Má mozek svůj jazyk?

Končí století, v němž fyzikové přivedli na svět obecnou teorii relativity a neurovědcům se podařilo popsat většinu mechanizmů, podle nichž pracují neurony. Fyzikové sní o finální teorii, která by obecnou teorii relativity usmířila s kvantovou mechanikou, neurovědci marně hledají vysvětlení pro schopnost nervových buněk nastolit v mozku stav vedoucí k pocitu vědomí a rozhodování. Ve snaze přiblížit se finální teorii všeho (viz Vesmír 76, 523, 1997/9) pozorují fyzikové vesmír, hledají počáteční podmínky svých matematických modelů a vylaďují jejich konstanty tak, aby bylo možno předpovědět vznik inteligentní hmoty. Fyzika a neurovědy se zde určitým způsobem setkávají.

Když 18. dubna 1955 zemřel ve věku 75 let tvůrce obecné teorie relativity, byl pitvou v princetonské nemocnici pověřen Harry Zimmerman, ale (snad v důsledku rozrušení) požádal kolegu Thomase Harveye, aby ho nahradil. Pitva proběhla běžným způsobem až na to, že Harvey vyjmul z dutiny lebeční Einsteinův mozek, zvážil jej, ošetřil fixačním roztokem a odnesl si ho domů. O týden později svolal jakousi vědeckou minikonferenci, která měla rozhodnout o dalším osudu Einsteinova mozku. Odmítl však „relikvii“ vydat, a tím vyvolal několik roztržek, po nichž značně rozladění účastníci konference odešli.

Dny ubíhaly a Harvey se do studia Einsteinova mozku pustil na vlastní pěst. Nejprve ho vyfotografoval z různých úhlů, pak obě hemisféry rozřezal na 240 částí asi po 10 cm3, zafixoval celoidinem a uložil do dvou lahví od zavařeniny. Incident s kolegy a s ředitelstvím mezitím narostl do takových rozměrů, že Harvey dostal v Princetonu výpověď. Nezbylo mu než se podřídit, avšak dříve než odešel, vložil obě láhve do kartonové krabice, kterou při odchodu přibalil k svým osobním věcem.

Kde sídlí inteligence?

Během dalších dvaceti let jako by se po Harveyovi země slehla. Až v roce 1978 si editor týdeníku New Jersey Monthly vzpomněl na starou aféru a požádal mladého žurnalistu Stevena Levyho, aby se pokusil něco o osudu geniálního mozku vyšťárat. Levy po značném úsilí objevil Harveye ve Wichitě v Kansasu. Setkání komentuje: Nejprve mi nechtěl nic říci, pak však přiznal, že se Einsteinův mozek nachází přímo v místnosti, v níž sedíme. Vstal a došel ke krabici s nápisem „Mošt Costa“ a vyndal z ní dvě zavařovací sklenice, ve kterých plavaly zbytky mozku, jenž změnil svět. Levy o svém dobrodružství napsal článek a Harvey se tak na čas stal středem pozornosti mezinárodní vědecké komunity. Vědecké ústavy z celého světa mu nabízely spolupráci a snažily se od něj získat alespoň nepatrný kousek posvátného ostatku. Harvey jednou či dvakrát vyhověl, neboť doufal, že se tak jeho jméno stane známým ve vědeckých kruzích. Výsledkem však bylo jen několik krátkých sdělení v nepříliš významných časopisech. Jediným přínosem těchto prvních studií bylo zjištění, že Einsteinův mozek obsahuje pozoruhodné množství gliových buněk. Analyzovány byly bohužel jen vzorky z oblasti 9 a 39 (dle Brodmanna), a to z levé i pravé strany: v každé z těchto čtyř oblastí bylo o 51 až 120 % více gliových buněk než v průměru vypočítaného z jedenácti kontrolních vzorků ze stejných oblastí. Autoři však uvádějí, že vzhledem k poměrně vysokému rozptylu u kontrolních vzorků byly rozdíly statisticky významné pouze v levé oblasti 39.

