Ένας μυστηριώδης ηλεκτρομαγνητικός μηχανισμός μπορεί να είναι πιο σημαντικός από την πυροδότηση νευρώνων στον εγκέφαλό μας για την κατανόηση της λειτουργίας της συνείδησής μας. A mysterious electromagnetic mechanism may be more important than the firing of neurons in our brain to explain our awareness. Hiroshi Watanabe/Getty Images
Τον 19ο αιώνα ο φυσικός Χέρμαν φον Χέλμχολτς (Hermann von Helmholtz) φιλοδοξούσε να εξηγήσει διαμέσου φυσικοχημικών διεργασιών το φαινόμενο της ζωής, σε αντίθεση με την τότε δημοφιλή φιλοσοφική θεωρία της φυσιολογίας, τον βιταλισμό. Οι οπαδοί του βιταλισμού υποστήριζαν ότι τα έμβια όντα διαφέρουν από τα άψυχα αντικείμενα επειδή περιέχουν μια «ζωτική σπίθα», την οποία ορισμένοι πίστευαν ότι ήταν η ψυχή. Η σχολή του Χέλμχολτζ αμφισβήτησε αυτή τη θεωρία, δηλώνοντας ότι μόνο οι κοινές φυσικοχημικές λειτουργίες εμπλέκονται στη ζωή ενός οργανισμού. Από τότε μέχρι σήμερα οι φυσικοχημικοί νόμοι ερμήνευσαν, και εξακολουθούν να ερμηνεύουν πολλά μυστήρια της βιολογίας και της φυσιολογίας.
Όμως υπάρχουν ακόμα περίπλοκα και ακατανόητα φαινόμενα που σχετίζονται με την ζωή. Κραυγαλέο παράδειγμα είναι η ανθρώπινη συνείδηση. Ο τρόπος με τον οποίο λειτουργεί παραμένει ένα ανοιχτό ερώτημα μέχρι σήμερα.
Η ανθρώπινη συνείδηση πρέπει να σχετίζεται με την λειτουργία διαφόρων κυττάρων στον εγκέφαλο. Οι νευρώνες, είναι ένας εξειδικευμένος τύπος κυττάρων του εγκεφάλου μας που βρίσκεται στο επίκεντρο της σημερινής νευροεπιστήμης. Είναι οι βασικοί φορείς της ηλεκτροχημικής επικοινωνίας στον εγκέφαλο. Συμμετέχουν στην διάδοση των νευρικών σημάτων και την επεξεργασία πληροφοριών.
In 1943 American neurophysiologist and cybernetician of the University of Illinois at Chicago Warren McCulloch and self-taught logician and cognitive psychologist Walter Pitts published “A Logical Calculus of the ideas Imminent in Nervous Activity,” describing the “McCulloch - Pitts neuron , ”the first mathematical model of a neural network. Building on ideas in Alan Turing’s “On Computable Numbers”, McCulloch and Pitts's paper provided a way to describe brain functions in abstract terms, and showed that simple elements connected in a neural network can have immense computational power. The paper received little attention until its ideas were applied by John von Neumann , Norbert Wiener , and others. McCulloch (right) and Pitts (left) in 1949. Image Source: www.semanticscholar.org
Οι νευροεπιστήμονες προσπαθούν να εξηγήσουν την αντίληψη, την μνήμη, την γνωστική λειτουργία, ακόμη και την ίδια τη συνείδηση ως προϊόντα δισεκατομμυρίων τέτοιων μικροσκοπικών νευρώνων που εκτοξεύουν τις μικροσκοπικές αιχμές ηλεκτρικής τάσης τους μέσα στον εγκέφαλό μας.
Without them you wouldn't exist. They're the reason you can think, walk, breathe, move...be. And yet, you probably don't think about your neurons even though every second of your life, they're thinking for you. Credit: Scientific American. Διαβάστε σχετικά: «THE SPIKE, an epic journey through the brain in 2.1 seconds» – Mark Humphries
Αυτές οι ενεργητικές αιχμές όχι μόνο μεταφέρουν πράγματα όπως πόνο και άλλες αισθητηριακές πληροφορίες στο συνειδητό μυαλό μας, αλλά θεωρητικά είναι επίσης ικανές να εξηγήσουν κάθε λεπτομέρεια της πολύπλοκης συνείδησής μας. Τουλάχιστον κατ’ αρχήν. Οι λεπτομέρειες αυτής της «νευρωνικής κωδικοποίησης» δεν έχουν ακόμη διευκρινιστεί.
Ενώ οι νευροεπιστήμονες έχουν επικεντρωθεί εδώ και καιρό στις αιχμές που ταξιδεύουν στα εγκεφαλικά κύτταρα, τα φαινόμενα «εφαπτικού» πεδίου (“ephaptic” field effects) μπορεί τελικά να είναι ο πρωταρχικός μηχανισμός για την γνωστική λειτουργία. Πρόκειται για ένα ενδιαφέρον αναδυόμενο πεδίο έρευνας στην νευροεπιστήμη. Αυτά τα φαινόμενα, που προκύπτουν από τα ηλεκτρικά πεδία που παράγονται από τους νευρώνες και όχι από τις συναπτικές πυροδοτήσεις τους, μπορεί να παίζουν πρωταγωνιστικό ρόλο στην κατανόηση της πολυπλοκότητας και της δυναμικής της ανθρώπινης συνείδησης.
Οι ερευνητές του εγκεφάλου έχουν από καιρό αναγνωρίσει ότι υπάρχουν διάφοροι τρόποι εκτός από την ‘πυροδότηση’ με την οποία θα μπορούσαν να επικοινωνούν οι νευρώνες, όπως ο ελάχιστα γνωστός μηχανισμός που είναι γνωστός ως εφαπτική σύζευξη (ephaptic coupling). Αυτή η σύζευξη προκύπτει από ηλεκτρομαγνητικά πεδία στη μέση και μεγάλη κλίμακα αλληλεπιδράσεων του εγκεφάλου, μαζί με πεδία πολύ μικρότερης κλίμακας που συνοδεύουν συναπτικές αιχμές (που προέρχονται από την δραστηριότητα ενός τύπου Η/Μ πεδίων υψηλής τοπικότητας) και λειτουργούν σε κλίμακα νανομέτρων.
Οι νευρώνες του αμφιβληστροειδούς, για παράδειγμα, λειτουργούν χωρίς νευρική πυροδότηση. Αυτά τα κύτταρα χρησιμοποιούν έναν τύπο ηλεκτροδιάχυσης, τη διάχυση φορτισμένων σωματιδίων χωρίς συνάψεις, τα σημεία σύνδεσης μεταξύ των νευρώνων. Η ηλεκτροδιάχυση περνά κατά μήκος ενός σήματος στο οπτικό νεύρο με πολύ γρήγορους ρυθμούς και με υψηλό εύρος ζώνης. Δεν θα μπορούσαμε να δούμε χωρίς αυτό.
Το «εφαπτικό» στην εφαπτική σύζευξη σημαίνει απλώς «αγγίζω». Αν και δεν είναι πολύ γνωστά, τα φαινόμενα εφαπτικού πεδίου προκύπτουν από τις ηλεκτρικές και μαγνητικές αλληλεπιδράσεις που περιγράφονται στα σχολικά βιβλία. Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι αυτές οι ίδιες δυνάμεις παίζουν μεγαλύτερο ρόλο στον εγκέφαλο από ό,τι υποπτευόμαστε και ίσως ακόμη και στη συνείδηση.
Τα φαινόμενα εφαπτικού πεδίου περιγράφονται με αξιόλογο τρόπο σε μια εργασία του 2019 από το εργαστήριο Case Western Reserve του Dominique Durand. Αυτό το εργαστήριο έδειξε ότι ο εγκεφαλικός φλοιός του ποντικιού επηρεάστηκε χωρίς συναπτικές συνδέσεις – εκ φύσεως, με αλληλεπιδράσεις εφαπτικού πεδίου. Βρήκαν ότι η επίδραση μειώθηκε μετά από μια ορισμένη απόσταση, όπως θα περιμέναμε. Σε απόσταση 400 μm ή περισσότερο, το φαινόμενο του εφαπτικού πεδίου στην ουσία εξαφανίστηκε. Αυτά τα αποτελέσματα θεωρήθηκαν τόσο σημαντικά από τους κριτές της εργασίας που ζήτησαν από το εργαστήριο Durand να αναπαράγει τα αποτελέσματα όχι μία αλλά δύο φορές πριν εγκρίνουν τη δημοσίευσή της.
First order model for interaction of electric fields with elongated neurons. On the left, pyramidal neuron population from the human cortex (edited from “Comparative study of the sensory areas of the human cortex” by Santiago Ramon y Cajal, published in 1899, Wikipedia Public Domain). On the right, realistic model of the electric field generated by a current a dipole located at x in the cortex. The orientation of the generating dipole or neuron population and the sensing population (at point y) both play a role. Copyright: © 2020 Ruffini et al.
Μια άλλη ερευνητική ομάδα συνέκρινε την ταχύτητα των επιδράσεων του εφαπτικού πεδίου σε διάφορους ιστούς, διαπιστώνοντας ότι η ταχύτητα διάδοσης των εφαπτικών πεδίων στη φαιά ουσία είναι περίπου 5.000 φορές μεγαλύτερη από τη νευρική πυροδότηση. Επιπλέον, η πιθανή πυκνότητα πληροφοριών από τα εφαπτικά πεδία είναι έως και 125 δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη σε σχέση με την αντίστοιχη της συναπτικής πυροδότησης.
Πληθώρα αποδεικτικών στοιχείων δείχνουν ότι η συναπτική πυροδότηση είναι απαραίτητη για την κίνηση, την ακοή, το άγγιγμα και πολλά άλλα, αλλά δεδομένης της πολύ μεγαλύτερης πυκνότητας πληροφοριών στα εφαπτικά πεδία και της διάχυσης των εφαπτικών πεδίων, θα ήταν εξαιρετικά περίεργο αν η εξέλιξη δεν είχε ‘οικειοποιηθεί’ αυτό το αποτέλεσμα για σημαντικές εγκεφαλικές λειτουργίες. Πράγματι, φαίνεται ότι το έχει κάνει, με διάφορους τρόπους.
Neural correlates of consciousness include oscillatory and synaptic correlates, which are both types of electromagnetic field phenomena, at different spatial and temporal scales (Hunt et al., 2022).
Ο Walter Freeman δήλωνε σε μια εργασία του 2006 ότι οι παραδοσιακές ταχύτητες συναπτικής πυροδότησης δεν μπορούσαν να εξηγήσουν την ταχύτητα των γνωστικών λειτουργιών που είχε παρατηρήσει όλα αυτά τα χρόνια σε κουνέλια και γάτες. Αντίθετα, η πρόσφατη πληθώρα ευρημάτων εφαπτικών επιδράσεων αναδεικνύει έναν στέρεο μηχανισμό για να εξηγήσει αυτές τις ταχύτητες. Η πρόσφατη θεωρητική εργασία των Tam Hunt και Mostyn Jones, βασισμένη σε αυτά τα ευρήματα, πρότεινε ότι τα εφαπτικά πεδία μπορεί στην πραγματικότητα να είναι ο πρωταρχικός μηχανισμός για τη συνείδηση και τη νόηση, παρά η νευρωνική πυροδότηση.
The Anastassiou Laboratory is affiliated with the Department of Neurosurgery and Neurology, the Center of Neural Sciences and Medicine and the Regenerative Medicine Institute. The Anastassiou Laboratory studies how the molecular and cellular composition of neurons translates to their phenotype and how these properties combine in brain circuits to produce function or, in the case of disease, dysfunction. The Anastassiou lab has broad background in multi-modal cellular data (electrophysiology, anatomy, transcriptomics) and the development of state-of-the-art computational workflows (statistical learning, optimization and simulation) to understand cellular activity in behavior and disease. Uniquely, this work includes human brain tissue, both as a byproduct from surgery as well as from model systems such as human pluripotent stem cells. The Anastassiou Lab successfully pursues collaborations with clinicians to translate cellular and circuit findings to better understanding of diseases such as epilepsy and Parkinson disease as well as development of improved therapies. Credit: https://researchers.cedars-sinai.edu/Costas.Anastassiou
Μια άλλη πρόσφατη εργασία των Κώστα Αναστασίου και Christof Koch, επισημαίνει την σημασία των εφαπτικών φαινομένων. Διαπιστώνουν ότι πράγματι, η εφαπτική σύζευξη μπορεί να εξηγήσει τον «γρήγορο συντονισμό» που απαιτείται για την λειτουργία της συνείδησης «ακόμη και με την απουσία πολύ γρήγορων συνάψεων». Αυτή η εργασία θα μπορούσε να φέρει το πεδίο της επιστήμης του εφαπτικού πεδίου (ephaptic field) από τα περιθώρια της νευροεπιστήμης στο προσκήνιο. Τα ευρήματά της σχετικά με την ταχύτητα και τη διεισδυτικότητα των εφαπτικών φαινομένων μπορεί να προοιωνίζουν μια θεμελιωδώς νέα κατανόηση του τρόπου λειτουργίας της γνωστικής λειτουργίας και της συνείδησης.
Πηγές: https://www.scientificamerican.com/article/consciousness-might-hide-in-our-brains-electric-fields/ - https://physicsgg.me/2024/11/14/
