej

ść

pomi

dzy potencjalnie mo

liwymi stanami

umysłu powinny by

takie same jak pomi

dzy odpowiadaj

cymi im stanami mózgu.

Umysł rozumiany jako zbiór stanów, relacji pomi

dzy tymi stanami i funkcji poznaw-

czych, pozwalaj

cych na tworzeni nowych stanów, jest czym

abstrakcyjnym i niematerial-

nym. Mózg jest substratem pozwalaj

cym na jego istnienie. Budowa mózgu ogranicza poten-

cjalnie mo

liwe abstrakcyjne stany umysłu do takich, które mo

na fizycznie zrealizowa

Najprostszy statyczny model umysłu mo

e mie

posta

grafu, którego w

zły reprezentowa

potencjalnie dost

pne stany, a łuki prawdopodobie

stwa przej

ść

dzy nimi (Rys. 1).

Takie modele znane s

jako sieci powi

przyczynowych lub sieci Bayesowskie [6].

Chocia

teoretycznie umysły mog

realizowane w oparciu o inny substrat, to szczegó-

łowe odtworzenie relacji zachodz

cych pomi

dzy stanami ludzkiego umysłu wymaga ludz-

kiego mózgu, ciała i historii rozwoju. Mo

emy jedynie tworzy

prymitywne modele tłuma-

ce niektóre aspekty działania ludzkiego umysłu w dobrze okre

lonych warunkach ekspe-

rymentalnych. Dotyczy to równie

najbardziej kontrowersyjnych zagadnie

zwi

zanych z

wiadomo

. Na obecnym etapie badania tego zjawiska warto skupi

na analizie powi

zanych ze sob

zjawisk umysłowych próbuj

c zrozumie

, dlaczego jedne z nich s

zwi

zane z

wiadomo

a inne nie [7].

Pami

ęć

długotrwała ma charakter epizodów, zapami

tanych prze

, które mo

emy sobie

wiadomi

jako zespół wra

wiadomo

ci wymaga te

pami

ęć

deklaratywna, czyli pa-

ęć

rzeczy daj

cych si

pozna

dzi

ki werbalnym opisom. Innym rodzajem jest pami

ęć

se-

mantyczna, zwi

zana z hierarchizacj

poj

ęć

i relacjami gramatycznymi, których u

ywamy,

chocia

zwykle nie jeste

my ich

wiadomi. Pami

ęć

długotrwała zawiera elementy, których nie

warunkach. Procesy zachodz

czych neuronów. Niezwykle zło

jeste

wiadomi do momentu ich aktywacji i przeniesienia do pami

ci roboczej [8]. Nie

jeste

my za to nigdy

wiadomi elementów pami

ci proceduralnej, pami

ci takich umiej

tno-

ci jak pływanie czy jazda na rowerze. Nie mamy np.

wiadomych wra

zwi

zanych z

umiej

tno

zania krawata czy sznurowania butów (wra

enia zwi

zane s

z epizodem,

ale nie z umiej

tno

) i nie da si

takich umiej

tno

ci nauczy

czytaj

c werbalne opisy. Mo-

emy bada

, dlaczego stan jawy zwi

zany jest ze

wiadomo

a koma lub stan snu gł

bo-

kiego nie. Z tego rodzaju bada

wyłania si

obraz procesu zwanego

wiadomo

, pozwala-

cy na coraz bardziej precyzyjne zdefiniowanie samego zjawiska.

Rys. 1. Sie

powi

pomi

dzy ró

nymi poj

ciami dotycz

cymi umysłu.

Istotne s

relacje, a nie bezpo

rednia reprezentacja poj

ęć

wiadome działania i procesy poznawcze zawdzi

czaj

swoj

sprawno

ść

istnieniu nie-

wiadomych procesów mózgowych. Umysł jest zwi

zany z t

ęś

zachodz

cych w mózgu

procesów, które mog

sta

, przynajmniej potencjalnie,

wiadome. Wiele czynno

ci po ich

doskonałym opanowaniu przestaje wymaga

wiadomych decyzji – dotyczy to zarówno

czynno

ci manualnych jak i percepcji. Równie

pami

ęć

jest cz

sto niezale

na od naszej woli,

gdy

pomimo wysiłków nie mo

emy sobie czego

przypomnie

, a poszukiwana informacja

pojawia si

pó

niej spontanicznie. Nie potrafimy

wiadomie zaplanowa

i kontrolowa

szczegółów koordynacji setek mi

ęś

ni potrzebnych do wykonania ruchu lub cho

by wypowie-

dzenia jednego słowa. Działania nie

wiadome zło

one s

z automatyzmów, le

żą

cych u pod-

staw zachowania. Nie

wiadome działania mózgu aktywnie wpływaj

na posta

wra

wia-

domych, percepcji, pami

ci i zachowania.

