Jak działa mózg, czyli badanie procesów pamięci
Wyobraźmy sobie, że na ulicy spotykamy człowieka, który wydaje nam się znajomy. Mamy poczucie, jakbyśmy się już kiedyś spotkali, ale nie potrafimy w naszej pamięci odnaleźć szczegółów tej relacji. Co dzieje się wtedy w naszym mózgu? Jakie różnice zachodzą w procesie poznawczym w sytuacji, gdy tylko nam się wydaje, że kogoś znamy, a jakie, gdy rzeczywiście spotykamy naszego kolegę, przyjaciela, sąsiada? Jest to jedno z pytań, na które odpowiedzi szuka dr Karina Maciejewska, fizyk z Uniwersytetu Śląskiego.
Tematyką związaną z układem nerwowym człowieka, w tym badaniem działania ludzkiego mózgu zajmuje się neuronauka. Jest to dyscyplina z definicji interdyscyplinarna, łączy bowiem wiedzę z zakresu medycyny, fizyki, biologii, ale też kognitywistki, psychologii i psychiatrii, a nawet informatyki.
Chociaż naukowcy od lat próbują odkryć wszystkie tajemnice naszego mózgu, prawdą jest, że obecnie niewiele o nim wiemy. W jaki sposób się uczymy, jak przebiega proces zapamiętywania i zapominania, jak kontrolowane są wszystkie czynności życiowe – to przykłady zaledwie kilku fundamentalnych zagadnień.
– Dopiero gdy poznamy te mechanizmy działania mózgu, będziemy mogli myśleć o aplikacji zdobytej wiedzy. Jest o co walczyć – mówi dr Karina Maciejewska. – Przede wszystkim znajomość procesów zachodzących w organizmie zdrowego człowieka dostarczać może inspiracji do poszukiwania sposobów leczenia osób z różnymi zaburzeniami neurologicznymi i hamowania procesów chorobowych.
Wiedza z zakresu neuronauki stosowana bywa także w naukach związanych ze sztuczną inteligencją, przede wszystkim w tzw. uczeniu maszynowym.
Wynikami badań żywo zainteresowani są też specjaliści zajmujący się sprzedażą. Już teraz wykorzystywane są różne metody analizy, na przykład elektrokulografia i eye-tracking, czyli badanie ruchu gałek ocznych. Dzięki niemu dowiadujemy się na przykład, w którym miejscu większość ludzi skupia uwagę, przeglądając na przykład strony internetowe. Tam właśnie umieszczane są materiały reklamowe.
– Możliwości zastosowań tej wiedzy mamy sporo, ale droga do poznania funkcjonowania mózgu okazuje się długa... Każdy krok, nawet najdrobniejszy, pozwala nam jednak rozumieć więcej. Tu, gdzie właśnie się znajdujemy, w uniwersyteckim laboratorium, możemy prowadzić badania uchylające rąbka tajemnicy ludzkiego mózgu – mówi fizyczka.
Codziennie atakowani jesteśmy miliardem informacji na sekundę. Tylko niewielką część z nich rejestruje nasza świadomość. W mózgu muszą więc zachodzić pewne procesy, które pozwalają selekcjonować dane i przetwarzać je w bardzo krótkim czasie. Każdy z tych procesów jest poddawany badaniom przez poszczególne grupy naukowców specjalizujących się w danym temacie.
– Mnie w tej chwili najbardziej interesują procesy pamięci i to im zamierzam poświęcić swoje najbliższe badania – komentuje badaczka.
Aby podjąć się tego zadania, złożyła wniosek do Narodowego Centrum Nauki o finansowanie projektu, którego przedmiotem było badanie procesów pamięci z wykorzystaniem specjalistycznych metod analizy czynności elektrycznej mózgu. W ramach projektu wyjechała na czteromiesięczny staż naukowy do Stanów Zjednoczonych, do UC Davis Center for Neuroscience w Kalifornii, podczas którego rozpoczęła współpracę w grupie badawczej Dynamic Memory Lab prowadzonej przez prof. Charana Ranganatha. Wyjazd był okazją między innymi do uczestniczenia w zajęciach dydaktycznych w amerykańskim ośrodku naukowym oraz zapoznania się ze specjalistycznymi metodami analizy sygnałów poznawczych potencjałów wywołanych (ERP) oraz prowadzenia eksperymentów naukowych z zakresu badania pamięci u ludzi.
– Ludzki mózg jest fascynujący. Świadomość, że tak mało o nim wiemy, stanowi bodziec dla mnie jako naukowca do włączenia się w badania zachodzących w nim procesów – przyznaje badaczka z Uniwersytetu Śląskiego.
W swojej pracy naukowej analizuje przede wszystkim podstawowe czynności elektryczne mózgu (EEG i potencjałów wywołanych ERP) oraz innych sygnałów biologicznych u zdrowych ludzi. Dąży do pogłębienia wiedzy na temat aktywności elektrycznej ludzkiego mózgu w różnych stanach poznawczych, takich jak rozumienie języka, percepcja zmysłowa, podejmowanie decyzji czy zapamiętywanie. Takie badania pozwalają lepiej zrozumieć, jak działa mózg w stanach prawidłowego funkcjonowania. Dzięki temu pogłębia się wiedzę z zakresu psychofizjologicznej aktywności ośrodkowego układu nerwowego (OUN) i jego reakcji na bodźce zewnętrzne. Odbycie stażu naukowego w prestiżowym ośrodku akademickim pozwoliło nie tylko zweryfikować pewne wyniki badań, lecz również poszerzyć doświadczenia związane ze stosowaniem różnych metod i technik badawczych.
Dr Karina Maciejewska rozpoczęła w ramach stażu współpracę z grupą naukowców, którzy wykorzystywali trzy główne techniki pomiarowe, aby badać procesy pamięci długotrwałej. Analizują oni aktywność elektryczną mózgu, stosują rezonans magnetyczny pozwalający sprawdzić, które obszary mózgu aktywują się w trakcie danego procesu, i wreszcie prowadzą badania behawioralne – zapraszają grupę ochotników i, realizując scenariusz badania, mierzą pewne parametry, na przykład szybkość reakcji, liczbę poprawnych i niepoprawnych odpowiedzi itd.
– Zobaczyłam, jakie projekty realizowane są na uniwersytecie w Kalifornii i jakie techniki są stosowane, aby zanalizować pewne wybrane procesy. Już po powrocie kontynuowałam badania czynności elektrycznej mózgu z wykorzystaniem elektroencefalografii (EEG) i analizy sygnałów potencjałów wywołanych ERP – mówi naukowiec. – Zapraszam do badania ochotników, którzy zakładają specjalny czepek z 32 elektrodami. Następnie wykonują różne zadania, a urządzenie monitoruje czynność elektryczną mózgu. Tak przeprowadzane badanie jest oczywiście bezbolesne i nie wpływa na funkcjonowanie człowieka. Co najwyżej można się trochę znudzić – dodaje ze śmiechem.
Otrzymane w ten sposób dane są następnie interpretowane. W zależności od wykonywanego polecenia identyfikowane są obszary mózgu, w których dostrzec można znaczącą aktywność. Dr Karina Maciejewska podkreśla, że zadanie to nie jest łatwe.
– Odnotowana będzie każda reakcja człowieka, mrugnięcie oka, chwilowy brak koncentracji, myślenie o czymś innym niż o zadaniu… Co robimy, gdy ktoś nas prosi, abyśmy przez chwilę o niczym nie myśleli? Zazwyczaj właśnie wtedy pojawia się najwięcej rozpraszających nas wątków. Mając to na uwadze, musimy odpowiednio interpretować otrzymane wyniki, by odnaleźć te impulsy, które rzeczywiście odpowiadają za pracę mózgu związaną z naszą pamięcią – wyjaśnia fizyk.
W grupie prof. Charana Ranganatha badane są przede wszystkim procesy odnoszące się do pamięci długotrwałej, czyli takiej, która pozwala zachowywać wspomnienia – zapamiętywać zdarzenia, które wydarzyły się zarówno wczoraj, jak również kilka lat temu. Amerykańscy naukowcy koncentrują się jednak na dwóch procesach rozpoznawania. Pierwszy z nich to ocena znajomości (ang. familiarity) aktywująca pamięć długotrwałą, drugi to przypominanie (ang. recollection) przeszukujące informacje dostępne w pamięci i porównujące dane z tym, co jest postrzegane. Oba procesy zachodzą jednocześnie, wiadomo też, że niezależnie przyczyniają się do wydawania oceny znajomości danego obiektu czy informacji, wspierane są jednak przez różne obszary mózgu. Naukowcy szukają zatem odpowiedzi na pytanie, w jaki sposób wspierają proces rozpoznawania polegający na dopasowaniu informacji do danych zgromadzonych już w naszej pamięci.
Powróćmy do postawionego na samym początku pytania, jak to się dzieje, że czasem spotkana osoba wydaje nam się skądś znajoma, a inną rozpoznajemy bez problemu, potrafimy podać jej imię, scharakteryzować relacje. Badania procesów pamięci są skomplikowane i są wciąż prowadzone, dlatego jest wiele niepotwierdzonych jeszcze hipotez tłumaczących to zjawisko.
– Warto jednak wiedzieć, że już samo zwrócenie naszej uwagi na te dwa różne procesy rozpoznawania jest niezwykle ważne, pozwala bowiem poprzez stosowanie różnych technik badawczych sprawdzać, jak zmienia się w tych różnych sytuacjach aktywność naszego mózgu, a to przybliża nas o krok do odsłonięcia kolejnego mechanizmu funkcjonowania tego skomplikowanego narządu.
Pełna wersja artykułu ukazała się w "Gazecie Uniwersyteckiej UŚ" [nr (-2 (271-272) październik-listopad 2019]
