MÓZG,UMYSŁ - ROZWÓJ.pdf - Umysl - betty11

Jak działa mózg - spis tre ś ci .

9. Mózg i umysł : rozwój.

9.1. Mózgi "z grubsza"

Trudno jest dokładnie zdefiniowa ć umysł , gdyż każde pojęcie używane potocznie (w

odróżnieniu od ściśle zdefiniowanych pojęć naukowych) ma wiele różnorodnych

znaczeń.

Umysł to zbiór funkcji określających te procesy, które możemy sobie uświadomić,

obejmuje więc funkcje psychiczne związane z spostrzeganiem, zapamiętywaniem,

odczuwaniem emocji, myśleniem, uczeniem się, skupianiem uwagi, podejmowaniem

decyzji, samoświadomością i reprezentacją siebie.

Pojęcie umysłu może również uwzględniać te procesy nieświadome, które wpływają w

dający się zauważyć sposób na procesy świadome.

Ciągle wracają antyczne pomysły na temat ducha i duszy , jako synonimy

umysłu i świadomości niezależnej od ciała.

Przez parę tysięcy lat ten kierunek myślenia prowadził jedynie do

paradoksów, nie przyczyniając się do żadnego postępu.

Największe postępy w rozumieniu umysłu wynikły z badań nad mózgiem.

Umysł jest tym, co robi mózg , a raczej niewielką częścią tego, co robi

mózg.

Do niedawna była to jedynie hipoteza, ale rozwój badań nad mózgiem w

ostatnich dziesięcioleciach to całkiem zmienił i nie ma już wątpliwości, że tak

jest.

Co więc robi mózg? Bez tej wiedzy trudno jest dyskutować na temat umysłu.

Najpierw należy scharakteryzować mózgi z grubsza. Spróbujemy zrozumieć

sposób działania mózgu, powstawanie funkcji umysłowych, poświęcając

mniej czasu na szczegółowy opis działania zmysłów.

Badaniem mózgu zajmują się liczne "neuronauki" (ang. neurosciences ), od

neurochemii po psychologię eksperymentalną i nauki medyczne.

W Polsce używa się terminu " neurobiologia ", ale nie wszystkie neuronauki wywodzą się z biologii.

Neuronauki badają zjawiska zachodzące w skali czasowej od nanosekund do lat, i rozmiarach od metra do ułamków

nanometra.

Mo ż na je podzieli ć na :

Neuronauki na poziomie molekularnym i komórkowym : neurochemia , neuroendokrynologia , neurogenetyka ,

neurochirurgia , neurofarmakologia, neuropsychofarmakologia , neurobiologia neuronów, biofizyka neuronów ...

Neronauki zajmujące się rozwojem i dojrzewaniem układu nerwowego , od stadium embrionalnego.

Neuroanatomia , anatomia porównawcza mózgów.

Neuronauki związane z chorobami układu nerwowego, takie jak neuropatologia , neurologia , neuropsychiatria ,

neuropsychologia , neuroin ż ynieria , psycho-neuro-immunologia ...

Neuronauki układów zmysłowych, specjalizuj ą ce si ę w badaniu działania zmysłów.

Neurofizjologi ę , zajmującą się badaniem funkcjonowania, neurofizjologi ę zachowania (behawioralną),

która jest nauką na pograniczu zagadnień mózg/umysł, zajmuje się badaniem związków stanów

mózgu i zachowania.

Neuronauki poznawcze , takie jak neurolingwistyka , szukające mechanizmów tworzenia się funkcji

afektywno-poznawczych, takich jak emocje, pamięć, uwaga, uczenie się, ...

Neuronauki komputerowe i systemowe , modelujące funkcje struktur neuronowych za pomocą symulacji

komputerowych i teorii matematycznych.

Każda z tych dziedzin wnosi specyficzną perspektywę i pozwala odpowiedzieć na szczegółowe pytania dotyczące wpływu

czynników biologicznych na psychikę i zachowanie.

Można oddzielić dwie szerokie perspektywy patrzenia na działanie mózgu: ewolucyjną i opisową.

Perspektywa ewolucyjna

Układ immunologiczny wybiera odpowiedzi na zagrożenia z ustalonego ewolucyjnie repertuaru, ucząc

się przez selekcję.

Czy mózg w procesach rozwojowych też uczy się wybierając sposoby działania z repertuaru

istniejących możliwości rozwiniętych w wyniku ewolucji, czy też uczy się całkiem nowych sposobów

reakcji i przetwarzania informacji?

Perspektywa ewolucyjna : selekcja sposobów działania mózgu przydatnych do przetrwania dokonała się na poziomie

odruchów naturalnych, percepcji (postrzegamy tylko to, co dla nas potencjalnie może być ważne), możliwości

rozumowania, a może nawet zdolności językowych.

Ewolucja wytworzyła specyficzne struktury mózgu odpowiedzialne za określone zachowania.

Uczenie się jest procesem selekcji możliwości wybranych przez naturę na drodze doboru naturalnego, konkurencją

pomiędzy neuronami, zespołami neuronów i całymi mózgami.

Dlaczego widzimy kolory? Dlaczego w takim, a nie innym zakresie?

Widzenie kolorów przydatne jest do odróżniania gatunków traw i postrzegania na odległość

dojrzałych owoców.

Potrzebny jest specyficzny układ wzrokowy analizujący informację o kolorze, dlatego

zwierzęta w różny sposób widzą kolory.

Oko człowieka i małp naczelnych ma 3 receptory kolorów (czopki), o maksimum

wrażliwości dla światła czerwonego, zielonego i niebieskiego.

Inne ssaki mają tylko dwa rodzaje czopków, a ssaki morskie tylko jeden rodzaj, więc

widzą monochromatycznie.

Ryby tropikalne i ptaki mają cztery rodzaje czopków, a gołebie aż pięć!

Pszczoły, bąki i niektóre inne owady mają 3 rodzaje czopków ale ich spektrum

przesuniętej jest powyżej czerwieni w stronę ultrafioletu, białe (dla nas) kwiaty mają

dla nich różne barwy - kolory kwiatów są dla owadów, a nie dla nas!

Motyle mają 6 fotoreceptorów, a skorupiaki ustonogie aż 12, ale w dichromatycznych

parach!

Każdy człowiek widzi kolory nieco inaczej.

Geny odpowiedzialne za widzenie w kolorze, np. gen OPN1LW w chromosomie X kodujący światłoczułe białko opsyn ę ,

biorące udział w detekcji czerwonego koloru, wykazuje bardzo dużą wariancję, prowadzącą do różnych form daltonizmu i

odmiennego widzenia koloru u kobiet i mężczyzn.

B. Verrelli, S. Tishkoff, American Journal of Human Genetics 2004.

Żmije widzą w podczerwieni , postrzegają bardziej ruch niż kształty, ich

szczęka służy za receptor niskich drgań, węszą stereoskopowo za

pomocą języka.

Orientacja i widzenie przestrzenne (stereoskopowe) przydatne jest

drapieżnym ssakom, gadom i ptakom (np. sowom), które mają oczy z

przodu głowy, ograniczony kąt widzenia (nie większy niż 100 stopni),

ale potrafią dobrze oceniać odległość.

Ssaki roślinożerne i niektóre ptaki mają oczy z boku głowy, widzą pod

znacznie szerszym kątem (nawet do 360 stopni), ale nie widzą

przestrzennie, słabiej oceniają odległości.

Widzenie dostarcza informacji pozwalających utworzyć map ę orientacji

przestrzennej , a więc przyczynia się do rozwoju specyficznych form

pamięci i przetwarzania informacji.

Tylko ludzie posługują się mow ą , może to wynikać z istnienia specyficznych struktur neuronalnych odpowiedzialnych za

mow ę , których brakuje w mózgach zwierząt.

Uczenie się mowy zachodzi szybko pomimo ubogiej stymulacji, braku dużej liczby przykładów negatywnych , czyli

nieprawidłowego użycia mowy.

Uczenie się danego języka nie jest oczywiście wynikiem selekcji, ale zdolność do rozumienia i nauki języka może nią być.

Zdolność do modulacji ruchu języka i strun głosowych wymaga precyzyjnego sterowania, którego nie mogą się nauczyć

zwierzęta.

Gen FOXP2 związany jest z zaburzeniami produkcji i rozumienia mowy u ludzi.

Gen ten jest też aktywny u ptaków w czasie uczenia się pieśni godowych, i gra rolę w rozwoju echolokacji u nietoperzy.

FOXP2 koduje białka, które znaleziono u ssaków, ptaków, ryb i gadów, a jego wersja (allel) u Neardentali była taka jak u

człowieka, sugerując podobny rozwój zdolności językowych.

Do czego potrzebny jest mózg?

Mózg potrzebny jest do kontroli złożonego zachowania.

Ptaki ś piewaj ą ce zwiększają w okresie godowym rozmiary swojego mózgu.

Co może się stać jeśli mózg przestaje być potrzebny?

Młoda żachwa pływa, ma mózg i

powrózek nerwowy, podobna jest

do kijanki.

Po osiągnięciu dojrzałości

przytwierdza się do skały.

Stopniowo wchłania swój mózg -

nie jest już potrzebny.

Pozostaje tylko węzeł nerwowy

przydatny do kontroli filtrowania

pokarmu.

Wniosek: ruch jest bardzo ważny, kontrola ruchu wymaga przetwarzania informacji przez mózgi.

Generatory wzorców (CPG, Central pattern generators) wywołują rytmiczne skurcze mięśni.

CPG odpowiedzialne są za wężowate ruchy ryb, ruchy nagarniające u skorupiaków, filtrację pokarmu, ruchy

stomatogastryczne, ruchy skrzydeł, ćwierkanie cykad i świerszczy, drżenie wibrysów, oddychanie, bicie serca.

Powielanie takich generatorów umożliwiło bardziej złożone ruchy u płazów i gadów, złożoną kontrolę oddechu potrzebną

przy rozowju mowy i połykaniu (u ludzi wymaga to koordynacji aż 25 mięśni).

Przetwarzanie informacji zmysłowej wymaga pamięci, która mogła powstać jako często powtarzające się wzorce

pobudzeń korelujące działanie CPG, pozwalając wyjść poza proste odruchy i stworzyć zlożone funkcje umysłowe.

Podstawową jednostką kory mózgu może być taki mikroobwód oscylacyjny , powstały z generatora ruchu, powielony w

milionach egzemplarzy, realizujący proste odruchy, pamięć, a potem inne funkcje.

Proces ewolucji takich generatorów można prześledzić badając je w prymitywych zwierzętach, skorupiakach, minogach,

rybach, salamandrach, gadach.

Ogólna anatomia i budowa komórkowa większości organizmów jest bardzo podobna.

Różnice zachowań gatunków zwierząt są wyrazem różnicy budowy mózgów.

Perspektywa ewolucyjna odpowiada na pytanie "dlaczego" dana funkcja istnieje, a opisowa na pytanie

"jak jest realiowana" na poziomie genetycznym, budowy ciała i działania mózgu.

Antropologia ewolucyjna bada relacje pomiędzy zachowaniami społecznymi a ewolucją człowieka i

małp naczelnych.

Biologa ewolucyjna widzi rozwój zdolności poznawczych człowieka z punktu widzenia problemów

adaptacji.

" Neuronalny Darwinizm " rozciąga perspektywę ewolucyjną na procesy zachodzące w mózgu,

skupiając się na uczeniu przez selekcję możliwości.

Niemowlę może nauczyć sie wszystkiego, co ludziom dostępne, ale dorastanie i starzenie to utrata potencjalnych

możliwości.

Czego można się dowiedzieć z badania dzieci zdziczałych , wychowywanych w izolacji lub wśród zwierząt?

Znanych jest ponad 100 takich przypadków , pokazujących jak ważne jest wczesne wychowanie.

Czy pomimo braku kontaktów z mową będą w stanie się jej nauczyć?

Eksperymenty z deprywacj ą mowy prowadzono już w starożytności: jakim językiem mówili Adam i Ewa?

Historyk starożytny Herodotus pisał , że faraon Psammetichus I (Psamtik) nakazał wychować parę dzieci w izolacji przez

pasterza niemowę; kiedy jedno z nich zawołało "bee" wywnioskowano, że to język frygijski, bo brzmiało to jak "chleb" w

tym języku.

Jak pisał zakonnik Salimbene di Adam w Kronikach, w XIII wieku Cesarz Imperium Rzymskiego Frederick II próbował

wychowywać niemowlęta bez kontaktu z mową, ale żadnych słów nie usłyszał.