Takie rozumienie nie

wiadomo

ci, powstałe ju

w połowie XIX wieku, jest bardzo podob-

ci przedstawione w psy-

choanalizie Freuda było całkiem odmienne. Jego idee oparte były na bł

cie nie

wiadomo

dnych analogiach

hydraulicznych powstawania „ci

nienia psychicznego”, które musiało znale

źć

odpowiednie

cie. Freud zauwa

ył,

e nie

wiadome elementy psychiki mog

mie

wpływ na zachowanie,

a u

wiadomienie sobie tego faktu mo

e mie

terapeutyczny wpływ na pacjentów. Rol

nie-

ne do rozumienia współczesnego. Tymczasem poj

wiadomo

ci było dla niego filtrowanie informacji dost

pnej

wiadomo

ci, tłumienie i cenzu-

rowanie my

li, które mogłyby prowadzi

do konfliktów. Według Freuda „Ja”,

wiadoma

ęść

naszej psychiki, „nie jest nawet panem we własnym domu, lecz poprzesta

musi na

pych wie

ciach o tym, co odbywa si

nie

wiadomie w jego

yciu duchowym”.

2. Relacyjna teoria umysłu

Wielu procesów reguluj

cych stan organizmu nie jeste

my w stanie postrzega

, czyli sobie

ich u

wiadomi

. Szczegóły wielu procesów biochemicznych zachodz

cych w organizmie nie

ne z punktu widzenia decyzji, jakie trzeba podj

ąć

. Kiedy poziom glukozy w krwi spada

zwierz

musi wiedzie

e czas szuka

jedzenia. Stan krwi monitorowany jest przed pod-

wzgórze, składaj

ce si

z wielu wyspecjalizowanych, drobnych skupisk neuronów. J

dro

boczne podwzgórza reaguje na spadek poziomu glukozy a j

dro brzuszno-przy

rodkowe na

jej narastanie. Sygnały wysyłane do kory przez j

dro boczne interpretowane s

jako uczucie

głodu, a sygnały z j

dra brzuszno-przy

rodkowego jako uczucie nasycenia. Interpretacj

zaj-

muje si

kora mózgu, w tym przypadku kora zakr

tu obr

czy, le

żą

ca na powierzchni boczno-

przy

rodkowej mózgu [9].

Układy sensoryczne przesyłaj

sygnały z receptorów zmysłowych (oka, ucha, j

zyka)

przez wzgórze, pełni

ce rol

centralnej stacji przeka

nikowej, do pierwotnej kory zmysłowej.

Wzgórze przesyła sygnały do kory nowej i do o

rodków podkorowych, specjalizuj

cych si

wykrywaniu zagro

i umo

liwiaj

cych szybkie działanie w oparciu o mało precyzyjn

ana-

liz

sygnału. Dzi

ki temu „instynktowne” działanie mo

e poprzedza

wiadome rozpoznanie.

Wzgórze i inne o

rodki podkorowe reguluj

dopływ sygnałów do kory bior

c udział w proce-

sach uwagi. Pierwotna kora zmysłowa szczegółowo analizuje ró

ne cechy sygnału. Kora czu-

ciowa reaguje na miejsce i sił

dotyku, ból, sw

dzenie, temperatur

i wibracje a kora wzro-

kowa na kształty (nachylenie kraw

dzi), kolory, ruch, dominacj

lewego lub prawego oka.

Rozpoznawanie obiektów na podstawie informacji dochodz

cej ze zmysłów jest bardzo

trudne. Mózg przygotowany został przez ewolucj

do rozpoznawania cz

sto spotykanych

obiektów. Zadanie to jest wykonalne dzi

ki wła

ciwym oczekiwaniom, hipotezom generowa-

nym przez obszary kory skojarzeniowej mieszcz

cej si

w płatach czołowych i skroniowych.

O du

ej specjalizacji kory

wiadcz

liczne agnozje, czyli niezdolno

ci do rozpoznawania

obiektów na podstawie informacji zmysłowej. S

one wynikiem specyficznych uszkodze

wtórnej i trzeciorz

dowej kory sensorycznej (Rys. 2). Np. uszkodzenie kory obr

czy spowo-

dowa

e asymboli

bólu, czyli niezdolno

ść

do interpretacji sygnałów bólu jako nieprzy-

jemnych, przy w pełni zachowanej zdolno

ci do czucia i umiejscowienia tych sygnałów.

Uszkodzenie dolnej cz

ęś

ci zakr

tu skroniowego mo

e spowodowa

prosopagnozj

, czyli nie-

zdolno

ść

do rozpoznawania twarzy. Uszkodzenia obszaru ciemieniowego w cz

ęś

ci przy

rod-

kowej prowadzi do astereognozji, czyli niezdolno

ci do rozpoznawania przedmiotów za po-

moc

dotyku. Jest te

wiele rodzajów agnozji wzrokowych [4].

Wra

enia zmysłowe, uczucie pragnienia czy głodu, wyobra

enia, wszystko, co stanowi

tre

ść

umysłu, jest rezultatem interpretacji dokonywanej przez kor

mózgu. Pojawienie si

nowej informacji zmysłowej wymaga interpretacji, a wi

c odwołania si

do ju

istniej

cej

wiedzy. Jest to mo

liwe dzi

ki zdolno

ci kory mózgu do odtworzenia stanu, w których mózg

poprzednio ju

znajdował, czyli dzi

ki pami

ci. Wyja

nienia wymaga struktura i dynami-

ka stanów mózgu, od reprezentacji wewn

trznej nale

y jedynie wymaga

, by zawierała dosta-

tecznie du

o informacji by w oparciu o ni

podj

ąć

odpowiednie działania. Moja interpretacja

wra

zmysłowych wynika ze skojarze

i zdolno

ci rozró

niania stanu „przyjemna czerwie

policyjnego lizaka”. Stan mózgu przy jednej i drugiej ob-

serwacji jest zupełnie odmienny, wynika z wewn

cego sło

ca” i „czerwie

trznych pobudze

, stanu ciała i receptorów

zachodz

zmysłowych. Wra

enia s

rezultatem procesu, w którym mózg komentuje swoje własne sta-

ny, zmieniaj

c je w wyniku pojawiaj

cych si

skojarze

. W odró

nieniu od stanu procesora

komputera stan dynamiczny mózgu jest wi

c „ubrany”, dzi

ki oddziaływaniom z zapami

ta-

nymi stanami z przeszło

ci.

Uczucia

Kora zakr

tu obr

czy

Kora czuciowa

Przednia cz

ęść

Hipokamp

wzgórza

Tylna cz

ęść

Podwzgórze

wzgórza

Rys. 2. Poziom glukozy monitorowany przez jest podwzgórze; impulsy przez nie wysyłane

docieraj

przez przedni

ęść

wzgórza do kory zakr

tu obr

czy, gdzie interpretowane s

jako

uczucie głodu.

Wra

enia s

realnie fizycznie istniej

cymi stanami mózgu. Z wewn

trznego punktu wi-

dzenia istotne s

jedynie relacje pomi

dzy nimi, gdy

niezmiennikiem jest jedynie interpreta-

cja wynikaj

ca ze skojarze

. Dwa mózgi, w których procesy przebiegaj

całkiem odmiennie

mog

zachowywa

identycznie o ile tylko zachowane b

relacje pomi

dzy ich stanami.

dy mózg jest jednak niepowtarzalny, ma odmienne skojarzenia, a jego stany zwi

zane z

rozpoznaniem jakiego

obiektu lub pojawieniem si

jakiej

li s

unikalne. Nawet mózgi

bli

t jednojajowych ró

wyra

nie od siebie. Jednak

e relacje pomi

dzy obiektami

podobnie słowa pisane (analizowane przez

układ wzrokowy w korze potylicznej) z brzmieniem i sensem (analizowany przez układ słu-

chowy w korze skroniowej) i wymow

z grubsza ustalone i wszyscy kojarz

zale

od ruchu strun głosowych (kontrolowan

przez układ ruchowy w korze czołowej). Niektóre z poj

ęć

ywanych w tym artykule przed-

stawiłem na Rys. 1. Ka

de z tych poj

ęć

zapami

tane jest w postaci konfiguracji pobudze

specyficznego stanu cz

ęś

ci mózgu, rozró

nialnego od innych. Ka

de z nich prowadzi

do skojarze

, w których wyst

powi

zane z nim poj

cia. Łuki mi

dzy nimi pokazuj

nie-

które mo

liwo

ci bezpo

rednich skojarze

pozostaj

Duch Włodzisław - Fizyka umysłu.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: