Zrozumieć mózg – jak działa podczas przetwarzania informacji?

Chociaż mózg to najbardziej skomplikowany organ w ludzkim ciele, to waży zaledwie ok. 1,5 kg. Budowa mózgu to przede wszystkim komórki nerwowe (neurony), a ich funkcjonowanie porównywane jest czasem do gwiazd i planet w Drodze Mlecznej. Jak działa mózg, gdy przetwarza dziesiątki informacji?

Ojcowie neurobiologii: Golgi i Cajal i ich odmienne poglądy na temat budowy mózgu

Zanim jednak o budowie tego organu i o tym, jak działa mózg, cofnijmy się do historii neurobiologii. Na przełomie XIX/XX wieku działało dwóch naukowców, których nazywamy twórcami, czy też ojcami, neurobiologii. Byli to Włoch Camillo Golgi i Hiszpan Raymond Cajal. Golgi znany był nie tylko z miłości do nauki, ale także, jak na Włocha przystało, do kobiet, a ponadto do cygara i alkoholu. Ten przystojny naukowiec dbał o swoją fryzurę i  podkręcone wąsy. 

W tym samym czasie działał w Madrycie inny spokojny i pracowity histolog, Santiago Ramón y Cajal. Oboje naukowcy wpatrując się długimi godzinami poprzez „jednooczne” okulary w preparaty przerysowywali fascynujący świat spod prymitywnego mikroskopu. 

Golgi był przekonany, że mózg to wielojądrowa masa, która tworzy sieć, czy siatkę. Natomiast Cajal uważał, że mózg, podobnie jak wszystkie inne narządy, składa się mniejszych elementów. Te elementy budujące mózg nazywamy komórkami nerwowymi (neuronami). Pomimo rozbieżnych poglądów na budowę mózgu otrzymali wspólnie nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny 1906 roku za badania nad strukturą układu nerwowego. 

Więcej informacji na ten temat przeczytasz na stronie Instytutu Noblowskiego

Budowa mózgu – komórki nerwowe i glejowe

Badania nad neuronami doprowadziły do opisania ich budowy. Komórka nerwowa składa się z ciała komórki nerwowej (perikarionu), do której doprowadzane są informacje przy pomocy dendrytów. Wyobraź sobie, że ciało komórki nerwowej to jakby pień drzewa, a odchodzące od niego gałęzie to właśnie dendryty. Notabene „dendron” z greckiego oznacza drzewo. Tak jak gałęzie doprowadzają informacje do pnia drzewa, tak dendryty przenoszą informacje ze środowiska zewnętrznego do ciała komórki nerwowej. Ta informacja jest następnie przenoszona przez akson, czyli długą wypustkę do następnej komórki. 

Pomiędzy komórkami znajdują się synapsy. Każda synapsa (synapsa z greckiego to klamra) zbudowana jest z błony presynaptycznej, gdzie wydzielane są przekaźniki chemiczne – neurotransmitery, np. acetylocholina, dopamina, serotonina. Neurotransmitery po przejściu przez synapsę trafiają na błonę postsynaptyczną, w której znajdują się odpowiednie dla nich receptory. Tak informacja z jednej komórki przekazywana jest za pośrednictwem posłańców, czyli neurotransmiterów do drugiej. Często droga przechodzenia informacji z jednej części mózgu do innej jest bardzo długa, a podczas jej przebycia musi zostać wydzielonych wiele neurotransmiterów i pokonanych wiele synaps. 

Budowa mózgu a inteligencja

Oprócz komórek nerwowych w mózgu występują również komórki glejowe, które pełnią funkcję „sklejania” komórek nerwowych, odżywczą oraz obronną – zapobiegając przedostawaniu się substancji szkodliwych do mózgu tworząc tzw. barierę krew-mózg. Choć podejrzewa się, że lista niepoznanych jeszcze funkcji komórek glejowych może być długa. Komórki glejowe stanowią bowiem 60% mózgu gryzoni i aż 90% mózgu ludzi. 

Ponadto dowiedziono, że np. liczba astrocytów (rodzaj komórek glejowych) w korze mózgowej zwiększa się wraz z zaawansowaniem rozwoju. U myszy na każdy neuron przypada ok. 0.3 astrocyta, a u ludzi w korze mózgowej na 1,65 astrocyta przypada na każdy neuron. Przypuszcza się, że może istnieć związek pomiędzy wzrostem liczby astorocytów i poziomem inteligencji. Niewykluczone jest, że u ludzi zwiększenie stosunku astrocytów do neuronów pozwala na większą wyobraźnię i kreatywność, która charakteryzuje istoty ludzkie. 

To Cię też zainteresuje: Czytanie w myślach innych ludzi – czy to jest możliwe?

Jak działa mózg podczas przetwarzania informacji?

Żeby jakaś informacja została przekazana w układzie nerwowym potrzebne są co najmniej dwa neurony i jedna synapsa. Na pewno słyszałeś o tzw. łuku odruchowym. Jest to droga, jaką przebiega informacja od receptora do efektora. Taki najprostszy łuk odruchowy składa się dwóch neuronów i jednej synapsy, choć w bardziej skomplikowanych jest ich oczywiście więcej. 

Działanie wielu czynności życiowych odbywa się na zasadzie łuków odruchowych.  Ma to miejsce, np. w sytuacji, kiedy nagle dotykasz czegoś gorącego. Wówczas dzięki łukowi odruchowym informacja przebiega od receptorów odczuwających efekt gorąca znajdujących się w skórze do mięśni i w rezultacie cofasz rękę, aby uniknąć poparzenia. Takie przekazywanie informacji musi być bardzo szybkie i odbywa się na poziomie rdzenia kręgowego. Dzieje się to bez naszej woli (stąd nazwa odruch bezwarunkowy), a dopiero po chwili ta informacja dociera do mózgu. W tej sytuacji nie ma czasu na “myślenie”, a odsunięcie ręki odbywa się po prostu odruchowo. 

Inne reakcje odbywające się na zasadzie odruchów bezwarunkowych to np. odruch źreniczny (mrużenie oka pod wpływem światła), czy odruch wymiotny. Co ciekawe wiele odruchów bezwarunkowych występuje w okresie niemowlęcym, a z czasem one zanikają, np. odruch ssania, czy odruch chwytny.

Na poniższym filmie pokazane zostały odruchy bezwarunkowe u niemowląt:

Działanie mózgu podczas procesu uczenia

Inaczej działa mózg w czasie uczenia się. Wówczas również informacja przekazywana jest z jednej komórki do drugiej i do kolejnych. Potrzebny jest czas na tzw. proces konsolidacji procesów pamięciowych, czyli utrwalania tych informacji.  Dzieje się to w czasie snu. Stąd powiedzenie “zakuć, zdać i zapomnieć” jest jak najbardziej trafne. Ponieważ jeśli uczysz się “na ostatnią chwilę” przed sprawdzianem, czy egzaminem nie dajesz szansy swojemu mózgowi, aby zaszły w nim procesy konsolidacji. 

Naukowców zawsze fascynował temat ludzi wybitnych i ich zdolności. Stąd też na koniec przyjrzyjmy się jeszcze mózgowi geniusza – Alberta Einsteina.  

Jak wyglądał mózg Alberta Einsteina?

Ważył on 1350 g, a więc nieco mniej od przeciętnej masy mózgu człowieka. Badania przeprowadzone na początku lat 80. XX w. przez Mariam Diamond z Uniwersytetu w Berkley w USA na mózgu tego laureata Nagrody Nobla doprowadziły do bardzo interesujących wniosków. Odkryto, że stosunek komórek glejowych do nerwowych był u tego słynnego fizyka większy niż u przeciętnego człowieka. Badania te wykonano na fragmentach mózgu uzyskanych z kory w płacie ciemieniowym lewej półkuli mózgu. Niewykluczone, że koncentracja i poświęcenie czemuś uwagi prowadzi do procesów astrogliogenezy, czyli powstawania astrocytów. Choć nie można również wykluczyć odwrotnej sytuacji, że to właśnie fakt posiadania większej liczby astrocytów sprzyja realizacji złożonych procesów myślowych.

Mózg człowieka, który zbudowany jest z 86 mld komórek nerwowych i kryje jeszcze wiele tajemnic. O niektórych z nich i o tym jak działa mózg opowiem w następnych artykułach.

Literatura:

• Herculano-Houzel S. The human brain in numbers: a linearly scaled-up primate brain. Frontiers in Human Neuroscience 2009, 3, 31.
• Koob A. U źródeł naszych myśli . Wydawnictwo Sonia Draga 2010

Autor

Joanna Śliwowska

Z wykształcenia jestem biologiem, a pasjonuje się neurobiologią. Mózg to fascynujący organ, który ma możliwości zmian pod wpływem warunków środowiska, co nazywamy neuroplastycznością. Oprócz tego, że jestem naukowcem, również prowadzę zajęcia dydaktyczne ze studentami oraz popularyzuję naukę. Jestem także mamą dwóch nastolatków Heleny i Antoniego.

Więcej od tego autora