Jak struktura i funkcje mózgu generują świadomość
Jeśli przyjmiemy szeroką definicję świadomości jako doświadczania siebie i świata zewnętrznego, wówczas można powiedzieć, że świadomość przychodzi i odchodzi. Wydaje się, że w stanie snu bez śnienia świadomość jest nieobecna i ponownie pojawia się podczas śnienia obrazowych snów. To, co wiadomo na pewno, to że świadomość powraca po przebudzeniu. To, jak mózg przechodzi z jednego stanu do drugiego, pozostaje jednak niejasne. Badacze sądzą, że odpowiedzi na te pytania należy szukać w neuronauce, dlatego jednym z celów projektu HBP jest opracowanie złożonego modelu posiadającego rzeczywiste połączenia, szczegółową neuronalną dynamikę i zasady uczenia się – wszak rozmaite zadania kognitywne są realizowane dzięki integracji różnych obszarów korowych. Odtworzenie podstawowej aktywności i zadań poznawczych Celem programu „Modele sieci dla świadomości”, realizowanego w ramach projektu HBP, jest lepsze poznanie związków pomiędzy strukturą i funkcją mózgu, co ma pomóc w wyjaśnieniu dynamiki powstawania złożonych sieci odpowiedzialnych za percepcję, przewidywanie, zachowanie ukierunkowane na cel oraz inne funkcje poznawcze wyższego rzędu. „Jak to możliwe, że jedna i ta sama struktura anatomiczna – złożona sieć mózgu zwana konektomem – raz uruchamia złożone procesy odpowiedzialne za świadomość, a innym razem pozostaje bierna? Niewątpliwie jest to jedna z największych zagadek biologii, a nawet fizyki”, mówi badacz prof. Marcello Massimini. Jednym z największych wyzwań budowy realistycznego, opartego na danych, wielozadaniowego modelu świadomości było ustalenie właściwych parametrów strukturalnych i funkcjonalnych modelu, tak by można było odtworzyć zrównoważone i złożone wzorce aktywności. „Istniejące modele albo odtwarzają specyficzne funkcje kognitywne, albo globalne stany mózgu, nie radząc sobie póki co z jednym i drugim jednocześnie. Ta równowaga pomiędzy różnicowaniem a jednością jest tym, co czyni mózg tak wyjątkowym narządem w kontekście świadomości”, tłumaczy prof. Massimini. Badacze czerpią z wyjątkowej wiedzy opracowanej w ramach projektu HBP do zbudowania modelu wykorzystującego wspólną infrastrukturę złożoną z zasobów kilku źródeł, w tym: atlasów, neuroinformatyki, symulacji mózgu, wysokowydajnej infrastruktury analitycznej i obliczeniowej, informatyki medycznej oraz obliczeniowych technologii neuromorficznych. W tych ramach gromadzone są, utrzymywane i integrowane dane strukturalne i funkcjonalne w skali od pojedynczego neuronu aż po cały mózg. Natomiast kluczowym krokiem będzie zastosowanie zaawansowanych, wielkoskalowych modeli odgórnych, odtwarzających globalną dynamikę mózgu, oraz bardziej szczegółowych oddolnych modeli biofizycznych rzeczywistych funkcji neuronalnych. Wpływ na rozwój medycyny i nie tylko Wyniki tego projektu, w połączeniu z wynikami innych projektów realizowanych w ramach HBP, tworzą bardziej spójny obraz. Na przykład, w badaniu empirycznym na gryzoniach zidentyfikowano kluczowy mechanizm neuronalny odpowiedzialny za świadomą percepcję bodźców czuciowych. Proces ten, znany jako „wzmocnienie dendrytów szczytowych”, wykryto również w układzie wzrokowym człowieka. Będzie mógł on zostać odtworzony w symulacji komputerowej oraz w neuromorficznych czipach w celu poprawienia zdolności rozpoznawania obrazu. Jednocześnie te działania umożliwiły wyjaśnienie mechanizmów odpowiedzialnych za okresowe przerwanie złożonych interakcji korowych po zapadnięciu w sen, kiedy neurony nie mogą śledzić bodźców, które do nich docierają. „Dzięki naszej wspólnej infrastrukturze już wkrótce dwie linie badań będą mogły wdrożyć jednolity mechanizm i wyjaśnić zjawisko percepcji czuciowej pewnych treści oraz globalne zmiany stanu mózgu”, tłumaczy prof. Massimini. Wyniki tego badania mają istotny wpływ na rozwój medycyny w kontekście oceny świadomości pacjentów i leczenia zaburzeń, umożliwiając obserwację przy łóżku pacjenta w trakcie utraty i odzyskiwania świadomości podczas snu, znieczulenia, śpiączki itp. Aktualnie brakuje jasnych wytycznych behawioralnych bazujących na funkcji mózgu, niezwykle istotnych dla intensywnej terapii. Wyniki odegrają również ważną rolę w kontekście interfejsów mózg-maszyna, na przykład takich jak te wykorzystywane do przywracania funkcji czuciowych, oraz przyszłych architektur AI.
Kraje
Szwajcaria
