Vztah mezi prostředím a mozkovou aktivitou

V tomto textu se budeme zabývat vztahem mezi vnějším světem a neuronální aktivitou v mozku. Představíme tři způsoby, jak interpretovat vztah neuronové aktivity a prostředí. Podle první a asi nejintuitivnější představy aktivita mozku zrcadlí, reprezentuje prostředí. Podle druhé aktivita mozku vytváří model vnějšího světa. A dle třetí představy je základem pro organizaci aktivity mozku vnitřní organizace neuronových sítí. Tyto tři představy se nemusí vždy vzájemně striktně vylučovat. Postupně je probereme všechny, nejvíce se však budeme věnovat představě třetí.

Otázka vztahu mezi světem a mozkovou aktivitou se na první pohled může zdát triviální, protože v běžném životě zřídka rozlišujeme mezi prostředím, v němž žijeme, a jeho obrazem v naší mysli. Složitost vztahu mezi prostředím a naší představou o něm začne být patrná, když si uvědomíme, že naše představa o světě vzniká na základě interakcí a aktivity milionů nervových buněk, které jsou uzavřeny a izolovány v tmavé kostěné jeskyni naší lebky, bez přímého kontaktu s vnějším prostředím. Jediné spojení se světem zprostředkovávají nervové impulzy přenášející signály ze smyslových orgánů, které jsou prvním filtrem pro typ informace dostupné mozku. Je zřejmé, že informace zprostředkovaná lidským okem, uchem a dalšími smysly je jiná než u jiných živočišných druhů, u kterých se kvalita samotných smyslových orgánů liší, třeba u psa, nebo dokonce u netopýra. Jiné živočišné druhy vidí, cítí, slyší, co my ne, a naopak. Svět, ve kterém žijí, se jim jeví jinak. Druhým faktorem zásadně ovlivňujícím to, jak mozek vnímá svět, je skutečnost, že smyslové orgány neodrážejí detekované vlastnosti prostředí, ale interpretují je. To si ukážeme na příkladu zrakového systému.

Mozek reprezentující (zrcadlící) svět

Zrakový systém zejména v prvních krocích zpracování informace se snad nejvíc přibližuje představě o věrné reprezentaci vnějšího prostředí. Jednotlivé receptory rozprostřené po sítnici reagují na světlo různých barev, přicházející z jednotlivých částí prostředí, a jejich aktivita odráží prostředí bod po bodu (obr. 1A vlevo) jako pixely na obrazovce nebo body na pointilistickém obrazu (obr. 1B vlevo). Ale už v samotné sítnici dochází v dalších vrstvách neuronů nikoli k věrnému přenosu obrazu, ale k jeho interpretaci. Aktivita u těchto neuronů neodráží samotnou intenzitu dopadajícího světla, ale spíš kontrasty mezi světlem a tmou, a reaguje na světlé body na tmavém pozadí nebo naopak (obr. 1A uprostřed). Z těchto signálů se v dalších stupních zrakového systému v talamu a mozkové kůře vytváří aktivita, která odráží třeba přítomnost pruhů světla orientovaných různými směry a jejich pohyb (obr. 1A vpravo). Místo toho, aby neurony věrně reprezentovaly dopadající obraz, což je často naše intuitivní představa, vybírají si některé specifické rysy obrazu, důležité linie, barevné plochy (obr. 1B) a tuto informaci kódují a přenášejí k dalšímu zpracování.

A. Schematické znázornění typů odpovědí neuronů v různých fázích zpracování zrakové informace. Receptory na sítnici reagují na světlo dopadající na jednotlivá místa sítnice (vlevo), neurony hlouběi v sítnici reagují například na kontrastní světelné body na tmavém pozadí (uprostřed) a neurony v mozku reagují například na pruhy světla různé orientace na tmavém pozadí (vpravo).

B. Zatímco topografická reprezentace světla v receptorech sítnice může připomínat pointilistickou malbu (Theo van Rysselberghe - portrét Mathildy Vereekenové), neurony hlouběji v mozku kódují informaci rozloženou na kontrastní linky a barevné plochy evokující kresbu Pabla Picassa (portrét Igora Stravinského) nebo dílo Paula Klee (Člověk budoucnosti).

Mozek vytvářející model světa

Dobrým příkladem pro vysvětlení tohoto pohledu na neuronální aktivitu je systém reprezentující prostorové vztahy a podporující prostorovou orientaci. Detailněji byl popsán v našem předešlém článku (K. Ježek a E. Kelemen, Vesmír 94, 176, 2015/3). Pro naši současnou diskusi připomeneme, že systém pro prostorovou orientaci v sobě obsahuje neurony, jejichž aktivitu nelze snadno popsat pomocí senzorických vstupů. Mnohem lépe se popisuje pomocí abstraktních pojmů jako prostor, místo nebo azimut. Konkrétně jde o poziční neurony, které se aktivují, když je např. potkan v určitém místě prostředí (obr. 2A), neurony směru hlavy, které jsou aktivní, když je hlava potkana orientována určitým směrem, a mřížkové neurony, jejichž aktivita je organizována podle pravidelného trojúhelníkového vzoru, pokrývajícího prostor (obr. 2B).