Počátkem devadesátých let oslavil Harvey osmdesátku a snad při té příležitosti se rozhodl dát Einsteinův mozek k dispozici vědeckému zkoumání. Spojil se s laboratoří Sandry Witelsonové na McMasterově univerzitě v Kanadě a díky tomu vznikla v roce 1999 jejich společná práce, v níž porovnali jak hmotnost, tak rozměry některých anatomických oblastí fyzikova mozku s mozky pokládanými za normální. Jako hmotnost Einsteinova mozku uvedli hodnotu zjištěnou Harveyem před čtyřiceti lety a rozměry různých anatomických oblastí byly odhadnuty dle stejně starých fotografií. Kromě poněkud podprůměrné hmotnosti (1230 g) a několika nijak zvlášť průkazných anatomických odlišností nepřinesla tato studie žádná pozoruhodná zjištění. Článek byl otištěn v červnu téhož roku v Lancetu (353, 2149, 1999) a vzbudil řadu reakcí, většinou negativních. Kritika se zaměřila zejména na způsob, jímž se autoři na základě málo průkazných anatomických anomálií, navíc zjištěných značně archaickými metodami, snažili vysvětlit Einsteinovu genialitu.

Necháme-li stranou fakt, že nemáme k dispozici žádnou vyhovující definici inteligence či geniality a že i kdybychom takovou definici měli, nevíme, zda by se do ní Einstein vešel, musíme se podivit tomu, že se autoři vůbec pokoušeli najít vztah mezi vnějším vzhledem mozku a inteligencí. Přitom, jak v článku sami uvádějí, již počátkem 20. století neurologové marně hledali v anatomické stavbě mozku vysvětlení pro obdivuhodné mentální schopnosti některých vynikajících jedinců. Posmrtně tak byl analyzován mozek Gaussův, Bachův, Turgeněvův, Anatola France, Descartův – a již tehdy se ukázalo, že žádná závislost mezi vnějším anatomickým aspektem a inteligencí neexistuje. Jako příklad zde můžeme uvést, že např. hmotnost Turgeněvova mozku byla 2012 g, kdežto Anatol France vlastnil mozek o hmotnosti pouhých 1017 g. Například v dobře konzervovaném Gaussově mozku, zkoumaném nedávno pomocí magnetické rezonanční tomografie, nebylo zjištěno nic neobvyklého. Příčinu obdivuhodné schopnosti nervové tkáně stát se sídlem inteligence, vědomí a rozhodování musíme tedy hledat v něčem jiném. Ale v čem?

Jazyk mozku

Situaci dnešního neurovědce, který se na tuto dávnou a spíše neurofilozofickou než neurofyziologickou otázku snaží nalézt odpověď, lze přirovnat k muži z doby kamenné, který se nějakým zázrakem dostal do letadla letícího v noci nad osvětleným velkoměstem a podle jeho blikajících světélek se snaží pochopit, jak to v tom neznámém městě hluboko pod ním vlastně funguje. Tento těžký úděl vědců, kteří se podle vnějších projevů mozkové činnosti pokoušejí pochopit jazyk mozku, dobře charakterizuje povídka Oliviera Sackse Dvojčata (viz Vesmír 71, 288, 1992/5). Dvojčata John a Michael trpí autizmem, psychózami a těžkou retardací, a přesto mají některé neuvěřitelné schopnosti. Jednou z nich je bleskové určení dne v týdnu, na který připadne určité datum 40 000 let nazpět či 40 000 let dopředu. „Vypadá to, jako by měli vnitřní vidění,“ říká Olivier Sacks a dokládá to následujícím příkladem. Ze stolu spadla krabička sirek a obsah se rozsypal po zemi. „Stojedenáct“, vykřikli bratři okamžitě. Olivier Sacks sirky sesbíral a spočítal. Bylo jich opravdu 111. „Jak jste to mohli spočítat tak rychle?“ zeptal se jich. „Nic jsme nepočítali, viděli jsme to, viděli jsme 111,“ odpověděli bratři. Stejné historky se vyprávějí i o jiném zázračném počtáři, který dovedl na první pohled určit přesný počet kuliček hrachu z rozsypaného pytlíku. I on tvrdil, že počet kuliček prostě vidí. Zmíněná dvojčata však dokázala ještě překvapivější numerické výkony. Sacks si jednoho dne všiml, že spolu bratři sedí v koutě a s ta­jemným úsměvem se baví jakousi neznámou numerickou hrou. Olivier Sacks to popisuje takto: John vyslovil šestimístné číslo; Michael číslo opakoval, přikývl a usmál se. Vypadal, jako by to číslo vychutnával, převaloval na jazyku. Pak zase on vyslovil šestimístné číslo, Michael ho přijal a vychutnal. Zpovzdálí vypadali jako dva koštéři, kteří si předávají vína vzácných chutí a vůní. Olivier Sacks zůstal v pozadí a tajně si čísla poznamenával. Večer si pak doma vyhledal matematické tabulky a z nich zjistil, že všechna šestimístná čísla, která si bratři přihrávali, byla prvočísla. Následujícího dne si vzal tabulky prvočísel s sebou a tiše se k bratrům připojil. Počkal, až se opět ponoří do hry, a pak vyslovil osmimístné prvočíslo. Napřed na chvíli zmlkli, pak se oba hlasitě a šťastně rozesmáli. Po chvíli každý z nich pronesl další číslo, tentokrát devítimístné. Opět to bylo prvočíslo. Hra pokračovala, délka prvočísel se prodlužovala, až Olivier Sacks ze hry vypadl; jeho tabulky byly pouze desetimístné. Bratři si toho ani nevšimli a za hodinu byli ponořeni do dvacetimístných prvočísel. Přitom bratři nikdy nenahlédli do žádných matematických tabulek, a nemohli se tedy prvočísla naučit zpaměti. Neměli ani ponětí o základních principech matematiky, které vtloukáme dětem do hlavy od prvních školních let, takže bylo prakticky nemožné, aby si sami odvodili matematický postup, který by jim umožňoval prvočísla poznat. Vypadá to, jako by mozek některých postižených byl schopen provádět pozoruhodné numerické pochody, a to jaksi samovolně, bez jejich vůle a bez jakéhokoliv jejich přičinění. Vtírá se otázka, zda tyto jejich schopnosti nesouvisejí s nějakým obecným základním způsobem mozkové činnosti, na který je náš „normální“ způsob myšlení, uvažování a nazírání na realitu naroubován. Je docela dobře možné, že v raném dětství, v době, kdy si začínáme uvědomovat sami sebe, je již tento základní princip zcela přikryt tím, co náš mozek přijímal od nejútlejšího věku ze svého okolí. Pouze ve výjimečných případech, kdy mozek z určitého důvodu se svým okolím nekomunikuje, tak jako tomu bylo např. u autistických a retardo­vaných dvojčat, zůstane základní logika mozkové činnosti nezakryta. Také Einstein o sobě říkal, že se mu podařilo vidět a chápat svět jinak než ostatní lidé kolem něj právě proto, že v mládí se svým okolím nekomunikoval.

Olivier Sacks ve svých úvahách o dvojčatech dále srovnává jejich případ se stavem jiného silně retardovaného pacienta Martina, který nacházel v přísné a vznešené architektuře Bachovy hudby zřetelnou nejvyšší harmonii, řád Všehomíra, i když rozumově (koncepčně) mu Bachovy skladby nebyly přístupné, byl téměř idiot. Sacks z toho vyvozuje, že i dvojčata pracovala s čísly, která měla řád, protože i zde, stejně jako v hudbě, musí vládnout harmonie. Veliký a slavný Leibnitz jednou řekl, že radost, kterou nám přináší hudba, je radost z výpočtů nevědomých. Hudba není nic jiného než aritmetika našeho nevědomí. Není bez zajímavosti, že výjimeční matematici bývají často též dobrými hudebníky a Einstein v tomto ohledu nebyl výjimkou.

Matematický princip vnitřního jazyka

Představa, že mozková činnost je ve své nejhlubší podstatě založena na určitém vysoce výkonném matematickém principu, není nová. Jako příklad připomeňme hypotézu K. H. Pribrama (viz Vesmír 78, 547, 1999/10), podle níž se informace v mozku ukládají a vybavují prostřednictvím ortogonálních transformací, které se dají přirovnat k optickému hologramu. Matematický základ holografie původně navrhl Dennis Gabor a dle K. Pribrama některé aspekty mozkových funkcí realizují Gaborovu matematiku v té míře, že je lze rovněž pokládat za holografické. Zatím bohužel nemáme možnost rozhodnout, který z mnoha možných matematických principů náš mozek pro svůj vnitřní jazyk skutečně používá, neboť si neumíme řeč v tomto jazyce poslechnout. Jediné, co máme celkem slušně probádáno, jsou veličiny, s nimiž tento jazyk pracuje, a začínáme též poznávat vnitřní strukturu mozku – „technické vybavení“, jež jazyk mozku využívá. Jsme na tom tedy jako studenti, které pan profesor nutí, aby sledováním počítače chrlícího hromady dat odpozorovali strojový kód, jehož existenci předpokládají, neboť je zřejmé, že musel být někým vymyšlen, sestaven a do počítače zabudován. Navíc jim k usnadnění úkolu pan profesor povolí dívat se i do útrob počítače, aby se mohli na vlastní oči přesvědčit, jak je to všechno pospojované.

Vraťme se k mozku velkého fyzika. Již jsme se zmínili o tom, že se v určitých oblastech Einsteinova mozku nalézá překvapivě mnoho gliových buněk. V době, kdy byla tato informace publikována, nevzbudila téměř žádný ohlas, neboť gliové buňky zůstávaly dlouho stranou vědeckého zájmu. Přitom neurovědci od začátku věděli, že gliové buňky, jichž je v nervovém systému daleko více než buněk nervových, jsou na mnoha místech s neurony v těsném kontaktu. Gliovou buňkou, která se v mozku vyskytuje nejčastěji, je astrocyt (obr. na s. 379 vlevo dole). Má protáhlé výběžky, které poněkud připomínají neuronální dendrity. Těmi výběžky jsou astrocyty propojeny jednak mezi sebou, ale též s jinými druhy buněk, včetně nervových. Zdánlivě volný prostor mezi astrocyty je ve skutečnosti vždy vyplněn jinou tkání, například dendritem a jeho trny. Již beztak vysoce výkonné neuronální procesy zpracování informace by mohly být ještě umocněny funkčním připojením dalšího buněčného typu.

O schopnosti gliových buněk udržovat chemické složení extracelulárního prostředí v optimálních mezích pro správnou činnost neuronů by bylo možno napsat samostatné pojednání a jiná kapitola by vydala na popis jejich role jako dodavatele energetických substrátů nervovým buňkám. Vše ale nasvědčuje tomu, že se nějakým způsobem podílejí i na zpracování neuronálních elektrických signálů. Na první pohled se tato hypotéza zdá odvážná, neboť o gliových buňkách je známo, že nejsou schopny elektrického vzruchu. Na druhou stranu víme, že se v jejich membráně nacházejí téměř všechny napěťově závislé iontové kanály, které známe z buněk nervových, a na jejich povrchu jsou receptory citlivé na většinu známých neurotransmiterů. Proč by gliové buňky měly být vybaveny téměř všemi nástroji, které k své práci používají neurony, kdyby se jejich činnosti nijak nezúčastňovaly?

Je mozek naprogramován?

Svého času vzbudil pozornost objev, že se v gliových buňkách často prudce změní koncentrace intracelulárního vápníku. Zjistilo se, že se vápníkové oscilace přenášejí z jednoho místa uvnitř buňky na druhé, popřípadě formou jakýchsi vln přeskakují na buňky další. Pro nás je důležité, že vápníkové vlny mohou být vyvolány buď elektrickým podrážděním, nebo aplikací určitých neurotransmiterů, např. glutamátu. Takto vyvolaná vápníková vlna se šíří astrocytárním syncitiem (soubuním) podobně, jako se šíří elektrický vzruch nervovými vlákny (byť pomaleji), a může být považována za druh přenosu informace. Zvlášť zajímavé je, že astrocytární vápníková vlna ovlivňuje membránový potenciál nejbližšího neuronu natolik, že v něm může vyvolat elektrický vzruch. Mechanizmus, kterým vápníková vlna ovlivňuje neuronální membránový potenciál, není znám. Jednou z možností by však mohl být vápníkem aktivovaný výlev určitého neurotransmiteru. Stejně tak platí i opačný mechanizmus: elektrický vzruch je schopen v nejbližším astrocytu spustit vápníkovou vlnu. Propojením obou mechanizmů, neuronálního s gliovým, se tím ještě dále umocňují již beztak výjimečné schopnosti mozku. Z hlediska vybavení příslušnou „výpočetní technikou“ se tedy zdá, že by mozek měl být schopen řešit téměř neomezené matematické úkoly, a můžeme si docela dobře představit, že tak činí na základě nějakého jazyka specifického pro mozkovou funkci.

Při snaze najít vhodný matematický aparát pro takový jazyk však narážíme na problémy, které nás vracejí k úvodní myšlence našich úvah: ke vztahu fyziky a inteligentní hmoty. Z důvodů, jejichž popis a vysvětlení překračuje rámec tohoto pojednání, které jsou však důsledkem jedné z mnohých variant Gödelovy věty, nelze některé logické úvahy abstraktní matematiky naprogramovat ani pomocí těch nejdokonalejších počítačů. Roger Penrose, jeden z nejvýznamnějších fyziků současnosti, tuto skutečnost vysvětluje tak, že matematické myšlení probíhá „nevýpočetním způsobem“. Jestliže tuto myšlenku aplikujeme na činnost mozku, dojdeme k jedné ze dvou následujících možností: Buď je mozek „naprogramován“ tak, že funkce jeho logických obvodů, a tedy i jeho jazyk, je podřízen matematické logice. Pak můžeme jeho činnost považovat za deterministickou a schopnou řešit většinu běžných situací, avšak pouze těch, které nejsou zatíženy požadavky vycházejícími z našich pocitů a dojmů. Jinými slovy, mozek pracující na základě deterministických principů vylučuje ze svých funkcí naši vůli. Druhou možností je připustit, že funkce mozku v sobě zahrnuje i řešení situací, které se vymykají přísné logice abstraktní matematiky, tedy situací, kde do rozhodování zapojujeme i intuici, pocity nebo vášně, tedy něco jako stav duše. Pak je ovšem třeba přijmout hypotézu, že některé funkční mechanizmy našeho mozku jsou založeny na podstatně komplexnějších základech, než jsou logické obvody, byť i velesložité, založené však na pouhém principu vypočitatelnosti.

Efekt kvantové provázanosti

Tyto úvahy vedou k řadě dalších otázek, na něž není lehké najít odpověď. Roger Penrose tvrdí, že rys nevypočitatelnosti se objevuje naprosto přirozeným způsobem při každém pokusu kombinovat obecnou teorii relativity s kvantovou mechanikou, a hned také dodává, že pro porozumění funkci synapsí je možná důležitá právě kvantová mechanika. Jeho teorie je založena na představě, že síla synapsí je ovlivňována činností mikrotubulů, což jsou trubkovité intracelulární struktury, které pomáhají buňkám v řadě funkcí. Nalézají se i v neuronech a jeho axonech a dendritech, kde slouží např. k intracelulárnímu transportu neurotransmiterů. V mikrotubulech, podle Penrosovy představy, existují jakési koherentní kvantové kmity, které zasahují do rozsáhlých oblastí mozku. Tím v mikrotubulech dochází ke kvantovému procesu ve velkém měřítku. Vznik kvantového mechanizmu v mikrotubulech je umožněn tím, že dění uvnitř trubiček je odizolováno od náhodných procesů v jejich okolí. Procesem ve velkém měřítku rozumí Penrose efekty kvantové nelokality neboli kvantové provázanosti. Tuto myšlenku původně formuloval Einstein a jeho kolegové Podolský a Rosen. Podstata tohoto jevu, který je z hlediska klasické fyziky nepochopitelný a tajemný, byla též v tomto časopise vícekráte popisována (viz např. Vesmír 76, 448, 1997/8). Připomeňme jen, že některé vlastnosti elementární částice jsou provázány s toutéž vlastností jiné částice, takže některé i velice vzdálené objekty nelze chápat jako nezávislé. Podle kvantové mechaniky tak musíme připustit, že jevy odehrávající se v určitém daném místě našeho mozku nejsou nutně lokální a že mohou být provázány s jinými jevy v jiných oblastech mozku. Tím se tento proces stává globální a mohl by tak být nějakým pro nás zdánlivě iracionálním způsobem zapojen do mechanizmů odpovědných za způsobilost mozku chovat se nedeterministicky a vytvářet tím něco jako prostor duševních stavů. Možná je v tomto způsobu chování někde skryt i návod k pochopení onoho tajuplného a nám zatím nesrozumitelného jazyka mozku.

Na začátku jsem se zamýšlel nad otázkou, zda je možné vysvětlit schopnost nervové tkáně stát se sídlem inteligence, vědomí a rozhodování. Čtenář jistě poznal, že najít uspokojivou odpověď se mi nepodařilo, na to jsou naše znalosti o mozku stále ještě neúplné. Navíc je těžké kteroukoliv z navrhovaných teorií, včetně výše zmíněné spekulativní a odvážné hypotézy Penrosovy, nějak experimentálně potvrdit či vyvrátit. I když nám podobné úvahy nepomohou vysvětlit, v čem vlastně tkví výjimečnost Einsteinova mozku, jsou snad přesto užitečné.