Jakub V Stwart w XV wieku trzymał dwoje dzieci w pomieszczeniach pod opieką niemowy; ponieważ nie nauczyły się

mówić słusznie wywnioskował, że język nie jest wrodzony.

Akbar Wielki zrobił podobny eksperyment i uznał, że słyszenie mowy jest konieczne do jej nauki.

Więcej na temat feral children , czyli dzieci zdziczałych, oraz Feral Children w Wikipedii.

Mało wiemy o osobach głuchych, których nie nauczono języka w dzieciństwie; takich osób jest dość dużo w krajach

rozwijających się.

Chociaż nie potrafią zrozumieć wielu pojęć, rozwinąć "teorii umysłu" innych ludzi, radzą sobie w życiu wykonując proste

prace.

Osoby głuche, które potrafią czytać, mogą mieć wrażenia słuchowe a ich myślenie ma charakter symboliczny, podobny do

osób słyszących.

Specyficzne zaburzenie rozwoju językowego (specific language impairment, SLI) wyraża się trudnościami w rozumieniu

złożonych struktur językowych, uboższym słownictwem.

Na SLI cierpi około 5% ogólnej populacji, ma to podłoże genetyczne, daje podobne efekty do późnego uczenia języka

migowego, które uznaje się za efekt czysto środowiskowy.

Literatura:

M. Marschark, P.C. Hauser, Deaf Cognition, OUP 2008.

Laurence B. Leonard, SLI - specyficzne zaburzenie rozwoju językowego, GWP 2006

9.2. Geny i mózgi

Czy możliwości człowieka są w pełni zdeterminowani przez geny?

Czy istnieje determinizm genetyczny ?

Czy w genach jest dostatecznie dużo informacji by w pełni określić strukturę mózgu?

Złożoność informacji genetycznej.

J ę zyk genetyczny DNA ma 4 litery, kombinacje par zasad

nukleinowych.

A-T, T-A, G-C, C-G

A=Adenina, T=Tymina, G=Guanina, C=Cytozyna

Kodony : 3 litery to jedna sylaba, 4*4*4=64=2 6 możliwości.

Sylaby kodują wytwarzanie 20 aminokwasów łączących się w łańcuch

białkowy, np. AAA to lizyna.

Gen to wyró ż niony funkcjonalnie odcinek DNA (koduje zwykle kilka

fragmentów zwanych egzonami, przedzielonych intronami), kodujący

złożone z łańcuchów aminokwasów białka budujące komórki lub

kontrolujące procesy w komórkach (enzymy).

Białka tworzą się w wyniku ekspresji i transkrypcji informacji zawartej w

genach .

Genom człowieka (mapowanie pierwszego ludzkiego genomu

zakończono w 2003 roku po 13 latach) zawiera nie więcej niż 20-25

tysi ę cy genów kodujących białka, zaskakująco mało, bo robaki mają

19.000 a muszka owocowa 13.500!

Najprostsza bakteria ma ok. 500 genów, wirusy i fagi (wirusy atakuj ą ce

bakteri ę ) mają od kilku do kilkuset genów.

Niektóre rośliny, płazy, małże a nawet insekty mają znacznie dłu ż sze

genomy niż ssaki (rośliny nawet 1000 razy!), ale liczba genów nie jest mocno większa.

Człowiek ma 3.2 mld par zasad (bp), a ameba ma najdłuższy znany genom, 670 mld bp, a ryba prapłetwiec abisyński ma

130 mld bp!

Tylko około 1.5% DNA człowieka to geny kodujące białka, reszta to introny (fragmenty genów niekodujące białek), geny

kodujące RNA , sekwencje regulacyjne , i " junk DNA ", którego funkcji nie znamy.

Prawdopodobnie jest to materiał, na którym przyroda może poeksperymentować.

Złożoność sieci genetycznych , oddziaływań białkowych, może się znacznie różnić mimo podobnej liczby genów, w

szczególności mają na na nią wpływ fragmenty niekodującego DNA, w których wykryto liczne polimorfizmy pojedynczych

nukleotydów (SNP).

Nić DNA ma ok. 2 m długości i zwinięta jest w 23 parach chromosomów .

