Znajdź zawartość

Ludzki mózg oszczędza energię, przewidując, co zobaczy w przyszłości. Kora wzrokowa nie reaguje więc po prostu na bodźce wzrokowe, zwłaszcza na dobrze znane, ale "myśli" o tym, co w danym kontekście pojawi się za chwilę. Naukowcy z Uniwersytetu w Glasgow i Instytutu Badań nad Mózgiem Maxa Plancka wyjaśniają, że takie postępowanie prowadzi do mniejszego zużycia energii podczas przetwarzania obrazu. Jeśli jednak w znanym otoczeniu pojawia się coś nieoczekiwanego, kora wzrokowa momentalnie się uaktywnia, by wykorzystać dodatkowe informacje. Odkrycia niemiecko-brytyjskiego zespołu doktora Larsa Muckliego bazują na nowej koncepcji Karla Fristona z Uniwersyteckiego College'u Londyńskiego – teorii kodowania predyktywnego, zwanej także zasadą wolnej energii. Jej twórca uważa, że mózg przewiduje, jakie dane do niego dotrą, a nie biernie przetwarza bodźce. Testując nową koncepcję, naukowcy z Glasgow zebrali grupę 12 ochotników. W czasie, gdy wykonywano im funkcjonalny rezonans magnetyczny, wpatrywali się w nieruchomy punkt na ekranie komputera. Nad nim i pod nim migały na zmianę dwie kropki, co stwarzało iluzję ruchu. W scenariuszu przewidywalnego bodźca wyświetlano trzecią kropkę, która znajdowała się pomiędzy dwiema pozostałymi. Czas jej prezentacji dostosowywano do timingu reszty, przez co uzyskiwano wrażenie płynnego ruchu. W scenariuszu nieprzewidywalnym pojawienie się trzeciej kropki nie było zschynchronizowane z demonstracją pozostałych. Monitorowanie pierwszorzędowej kory wzrokowej (V1) ujawniło, że w porównaniu do nieprzewidywalnych bodźców, przy znanym scenariuszu była ona mniej aktywna. Mózg spodziewa się zobaczenia czegoś i tak naprawdę ciągle tylko potwierdza sobie jedną i tę samą rzecz – to trochę jak zapamiętywanie przyszłości. Może dlatego czasem nie zauważamy zmian w znanym otoczeniu, bo mózg widzi raczej to, czego się spodziewał, a nie to, co się tu rzeczywiście znalazło. W przyszłości naukowcy zamierzają przetestować teorię predyktywnego kodowania w bardziej naturalnym otoczeniu, a także skupić się na zmysłach innych niż wzrok.

Bakterie mogą przewidywać przyszłe wydarzenia i się na nie przygotowywać – twierdzą badacze z Instytutu Nauki Weizmanna. Przedstawiciele tamtejszego Wydziału Genetyki Molekularnej - prof. Yitzhak Pilpel, Amir Mitchell i dr Orna Dahan – współpracowali z akademikami z Uniwersytetu w Tel Awiwie: prof. Martinem Kupcem i Galem Romano. Razem obserwowali mikroorganizmy żyjące w zmieniających się przewidywalnie środowiskach: E. coli i drożdże winne. Okazało się, że są one genetycznie przystosowane do przewidywania, co w sekwencji zdarzeń nastąpi za moment. Co więcej, zaczynają one reagować na te zmiany, zanim jeszcze nastąpią. Przesuwając się wzdłuż przewodu pokarmowego, bakterie E. coli napotykają wiele różnych środowisk. Nauczyły się m.in., że tuż za jednym rodzajem cukru – laktozą – pojawia się inny cukier – maltoza. Izraelski zespół przyglądał się bakteryjnej reakcji na laktozę. Aktywacji ulegały nie tylko geny pozwalające trawić właśnie ją, lecz również sieć genów związanych z wykorzystaniem maltozy. Gdy mikrobiolodzy zmienili kolejność pojawiania się cukrów, podając na początku maltozę, nie nastąpiło jednoczesne uruchomienie genów laktozowych. Oznacza to, że E. coli jest nastawiona na konkretny scenariusz zdarzeń. Na ciągłe zmiany środowiska są narażone także drożdże winne. Podczas fermentacji stale zmienia się kilka parametrów: zawartość cukru, kwasowość, stężenie alkoholu, podnosi się też temperatura otoczenia. Sytuacja jest bardziej złożona niż w przypadku E. coli, ale Izraelczycy stwierdzili, że podgrzanie otoczenia uruchamia u drożdży geny, które pozwalają im sobie poradzić z zadaniami kolejnego etapu. Pilpel uważa, że w toku ewolucji kolejne pokolenia bakterii lub grzybów były poddawane klasycznemu warunkowaniu pawłowowskiemu. W tym przypadku dzwonek zastępują jednak bodźce z wcześniejszych etapów, np. pierwszy z cukrów czy zmiana temperatury. Zarówno w ewolucji, jak i przy uczeniu organizm dostosowuje swoją reakcję do wskazówek środowiskowych, zwiększając swoje szanse na przeżycie – przekonuje Amir Mitchell. Chcąc sprawdzić, czy E. coli rzeczywiście przejawiają uwarunkowane zachowania, panowie opracowali specjalny test. Oparli się przy tym na innym eksperymencie pioniera tej dziedziny – Iwana Pawłowa. Gdy po dzwonku rosyjski fizjolog przestał dawać swoim psom jedzenie, ślinienie po usłyszeniu go stopniowo zanikało (zanikała więc reakcja na bodziec warunkowy). Naukowcy z Instytutu Weizmanna zrobili coś podobnego - wykorzystali bakterie, wyhodowane w środowisku zawierającym laktozę, po której nie pojawiała się jednak maltoza. Po kilku miesiącach mikroorganizmy wyewoluowały, przez co po wyczuciu smaku laktozy nie następowała aktywacja genów maltozy. Uruchamiały się one tylko przy dostępie do realnie istniejącej maltozy. Izraelczycy opracowali model kosztów i strat, który pozwala przewidzieć, w jakich sytuacjach organizm zwiększy swoje szanse na przeżycie, wypracowując umiejętność "spoglądania" w przyszłość. Teraz zamierzają go przetestować. Pilpel i zespół wierzą, że genetyczna reakcja warunkowa występuje też w pojedynczych komórkach organizmów wyższych, np. człowieka.

Zanim usłyszymy ostateczne brzmienie wyrazu, nasz mózg rozważa wszystkie możliwe słowa i ich znaczenie. Twórcy wcześniejszych teorii utrzymywali, że odbiorca jest w stanie nadążyć za tempem mówiącego (do 5 sylab na sekundę), tworząc na bieżąco małe zestawy spośród ogółu znanych sobie słów. Takie podzbiory składać się mają ze wszystkich wyrazów zaczynających się od tej samej frazy, np. katolik, katar, katorżnik. Wg naukowców, to skuteczniejsza strategia niż oczekiwanie na wypowiedzenie wszystkich głosek. Przeszukiwanie małego podzbioru jest łatwiejsze od dopasowywania gotowego wyrazu do wielotysięcznego słownika. Do tej pory nie wiedziano jednak, czy mózg uwzględnia tylko brzmienie, czy także znaczenie branych pod uwagę słów. By to rozstrzygnąć, akademicy z University of Rochester posłużyli się funkcjonalnym rezonansem magnetycznym (fMRI). Początkowo badacze myśleli, że wybrana technika będzie za wolna, gdyż poszczególne "ujęcia" to kwestia kilku sekund, a ludzie generują zestawy słów pomiędzy poszczególnymi sylabami, czyli dosłownie w okamgnieniu. Na szczęście wszystko poszło jak z płatka. Naukowcy skupili się na polu V5 kory wzrokowej. Obszar ten odpowiada za ogólne postrzeganie ruchu w polu widzenia oraz jego kierunku. Zaangażowali się w radosne słowotwórstwo i wymyślili zestaw wyrazów, z których część wiązała się w jakiś sposób z ruchem. Amerykanie zrezygnowali z prawdziwych angielskich słów, ponieważ mają one za wiele znaczeń. Założyli, że słowo przypominające wyraz "ruchowy" zwiększy przepływ krwi w polu V5. Uwzględnione wyrazy zaczynały się od tej samej sylaby, miały jednak różne zakończenia i znaczenia. Badacze napisali program komputerowy, który wyświetlał nieregularne kształty z podpisami, np. goki. Zespół stworzył nie tylko rzeczowniki, ale także czasowniki. "Biduko" oznacza, że figura będzie się przesuwać po ekranie, a "biduka", że nie zmieni swojego położenia, a jedynie kolor. Gdy studenci opanowali zestaw nowych wyrazów, umieszczono ich w skanerze fMRI. Ochotnicy widzieli na monitorze kształt i słyszeli "biduko" albo "biduka". Mimo że tylko jedno ze słów oznacza ruch, pole V5 aktywowało się w obu przypadkach (przy słowie na określenie zmiany koloru nieco słabiej). Aktywacja wywołana przez wyraz biduka wskazuje, że przez ułamek sekundy mózg rozważał obie możliwości. Ostatecznie odróżnił sylabę –ka od –ko i zarzucił związaną z ruchem interpretację. Amerykanie chcą w przyszłości rozbudować swój eksperyment. Zamierzają uwzględnić inne obszary, nie tylko V5, np. rejony reagujące tylko na specyficzny dźwięk albo na dotyk. Chcą też sprawdzić, jak mózg sortuje znaczenia, kiedy musi uwzględnić składnię lub kontekst rozmowy.