Chromosom 1 ma 245 milionów par zasad (liter), chromosom 21 ma 47 milionów par zasad.

Cały genom człowieka ma ok. 3.2 mld liter = 1 mld sylab.

Całkowita długość nici DNA w naszym ciele jest więc rzędu 10 12 -10 13 metrów, lub 10 do 100 mld kilometrów.

Odległość Ziemi od Słońca to ok. 1.5 x 10 11 , więc 10 razy mniej!

Liczba bakterii przewyższa liczbę komórek o ponad rząd wielkości ... jesteśmy hybrydami komórkek i bakterii !

Informacja: sylaba to 3 pary, każda 4 litery, czyli 64 możliwości, więc potrzeba 6 bitów, bo 2 6 =64.

Do zapisania genomu potrzeba więc 6 bitów/sylabę x 1 mld sylab = około 6 Gbitów , mniej niż 1 GBajt.

Jest to 250 tomów po 1000 stron, ok. 12 metrów półek, ale obecnie mieści się na łebku szpilki w pamięci

półprzewodnikowej.

Ilość informacji genetycznej nie wzrasta od miliardów lat, jedynie jej organizacja się zmienia.

Liczba komórek w ciele człowieka jest rzędu 10 13 -10 14 .

Płeć genetyczną determinują chromosomy płciowe , czyli XX u kobiet a XY u mężczyzn.

Chromosom X ma wyjątkowo dużą liczbę genów związanych z mózgiem, więc większość zdolności dziedziczona jest po

kądzieli.

Ewolucja pozagenetyczna zachodzi dzięki informacji gromadzonej w mózgu.

Jak ocenić ilość informacji w mózgu?

9.3. Mózgi w liczbach i przetwarzanie informacji

Mózg człowieka w liczbach .

Masa: niemowlę średnio 350 gramów, ok. 12% całkowitej wagi ciała.

Dorosły średnio 1375 gramów (od 1.0-2.5 kg), kobiety średnio 150 gramów mniej, ale ten sam stosunek masy mózgu

do masy ciała.

Mózg Einsteina miał 1230 gramów, a więc tyle co średnia dla kobiet.

Masa mózgu to ok. 2% całkowitej masy ciała.

Objętość to ok. 1.4 litra.

Masa mózgu na osi pionowej; masa ciała na poziomej; ź ródło rysunku .

Ich stosunek nazywa się czasem współczynnikiem encefalizacji .

Ludzie > małpy naczelne > inne ssaki (rzędu 1/100) > ptaki > gady > płazy > ryby

Dinozaur o masie wieloryba miałby mózg 100 razy lżejszy.

Najci ęż szy mózg ważył 9.2 kg i należał do kaszalota.

Kora mózgu delfina butlonosa osiąga 3745 cm 2 , znacznie wiecej niż 2275 cm 2 u człowieka, jest za to o połowę cieńsza i

ma trochę mniejszą objętość niż u ludzi.

Moc elektryczna mózgu : ok. 20-25 Watów, osiągana już w trzecim roku życia.

Zużycie energii: ok. 20% całowitego zużycia tlenu i 25% zużycia glukozy, przy 2% masy całego ciała;

mózg zużywa energie 10 razy szybciej niż inne części ciała.

Liczba stanów, jakie może przyjąć mózg jest teoretycznie nieograniczona, w praktyce niezwykle duża.

Liczba neuronów: ok. 40 mld neuronów, 30 mld móżdżek, > 8 mld kora, < 2 mld pozostałe.

Rozbieżności w literaturze są znaczne, tu podaję za G.M. Shepherd, The Synaptic Organization of the Brain, 1998, ale

często podaje się 100 mld neuronów, więc niepewność może być rzędu 2-3 razy.

Powierzchnia kory: ok. 2500 cm 2 ; delfiny, słonie i wieloryby mają znacznie większą powierzchnię kory.

Robak C. elegans , który ma 2/3 liczby genów człowieka, ma tylko 302 neurony , ale mrówki lub muchy już około 1/3

miliona, a karaluchy i pszczoły koło miliona.

Lista zwierz ą t uporządkowana w/g liczby ich neuronów.

Synapsy neuronów :

MÓZG,UMYSŁ - ROZWÓJ.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: