Uzyskaj dostęp do tej i ponad 250000 książek od 14,99 zł miesięcznie
Z tej książki dowiesz się:
• Czego komputery mogłyby nauczyć się od ptaków?
• Czy świat, który widzimy, istnieje naprawdę?
• Dlaczego w ciągu milisekundy jesteśmy w stanie rozpoznać w tłumie znajomą twarz?
• Czy świat widzimy oczami, czy mózgiem?
Mózg wydaje się najbardziej skomplikowaną strukturą na świecie. Od stuleci ludzie próbują go poznać, zdefiniować, odkryć mechanizmy jego działania. Richard Masland postanowił przyjrzeć mu się pod kątem zmysłu wzroku. I już we wstępie pisze: „świat, który widzicie, wcale nie jest identyczny z tym, który nas otacza!”.
Na pierwszy rzut oka mogłoby się wydawać, że proces widzenia nie jest niczym skomplikowanym. Bodziec wpada do oka, do siatkówki, i uruchamia mózg, a ten przetwarza to na obraz, który widzimy w głowie. Prawda wygląda jednak zupełnie inaczej. Percepcja, sieci neuronowe, przesyłanie informacji pomiędzy poszczególnymi neuronami, różnice między zmysłami wzroku, dotyku, słuchu – to wszystko składa się na fascynującą podróż w głąb ludzkiego umysłu. Przekonaj się, czego oczy nie widzą!
Książki dobre nie tylko w teorii!
Ebooka przeczytasz w aplikacjach Legimi na:
Liczba stron: 321
Odsłuch ebooka (TTS) dostepny w abonamencie „ebooki+audiobooki bez limitu” w aplikacjach Legimi na:
Wprowadzenie
Niniejsza książka opowiada o tym, jak to się dzieje, że widzimy. Myśliciele zastanawiali się nad tym już dawno temu, lecz większość ich pomysłów była dość naiwna jak na dzisiejsze standardy – oko rzeczywiście przypomina kamerę, widzenie jednak to proces dużo bardziej skomplikowany, niż takie porównanie sugeruje. Mogłoby się wydawać, że rozpoznanie twarzy przyjaciela to sprawa naturalna i prosta – do tego stopnia, że starożytni nawet nie dostrzegali w tym problemu – ale rzeczywistość wygląda zupełnie inaczej. Aby naprawdę zrozumieć proces widzenia, trzeba wiedzieć znacznie więcej niż to, jak działają oczy – trzeba zrozumieć, w jaki sposób mózg pojmuje otaczający nas świat.
Paradoksalnie mózg jest bardzo powolny: neurony i synapsy działają miliony razy wolniej od nowoczesnych komputerów. A jednak biją je na głowę w wielu zadaniach percepcyjnych. Rozpoznanie waszych dzieci na zatłoczonym placu zabaw zajmuje wam ledwie kilka milisekund. Jak wasze mózgi dokonują tej sztuki? W jaki sposób wyciągają znaczące wnioski na podstawie bodźców tak prostych jak plama światła, wibracja powietrza czy zmiana ciśnienia oddziałującego na skórę? Zgromadziliśmy jedynie okruchy wiedzy, lecz to, czego się dowiedzieliśmy, jest doprawdy fascynujące.
Jestem neuronaukowcem, zajmuję się mózgiem od dwudziestego piątego roku życia – kiedy nie było jeszcze takiej dyscypliny jak neuronauka – i moja praca pasjonuje mnie do dziś. Byłem świadkiem ewolucji naszego rozumienia funkcjonowania układu nerwowego i sam uczestniczyłem w badaniach. Główny wątek wyznacza w tej książce pytanie „Jak to się dzieje, że widzimy?”, a prześledzimy ten proces od siatkówki po najwyższe piętra układu wzrokowego ukryte głęboko w płacie skroniowym. Przy okazji jednak chciałbym oprowadzić was trochę po nauce i pokazać, jak wygląda praca u podstaw: jak się uprawia neurobiologię nie w popularnych programach telewizyjnych, lecz w laboratorium. Będą więc scenki rodzajowe z życia badacza, przedstawię również sylwetki kilkorga głównych graczy.
Prześledzimy cały proces widzenia krok po kroku. To pozwoli wam się przekonać, że świat, który widzimy, bynajmniej nie jest identyczny z tym, co nas otacza: podlega on segmentacji w siatkówkach oczu, po czym zostaje wysłany do mózgu odrębnymi kanałami przekazującymi specyficzne informacje cząstkowe o postrzeganym obrazie. Dowiecie się, jak odbywa się to przekodowanie obrazu w neuronach siatkówek i dlaczego tak się dzieje. Później przyjrzymy się drodze, po której sygnały z siatkówek biegną do mózgu, gdzie powstaje percepcja.
Mózg skrywa wiele tajemnic, ale wiemy na pewno, że większa jego część nie działa na zasadzie stałych połączeń między dwoma punktami, jak w telefonii, lecz na podstawie wielostronnych połączeń neuronów, które przypominają sieć pajęczą – w istocie układy takie nazywa się sieciami neuronowymi. Dziś wyrażenie to pojawia się najczęściej w kontekście informatycznym, trzeba jednak wiedzieć, że na pomysł sieci neuronowej wpadł ponad pół wieku temu kanadyjski wizjoner i prekursor neuronauki Donald Hebb, od którego dopiero jakiś czas później przejęli ją informatycy. W kolejnych dziesięcioleciach sieci neuronowe to wychodziły z mody, to znów wracały do łask, ale w końcu nowa generacja komputerów pozwoliła teoretykom informatyki stworzyć dyscyplinę zwaną uczeniem maszynowym, którą lepiej znamy pod pojęciem sztucznej inteligencji. Dzięki nim dowiedzieliśmy się, że komputerowe sieci neuronowe mogą się uczyć wykonywania niewiarygodnie trudnych zadań, a to skłoniło neuronaukowców do ponownego pochylenia się nad koncepcją sieci neuronowych w mózgu. Możemy więc mówić o sojuszu neurobiologii i informatyki, który wychodzi na dobre obu stronom.
Czy mózg wykorzystuje sieci neuronowe do interpretowania świata? Czy funkcjonuje na zasadzie uczenia maszynowego? Dzisiaj możemy chyba odpowiedzieć na te pytania twierdząco... dodając, że na razie mózg radzi sobie znacznie lepiej od komputerów. Nie ulega wątpliwości, że pewne czynności maszyny wykonują oszałamiająco sprawnie – nie tylko umieją grać w szachy, lecz uczą się o wiele bardziej złożonych rzeczy. Na ogół jednak sztuczna inteligencja to katarynka, która potrafi grać tylko jedną melodię. Co więcej, nawet najprostsze jej wersje to cała masa sprzętu, który pożera ogromne ilości energii. Tymczasem nasz mały mózg potrafi wykonywać mnóstwo najróżniejszych zadań, zużywając mniej energii niż lampka nocna. Biorąc to pod uwagę, powiemy raczej, że komputer to bardzo kiepski mózg. I rzeczywiście – dziś wszystkie wysiłki naukowców są skoncentrowane na tym, by komputer bardziej przypominał mózg.
U podstaw uczenia maszynowego leży założenie – o którym mówił już Hebb – że sieć neuronowa oparta na stałych połączeniach nie zdziała zbyt wiele. Zasadnicze znaczenie ma tutaj to, że synapsy łączące neurony w sieci neuronowej (czy naśladujące je „neurony” w komputerze) mogą być modyfikowane przez doświadczenie. Owa plastyczność to reguła powszechnie obowiązująca w mózgu, nie tylko w układach sensorycznych. Dzięki niej mózg może się regenerować po uszkodzeniu czy przeznaczać nadprogramowe zasoby na szczególnie ważne zadania. W procesie widzenia sieci neuronowe mózgu mogą się uczyć przewidywać tożsamość obiektu w świecie rzeczywistym – dopełniać surową informację z siatkówki już znanymi, widzianymi wcześniej obrazami. W skrócie oznacza to, że zasadą percepcji nie jest niezmienna reakcja na scenę wzrokową, lecz uczenie się; sieci neuronowe w mózgu rozpoznają określone połączenia postrzeganych cech.
Na ile pomoże nam to zrozumieć, czym rzeczywiście są percepcja, myślenie i emocje? Nie znamy dokładnej odpowiedzi na to pytanie, niemniej rozwiązanie tej zagadki widać już na horyzoncie. Weryfikowalne wyniki badań naukowych to początek podróży – dzięki nim dotrzemy do punktu granicznego, w którym wrażenia zmysłowe przekształcają się w percepcję i myśl.
I ostatnie pytanie: „Gdzie w tym wszystkim jestem »ja«?”. Bardzo łatwo mówić o mózgu, kiedy patrzymy na niego okiem postronnego obserwatora, ale gdzie jest ta osoba, która – jak sobie wyobrażamy – patrzy naszymi oczami? Na tym polu stawiamy dopiero pierwsze kroki, nieuchronnie bowiem zderzamy się z kwestią natury świadomości, z problematyką podmiotowości. Poruszymy ten temat na końcu książki, pozostawiając go bez rozstrzygnięcia, gdyż możemy najwyżej podjąć próbę wyraźniejszego sprecyzowania tych zagadnień.
Część pierwsza
Pierwsze etapy widzenia
W latach sześćdziesiątych XX wieku Jacob Beck prowadził kurs uniwersytecki zatytułowany „Percepcja”. Studenci, którzy zapisali się na niego, spotykali się w niewielkiej auli wciśniętej w narożnik gmachu Memorial Hall, dziewiętnastowiecznego kolosa z brązowego piaskowca wzniesionego dla upamiętnienia absolwentów Uniwersytetu Harvarda, którzy zginęli podczas wojny secesyjnej. Amfiteatralna sala mieściła mniej więcej sto drewnianych pulpitów powleczonych stuletnią warstwą pożółkłego pokostu. Całą ścianę za katedrą zajmowała czarna tablica. Wysoko na lewej ścianie znajdowało się parę okien, ale tak naprawdę wnętrze oświetlało kilka żarówek, które zalewały je łagodnym żółtym światłem. Trzydzieścioro, może czterdzieścioro studentów rozsiadało się po całej sali.
Beck okazał się bezpośrednim wykładowcą, czego można się było zresztą spodziewać po kimś, kto nazwał swój kurs jednym prostym słowem. Był miły, ale nie zawracał sobie głowy czarowaniem studentów; jego misja polegała na wyłożeniu przygotowanego materiału w sposób klarowny i usystematyzowany. Miał szczegółowe notatki i trzymał się ich. Pierwsze minuty wykładu poświęcał na przypomnienie najważniejszych zagadnień omawianych poprzednim razem.
Beck nie musiał być showmanem – prezentowany przez niego materiał był fascynujący sam w sobie. Oczywiście uczył nas podstaw: nacisk na skórę odkształca końcówkę nerwu, który przez rdzeń kręgowy przesyła sygnał do mózgu. Niektóre receptory w skórze sygnalizują lekki dotyk, inne ciepło, a jeszcze inne służą do wykrywania ruchu po powierzchni ciała, na przykład kąsającego owada, który z gałęzi drzewa skoczył człowiekowi na ramię. Wszystko to było bardzo ciekawe, niemniej najbardziej pasjonujące zagadnienie wiązało się z rozpoznawaniem obiektów; zgromadzeni w sali dziewiętnastolatkowie czuli, że Beck rzuca im wielkie wyzwanie.
Z jednej strony jest to problem sensoryczny – jak działa oko, jak przesyła sygnały do mózgu. Sprawa łączy się jednak z szeroko rozumianą percepcją: z myśleniem, zapamiętywaniem, naturą świadomości. Możemy wskazać palcem ścieżki, którymi biegną wrażenia zmysłowe. Możemy rejestrować przesyłane nimi sygnały elektryczne. Mamy sposoby na to, aby wyłuskać z neuronów odpowiedź na pytanie, co widzą. Wiemy obecnie bardzo wiele o tym, co się dzieje z owymi sygnałami sensorycznymi – jak są przesyłane między kolejnymi stacjami w mózgu. To znów pozwala nam zmierzyć się z pytaniami ogólniejszej natury; na tym polu mamy już trochę pewnych, sprawdzonych informacji. Powoli zaczynamy rozumieć, jak mózg przetwarza sygnały zebrane z ciała. Omawiając widzenie krok po kroku, podążamy do miejsca, gdzie zdołamy być może uchylić rąbka największych tajemnic.
Rozdział 1
Cud postrzegania
Te gruszki to nie wiole,
Nie akty na płótnie, nie butelki.
Niczego nie przypominają.
Są żółtymi formami
Złożonymi z krzywych linii,
Które zaokrąglają się ku podstawie.
Musnęła je czerwień.
– Wallace Stevens[1]
Przyjrzyjcie się trzem twarzom poniżej. Mimo że zdjęcia są nieco rozmazane i kontrast jest słaby, będziecie w stanie odróżnić je od siebie – kobieta po prawej ma wydatne kości policzkowe, a chłopiec obok niej ma mocny podbródek. Gdyby któreś z tych zdjęć przedstawiało wasze dziecko, znajomego czy matkę, potrafilibyście rozpoznać ich w najrozmaitszych sytuacjach: w codziennym ubraniu, bez makijażu, patrząc na nich z przodu i z boku, przy bardzo dobrym i bardzo słabym oświetleniu, z bliska i z daleka – choćby twarz wyrażała zadowolenie lub smutek, choćby była roześmiana lub zamyślona.
Tylko jak to się dzieje, że możecie zawsze ich rozpoznać? Obrazy siatkówkowe za każdym razem są inne; twarze są większe i mniejsze, jaśniejsze i ciemniejsze, uśmiechnięte i markotne. Permutacje składających się na obraz twarzy bodźców fizycznych rejestrowanych przez siatkówkę są prawie nieskończone. A mimo to znajomą twarz rozpoznajemy natychmiast. I potrafimy odróżnić nie tylko te trzy twarze, lecz setki, tysiące innych. Jakim cudem mózg – który jest w końcu zwykłą maszyną – radzi sobie z tym zadaniem tak dobrze?
Wspomóżmy się trochę prostszym przykładem. Wyobraź sobie, że masz napisać program komputerowy, który będzie umiał rozpoznawać literę A. Współczesne komputery robią to bez trudu, prawda? Ale kiedy porównamy komputer z mózgiem, stwierdzimy, że ten pierwszy oszukuje. Trochę dalej wyjaśnię dlaczego.
Rozwiązanie wydaje się proste – gdzieś w komputerze (lub w twoim mózgu) musi się znaleźć wzorzec litery A, a wtedy wystarczy, że komputer (lub mózg) porówna dowolną literę A z wzorcem i sprawdzi, czy do siebie pasują. Co jednak się stanie, gdy litera, którą program ma rozpoznać, będzie miała inne rozmiary niż litera wzorcowa? Oczywiście komputer (lub mózg) stwierdzi niezgodność z wzorcem i uzna, że to, co widzi, nie jest literą A.
Cóż zatem szkodzi nakazać komputerowi przetestować kilka wzorców o różnej wielkości? To powinno rozwiązać problem:
Nie ma wątpliwości, to musi zadziałać. Ale załóżmy, że rozpoznawana litera A została trochę przekrzywiona: Program już jej nie rozpozna, nawet gdyby idealnie pasowała wielkością do wzorca.
Wobec tego każmy komputerowi porównywać rozpoznawaną literę z wzorcami przedstawiającymi literę A we wszelkich możliwych rozmiarach i pod wszystkimi możliwymi kątami. Jeżeli będziemy mieli wystarczająco szybki komputer, to może się udać. Prędzej czy później wszakże dojdziemy do sytuacji, w której liczba uwzględnianych wariantów – takich jak grubość linii, kolor, krój czcionki i tak dalej – będzie już zbyt wielka, należy bowiem pamiętać, że wszystkie te warianty trzeba przez siebie przemnożyć: nasz komputer musi przetestować wszystkie możliwe wielkości razy wszystkie możliwe kąty razy wszystkie możliwe kroje razy wszystkie możliwe kolory i tak dalej. Liczba kombinacji do sprawdzenia staje się niewyobrażalnie duża i skórka przestaje być warta wyprawki. Na dodatek całe to zamieszanie tylko dla jednej prostej litery.
W przypadku twarzy liczba wariantów staje się praktycznie nieskończona. Twarz może być uśmiechnięta lub zachmurzona, ciemna lub jasna, widziana z przodu albo pod pewnym kątem. A komponenty mózgu, czyli neurony i synapsy, w porównaniu z komputerem są przerażająco wolne – przekazanie podstawowego sygnału przez synapsę w ludzkim mózgu zajmuje neuronowi mniej więcej tysięczną część sekundy. W tym samym czasie bardzo szybki współczesny komputer wykonuje około miliona operacji! I właśnie tę nadludzką szybkość obliczeniową miałem na myśli, kiedy pisałem, że komputery oszukują – dzięki niej maszyny potrafią robić rzeczy, do których żywe tkanki nigdy nie będą zdolne. Przyjmijmy, że w celu porównania jednej litery z wzorcem komputer musi wykonać sto operacji; zatem w tym samym czasie, w którym mózg ledwo zdąży przekazać impuls nerwowy przez synapsę, komputer wykona już sto tysięcy porównań! A nie liczymy czasu potrzebnego na przejście sygnału przez włókna nerwowe, które łączą neurony. Gdybyśmy rozpoznawali twarze na takiej samej zasadzie, na jakiej komputer porównuje literę z wzorcem, nasze biedne mózgi potrzebowałyby długich minut na rozpoznanie nawet najbliższych nam osób. Innymi słowy, metoda dopasowywania obrazu do wzorca nie jest dla mózgów żadnym rozwiązaniem.
Weźmy przykład z innego pola zmysłowego – tym razem związany ze zmysłem słuchu[2]. Tu mamy do czynienia z problemem zwanym segmentacją. Jeżeli powiem: „Ten pies jest niebieski”, usłyszysz te cztery słowa mniej więcej tak, jak zostały wyżej zapisane, ale w normalnej mowie między słowami nie występują przerwy (chyba że będziesz robić sztuczne pauzy); rzeczywisty akustyczny obraz tego zdania to pojedynczy, długi dźwięk. Aby zrozumieć tę wypowiedź, nasz mózg musi rozbić go na słowa, które nauczyliśmy się rozpoznawać, mając od pierwszych dni życia kontakt z językiem.
Trzeba więc stwierdzić, że jest również praktycznie niemożliwe, by mózg używał wzorców do porównywania słów. Ile różnych dźwięków musiałoby liczyć ich repozytorium? Zdecydowanie więcej niż jest słów w słowniku. A nie mówimy w ogóle o rozmaitym akcentowaniu, różnym tempie mówienia i szumach akustycznych. Tak więc mózg nie wykorzystuje wzorców do segmentacji i rozumienia strumieni dźwięków.
Cała ta nadzwyczaj tajemnicza sprawa – zbiór czynności, które wykonujemy codziennie niemal bez przerwy i z taką łatwością – została mądrze nazwana rozpoznawaniem obiektów. Można by sądzić, że chodzi tu głównie o doświadczenia zmysłowe, jest to jednak w równej mierze problem pamięci: rozpoznanie obiektu to dopasowanie aktualnego bodźca do wspomnienia obiektu zarejestrowanego w przeszłości. Zrozumienie zasady działania tego mechanizmu to wielkie wyzwanie, prawdziwy Mount Everest neurobiologii sensorycznej.
Rozdział 2
Śpiew neuronów
Nawet badając konkret, zdobywasz jakąś wiedzę ogólną.
– Stephen Kuffler
Wspomniałem, że choć mogłoby się wydawać, iż świat wygląda tak, jak go widzimy, w rzeczywistości jest inaczej. Prawdziwy obraz świata jest zmieniany już przez siatkówkę, która rozszczepia go na dziesiątki różnych sygnałów. Rozłożony na najbardziej znaczące elementy obraz jest przesyłany dalej w postaci odrębnych strumieni sygnałów. Elementy mniej znaczące są ignorowane, traktowane jako szum tła. Takie uproszczenie obrazu świadczy nie tylko o tym, że ewolucja lubi się bawić sama ze sobą, ale dowodzi również, że lubi oszczędzać energię; jest to zarazem jedno z fundamentalnych praw rządzących percepcją w ogóle i przeczytacie o tym więcej w dalszej części książki.
Zacznijmy jednak od podstaw.
Neuron
Neuron nie jest komórką szczególnie skomplikowaną. To niezwykle mały, ale fizycznie mierzalny twór zbudowany z dobrze nam znanych surowców; ma wszystkie elementy komórki zwierzęcej z kilkoma zaledwie niepowtarzalnymi komponentami. Wystarczy jednak, że sprzęgniemy ze sobą kilkaset milionów neuronów, a zaczną się dziać cuda: nagle możemy rozpoznawać twarze bliskich nam osób, rozkoszować się muzyką Beethovena i trafiać rakietą w poruszającą się z szaleńczą prędkością piłkę tenisową.
Neuron, jak każda komórka kręgowców, przypomina wypełniony wodą worek z cienkiej, płynnej błony. Błona ta oddziela wnętrze komórki (na powyższych rysunkach zaznaczone na czarno) od wszystkiego, co znajduje się na zewnątrz. Niektóre neurony są mniej lub bardziej kuliste i przypominają nadmuchany balonik. Inne mają bardziej skomplikowane, amebowate kształty, a są i takie, o których powiedzielibyśmy: prawdziwe dziwadła. Wiele neuronów wygląda jak szkielet lub ogołocone z liści drzewo – witki i gałęzie to połączenia z sąsiednimi oraz bardzo odległymi neuronami. Bez względu jednak na to, jak wyszukane mają kształty, neurony zawsze zajmują pewną przestrzeń ograniczoną błoną komórkową. Ich długie witki są jak powyginane i rozgałęziające się na wszystkie strony słomki do napojów.
Czym jest owa błona komórkowa? Zbudowana jest ona z lipidów, czyli związków, do których należą m. in. tłuszcze. Ponieważ tłuszcz i woda nie mieszają się, błona komórkowa tworzy coś w rodzaju bańki mydlanej. Sama w sobie bańka nie może zdziałać zbyt wiele – potrafimy stworzyć w laboratorium sztuczną komórkę składającą się wyłącznie z błony i taka komórka nic nie robi. Natomiast prawdziwa błona komórkowa naszpikowana jest mnóstwem maleńkich, nadzwyczaj skomplikowanych maszyn wykonujących ściśle określone zadania; nas najbardziej będą interesowały cząsteczki białka, które wykrywają napierające na nie inne cząsteczki i otwierają furtki w błonie, przez które przepływają jony. Tak w wielkim skrócie powstaje impuls nerwowy.
Mimo że neurony mają zdumiewająco bogaty repertuar funkcjonalny, ich podstawowym zadaniem – pozwalającym odróżnić je od niemal wszystkich pozostałych komórek organizmu – jest komunikowanie się z innymi neuronami. Najczęściej odbywa się to za pośrednictwem krótkich impulsów elektrycznych (iglic), zwanych też potencjałami czynnościowymi, które mogą być przekazywane na mniejsze lub większe odległości. Neurony „rozmawiające” (przekazujące impulsy nerwowe) wyłącznie ze swoimi najbliższymi sąsiadami nazywane są interneuronami (neuronami obwodów lokalnych); przekazują one impulsy na co najwyżej 10 mikrometrów, czyli jedną setną milimetra. Ale są i takie impulsy nerwowe, które biegną od mózgu aż do podstawy rdzenia kręgowego (jak wówczas, gdy chcesz poruszyć paluchem stopy) lub w odwrotnym kierunku (gdy uderzysz paluchem w cegłę).
Nie należy mylić impulsu nerwowego z prądem elektrycznym płynącym przez miedziany przewód. Przewodnictwo nerwowe to bardziej skomplikowane zjawisko biologiczne, w którym aktywnie uczestniczą błony komórkowe; to elektryczne odzwierciedlenie ruchów jonów przepuszczanych do komórki i poza nią przez wyspecjalizowane białka wbudowane w błony komórkowe. Natura tego procesu powoduje, że w porównaniu z prądem elektrycznym w miedzianym przewodzie impulsy nerwowe biegną bardzo wolno, mniej więcej od 10 do 100 metrów na sekundę w zależności od aksonu, podczas gdy prąd elektryczny pędzi z oszałamiającą prędkością około 300 milionów metrów na sekundę. Ta powolność przekazywania impulsów nerwowych ma ogromny wpływ na możliwości obliczeniowe naszych mózgów – przy rozwiązywaniu problemów nie mogą się one odwoływać do strategii opartych na prymitywnej sile.
Na końcu aksonu znajduje się zwykle synapsa, która umożliwia przekazywanie informacji do mniej lub bardziej oddalonych neuronów. W synapsie potencjał czynnościowy neuronu zostaje zamieniony w sygnał chemiczny – dzięki wyspecjalizowanej maszynerii synaptycznej impuls nerwowy uwalnia związki chemiczne przechwytywane przez kolejny neuron. Te związki to słynne neuroprzekaźniki, o których co rusz słyszymy i czytamy w mediach. Ponieważ jest ich mnóstwo, są używane do wykonywania rozmaitych zadań w różnych obszarach mózgu, a że procedura ich uwalniania jest wielostopniowa, możemy oddziaływać na nie i w ten sposób wpływać na funkcjonowanie mózgu – w celach leczniczych i dla rozrywki[3]. Na synapsy działają nikotyna, neuroleptyki oraz leki przeciwkonwulsyjne używane przez pacjentów z padaczką. Oddziałuje na nie również lek uspokajający Valium i poprawiający nastrój Prozac.
Neuroprzekaźnik uwolniony przez jeden neuron może pobudzić lub wyhamować drugi. (W rzeczywistości neuron rzadko otrzymuje tylko jeden sygnał, ale na potrzeby tego wywodu załóżmy, że tak właśnie się dzieje). Drugi neuron łączy wszystkie otrzymane impulsy i jeśli w krótkim czasie dotrze do niego wystarczająca liczba sygnałów, uruchomi się jego potencjał czynnościowy, który może „przeskoczyć” na trzeci neuron i spowodować jego pobudzenie lub inhibicję, czyli wyhamowanie. I tak dalej.
Na tym etapie obserwujemy kolejną niesamowitą zdolność neuronów: mogą one decydować, które sygnały przekazywać do kolejnych neuronów, a które zatrzymywać. Decyzje te zapadają wyłącznie poprzez sumowanie sygnałów docierających do komórki. To trochę uproszczony obraz, jako że sposoby przekazywania sygnałów między neuronami są cudownie zróżnicowane. Niemniej można to sobie wyobrazić w ten sposób, że neurony dodają do siebie sygnały pobudzające i odejmują hamujące. Badaniem tych zjawisk zajmują się specjaliści z całkowicie odrębnej dziedziny neurobiologii; wielu moich wybitnych kolegów poświęciło całe życie studiowaniu tajemnic bardzo bogatej i eleganckiej komunikacji synaptycznej.
Teraz jednak wyobraźmy sobie neurony w ich najprostszej postaci: jako komórki nerwowe oczekujące na sygnały i generujące potencjał czynnościowy, kiedy moc owych sygnałów przekroczy określoną wartość. Ale samo przekazywanie sobie informacji przez neurony nie tworzy jeszcze mózgu, ten bowiem łączy sygnalizację ze zdolnością neuronów do podejmowania określonych decyzji. Znacznie teraz upraszczam sprawę, lecz w tej książce skupiamy się na samym procesie widzenia, wystarczy nam więc zrozumienie podstawowych zasad. Do najważniejszych należy to, że przekazany potencjał czynnościowy zawsze wywołuje zmianę potencjału elektrycznego w neuronie. Ma to zasadnicze znaczenie dla naszej historii, gdyż owe zmiany potencjału – impulsy nerwowe – mogą być rejestrowane przez badaczy uzbrojonych w długie, cienkie sondy zwane mikroelektrodami.
Neurony czuciowe nadają
Jak już powiedzieliśmy, neurony mogą przekazywać informacje na mniejszą lub większą odległość w obrębie układu nerwowego. U żyrafy neurony kontrolujące chód mogą się rozciągać na 2,5 metra – od mózgu do dolnej części rdzenia kręgowego. Sposoby sygnalizowania są jednak niemal zawsze takie same: gdzieś na powierzchni komórki powstaje bodziec, który generuje potencjał czynnościowy pobudzający cały neuron. Wyjątki od tej reguły są bardzo rzadkie.
Wszystkie neurony, które odbierają informacje ze świata zewnętrznego – za pośrednictwem dotyku, słuchu, wzroku czy zapachu – mają jedno podstawowe zadanie: wykrywać zdarzenia w środowisku i informować o nich mózg, niekiedy z pomocą jednego czy dwóch pośredników. Zadanie to mogą wszakże wykonywać na wiele sposobów, w zależności od natury wykrywanych zdarzeń w świecie zewnętrznym, które różnią się w swojej fizycznej rzeczywistości.
Rozważmy zmysł dotyku. Wrażenie dotyku powstaje, gdy skóra zostaje odkształcona pod wpływem nacisku – może to być dotyk palca na nadgarstku, ruch komara szukającego powoli odpowiedniego miejsca do wkłucia się w naczynie lub nieprzyjemne zderzenie z twardym przedmiotem. Wszystkie te deformujące skórę naciski, słabe i mocne, są rejestrowane przez zakończenia nerwowe znajdujące się tuż pod jej powierzchnią. Każde takie zakończenie jest częścią neuronu.
Powyższa ilustracja pokazuje dwa neurony drogi czuciowej dotyku; fragment skóry zaznaczony przerywaną linią po lewej nazywany jest polem odbiorczym lub polem recepcyjnym. Informacja w sytuacji przedstawionej na rysunku biegnie z lewej do prawej. Pierwszy neuron ma długie włókno (akson), które prowadzi z określonego miejsca na skórze – gdzie zakończenia nerwowe tworzą sieć małych rozgałęzień – do rdzenia kręgowego. Załóżmy teraz, że na ramieniu ląduje komar. Zakończenia jego odnóży nadzwyczaj delikatnie naciskają na skórę nad zakończeniem nerwu. Sygnał o nacisku zostaje przekazany do neuronu, który wzbudza impuls nerwowy. Impuls ten biegnie przez akson oraz ciało komórkowe do synapsy (zaznaczonej rozgałęzieniem) i do kolejnego neuronu, który mieści się w rdzeniu kręgowym i przekazuje sygnał do mózgu. (Istnieją też inne drogi czuciowe. Omówiona tutaj należy do najprostszych).
Rozgałęzienia neuronów zmysłu dotyku mogą wykrywać odkształcenie powierzchni skóry dzięki funkcjonowaniu kanału jonowego aktywowanego naprężeniem mechanicznym, czyli mechanoreceptora, który jest cząsteczką białka wbudowaną w błonę komórkową. Odkształcenie skóry powoduje otwarcie kanału jonowego, przez który do zakończenia nerwowego docierają jony naładowane dodatnio i pobudzają je. Kiedy to pobudzenie przekroczy pewien próg, zakończenie przekazuje dalej potencjał czynnościowy. Ten biegnie przez nerw czuciowy skóry (akson) i ciało komórkowe do rdzenia kręgowego, gdzie akson napotyka kolejny neuron, ów zaś przekazuje informację dalej, do mózgu, który ją interpretuje. Zauważ, że nerw czuciowy powiadomił resztę układu nerwowego o trzech faktach: że coś dotyka skóry, że znajduje się tuż powyżej prawego nadgarstka i że jest bardzo lekkie.
Rozpatrzmy najpierw lokalizację bodźca. Sprawa jest prosta: zakończenia pojedynczego neuronu czuciowego pokrywają ograniczoną powierzchnię skóry. Może to być obszar niewielki – mały wycinek na dłoni albo wardze – lub całkiem spory, na przykład płat skóry na plecach. Mózg wie, który obszar jest kontrolowany przez który nerw, i dlatego potrafi określić miejsce na powierzchni ciała, gdzie pojawił się bodziec[4]. Oczywiście, jeżeli bodziec punktowy pojawia się w takim miejscu jak opuszka palca, gdzie dochodzi wiele zakończeń nerwowych, mózg jest w stanie ustalić jego lokalizację dużo precyzyjniej, niż gdy bodziec pojawia się w miejscach, do których dochodzi jedynie kilka grubych zakończeń, jak na plecach.
Kiedy mówiłem o polu zakreślonym przerywaną linią na rysunku, wprowadziłem ważne pojęcie. Obszar pod rozgałęzionymi końcówkami aksonu czuciowego nazwałem polem odbiorczym komórki – na tym wycinku skóry może dojść do pobudzenia danego aksonu. Jak się wkrótce przekonamy, takiego samego określenia używa się, mówiąc o neuronach układu wzrokowego – wtedy przez ich pola odbiorcze rozumiemy te części siatkówki, które je pobudzają, zarówno na jej powierzchni, jak i wszędzie dalej w układzie wzrokowym.
Przejdźmy teraz do trzeciego faktu, czyli do pytania o natężenie: Jak słaby bądź silny jest bodziec? W jaki sposób nerwy czuciowe w skórze przekazują tę informację? Wszystkie aksony czuciowe – związane z dotykiem, słuchem, wzrokiem i zapachem – komunikują się z mózgiem za pośrednictwem ściśle ustalonej częstotliwości potencjałów czynnościowych. Lekki dotyk generuje ich zaledwie kilka, mocniejszy wywołuje bardzo szybki ich strumień. Tak właśnie mózg – lub badacz, który mierzy częstotliwość pobudzenia, czyli „iskrzenia” neuronu – może wnioskować o sile bodźca.
Wielu naukowców (nie byłem tu wyjątkiem) spekulowało w swoich publikacjach, że pewne dodatkowe informacje może przekazywać również określony wzorzec potencjałów czynnościowych – podobnie jak wzorzec uderzeń przycisku przekazuje informacje w alfabecie Morse’a[5]. Jedną z takich informacji może być, na przykład, typ receptora, z którego akson otrzymuje sygnały (więcej na ten temat w następnym akapicie). Z pewnością wzorzec potencjałów czynnościowych wpływa na reakcję mózgu; wiemy, że następujące bardzo szybko po sobie impulsy nerwowe pobudzają neurony postsynaptyczne bardziej niż impulsy o mniejszej dynamice. Do tej pory jednak nikt nie zaproponował przekonującej hipotezy o takim kodowaniu.
Jeszcze ciekawsza jest odpowiedź na pytanie o to, co naciska na skórę. Mózg chce wiedzieć, co dotyka nadgarstka, bo nacisk naciskowi nierówny. Istnieje kilka rodzajów czuciowych neuronów dotyku, które reagują na różne jego aspekty. Jeden jest stosunkowo wrażliwy na lekki dotyk na powierzchni skóry i wysyła sygnał do mózgu aż do ustąpienia nacisku. Inny typ receptora uaktywnia się tylko pod wpływem bardzo mocnego dotyku i reaguje wyłącznie na zmiany – na moment pojawienia się nacisku i jego ustąpienia. Obecnie znamy kilkanaście pierwszorzędowych neuronów czucia dotyku i możemy je badać nawet w gabinecie neurologa, porównując wrażliwość na ukłucie z wrażliwością na dotyk wibrującego kamertonu.
Co ciekawe, podstawą typologii receptorów skóry nie są fundamentalne różnice budowy neuronów, lecz różnorodność struktur, do których dochodzą zakończenia aksonalne. Zakończenia pojedynczych neuronów czuciowych są otoczone wyspecjalizowanymi strukturami komórkowymi i to one decydują o tym, że neuron czuciowy reaguje na różne rodzaje dotyku. Rozpatrzmy na przykład pałkę werbla i pałkę bębna basowego. Obie są kawałkami drewna, ale jedna kończy się niewielkim zaokrągleniem, a druga włochatą kulą, co sprawia, że dźwięki powstające przy uderzaniu nimi w naprężoną skórę bębna są inne. W przypadku neuronów różne receptory oznaczają różne kanały jonowe, które niuansują reakcje czuciowe. Szczegóły są fascynujące i dowodzą cudownego bogactwa ewolucji, nie są jednak istotne dla naszego wywodu. Musimy zapamiętać tylko tyle, że różne rodzaje bezpośredniego kontaktu obiektów świata zewnętrznego z naszym ciałem są rejestrowane przez różne typy neuronów: niektóre wyczuwają skok pchły, inne znów są pobudzane dopiero uderzeniem pięści. Istnieje oczywiście cała gama przypadków pośrednich; dochodzące do mózgu sygnały informujące o większości zdarzeń w naszym środowisku to wynik działania wielu odmian neuronów. Jak napisał jeden z ekspertów w tej dziedzinie: „Podobnie jak instrument w orkiestrze, każdy podtyp [neuronu dotyku] wyraża specyficzną cechę sił oddziałujących na skórę, a wszystkie razem tworzą symfonię impulsów nerwowych, które mózg interpretuje jako dotyk”[6].
I jest to generalna zasada dla wszystkich układów nerwowych. Zmysł smaku wspierany jest przez pięć rodzajów kubków smakowych, rejestrujących smak słodki, kwaśny, słony, gorzki i umami (smak złożony wyzwalany przez niektóre aminokwasy). Zmysł węchu jest zdumiewający – do tej pory odkryto około czterystu receptorów, z których każdy reaguje na inną lotną cząsteczkę. To wyjaśnia, dlaczego degustatorzy potrafią odróżnić setki win po ich bukiecie (ja niestety tego nie umiem) i dlaczego niektóre perfumy mogą przywoływać wspomnienia dawnej miłości.
Dlaczego wzrok jest jak dotyk
Omówiłem działanie zmysłu dotyku dość szczegółowo, ponieważ funkcjonowanie układów zmysłu dotyku i wzroku jest podobne, a wszystkie neurony zasadniczo działają tak samo. W przypadku obu tych zmysłów zadanie mózgu sprowadza się do zlokalizowania bodźców padających na warstwę komórek czuciowych – na skórze lub na siatkówce. W obu układach występują bardzo zróżnicowane typy receptorów, a każdy neuron jest powiązany z ograniczonym polem odbiorczym i przekazuje do mózgu kilka bardzo konkretnych informacji. Znacznie więcej wiemy jednak o tym, w jaki sposób z docierającymi do nich informacjami radzą sobie struktury odbiorcze układu wzrokowego w mózgu. Dlatego też o wiele lepiej rozumiemy, jak mózg interpretuje symfonię sygnałów dochodzących z siatkówki.
Dowiedzieliśmy się właśnie, że neurony znajdujące się w skórze przekazują do mózgu rozmaite informacje o dotykających jej obiektach. Ta sama fundamentalna zasada leży u podstaw widzenia: każde włókno nerwu wzrokowego przesyła do mózgu raporty dotyczące jednego małego wycinka i jednej specyficznej cechy pola widzenia.
Siatkówka działa na podobnej zasadzie jak mikroprocesory w waszych smartfonach, aparatach fotograficznych czy zegarkach elektronicznych. Składa się z ogromnej liczby rozmaitych neuronów, które weźmiemy pod lupę w dalszej części książki. Na razie przyjrzymy się tylko sygnałom, które siatkówka przesyła za pośrednictwem specjalnych neuronów służących do przekazywania informacji na duże odległości, a zwanych komórkami zwojowymi (ich odpowiednikami w drogach czuciowych są neurony przekazujące informacje o dotyku do rdzenia kręgowego). W każdej siatkówce ludzkiej jest około miliona komórek zwojowych, które zbierają sygnały przychodzące z kilku rodzajów neuronów siatkówkowych i przekazują je do mózgu. Długa wiązka włókien komórek zwojowych tworzy nerw wzrokowy.
Autorem pierwszego gruntownego studium komórek zwojowych siatkówki był amerykański naukowiec węgierskiego pochodzenia Stephen Kuffler. Kufflera najbardziej interesowało inne zagadnienie – mechanizm przekaźnictwa synaptycznego – ale po długiej tułaczce w czasie II wojny światowej trafił w końcu na wydział okulistyki na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa. Po części z wdzięczności dla swoich gospodarzy przeprowadził badanie, które miało fundamentalne znaczenie dla zrozumienia procesu widzenia.
Mniej więcej w 1950 roku Kuffler zaczął rejestrować aktywność elektryczną komórek zwojowych w oczach pozbawionych świadomości kotów. Po wprowadzeniu mikroelektrody do komórki zwojowej, mógł badać serie impulsów generowanych przez nią w trakcie pobudzania powierzchni siatkówki światłem punktowym. Plamki światła musiały być niewielkie, ponieważ w zamierzeniu Kufflera miały przypominać rzutowane na siatkówkę obrazy rzeczywistych obiektów, które w aparacie optycznym oka ulegają znacznemu pomniejszeniu; na przykład obraz paznokcia mojego kciuka, gdy patrzę na niego z odległości wyprostowanego ramienia, zajmuje na mojej siatkówce obszar o szerokości zaledwie 0,4 milimetra.
Sygnały wysyłane przez komórki zwojowe, które obserwował Kuffler, bardzo przypominały sygnały wysyłane przez neurony czuciowe w skórze. Każda komórka zwojowa jest połączona z niewielkim wycinkiem powierzchni siatkówki, który stanowi jej pole odbiorcze. Najmniejszy z takich wycinków w siatkówce kota ma około 40 mikrometrów, czyli 0,04 milimetra. Choć nie znamy dokładnych rozmiarów pól odbiorczych w siatkówce oka ludzkiego – nie ma medycznych przesłanek, by rejestrować aktywność komórek zwojowych u człowieka – poszlaki wskazują, że najmniejsze mogłoby mieć mniej więcej 10 mikrometrów średnicy. Jeden z noblistów obliczył, że takie dziesięciomikronowe pole odbiorcze wygląda jak ćwierćdolarówka oglądana z odległości około 150 metrów. Nie wydaje mi się, żebym był w stanie dostrzec niewielką monetę z takiej odległości, ale może nobliści mają ostrzejszy wzrok niż reszta śmiertelników. Tak czy inaczej, możemy sobie wyobrazić, że pola odbiorcze siatkówki przypominają piksele monitora – im gęściej upakowane komórki zwojowe, tym lepszy wzrok.
Tak na marginesie
W pionierskich latach neuronauki – mniej więcej od roku 1945 do 1980 – badaczy najbardziej interesowało zapisywanie sygnałów elektrycznych: fal mózgowych rejestrowanych na powierzchni skóry głowy (elektroencefalogram), które stanowiły odległe ślady elektrycznej aktywności mózgu, oraz sygnałów rejestrowanych przez cieniutkie druciki wprowadzane do mózgu, odzwierciedlających funkcjonowanie pojedynczych neuronów. Naukowcy monitorowali elektryczną aktywność mózgu i cieszyli się jak dzieci. (Genetyka molekularna – obecnie główny motor postępu wszystkich nauk biologicznych – znajdowała się wówczas na poziomie biochemii, a inżynierii genetycznej jeszcze nie wymyślono).
Nie muszę chyba dodawać, że sygnały elektryczne emitowane przez pojedyncze neurony są niewiarygodnie słabe i dlatego podatne na wszelkie zakłócenia ze strony innych fal elektromagnetycznych, na przykład emitowanych przez radia policyjne, stacje telewizyjne i systemy wewnętrznej komunikacji szpitalnej. Z tego powodu sygnały rejestrowało się często w „klatkach” – gęstych siatkach z drutu otaczających badaną osobę czy zwierzę i chroniących przed niepożądanymi wpływami z zewnątrz.
Znacznie mniej wyrafinowanym sposobem eliminacji tych szumów było odgradzanie miejsca zapisywania sygnałów od źródła zakłóceń twardą materią, na przykład kilkumetrową warstwą ziemi. Niemało laboratoriów zakładano w piwnicach albo umieszczano w ich ścianach miedziane ekrany. Dziś dysponujemy już znacznie lepszą aparaturą, zmieniły się również nasze preferencje: interesują nas silniejsze sygnały, a dzięki lepszym wzmacniaczom nie musimy już zaprzątać sobie głowy ekranowaniem.
W typowym laboratorium badawczym pracowały trzy, czasem cztery zespoły naukowców; każdy składał się z trzech, czterech postdoków[7] i kilku pracowników technicznych oraz stojącego na jego czele profesora. Zespół zajmował trzy, niekiedy cztery pomieszczenia. W kąt jednego z nich wciskano niewielki „gabinet” dla profesora, w drugim znajdowały się biurka postdoków, bywały stawiane tuż przy aparaturze. Klatki ze zwierzętami umieszczano zazwyczaj w osobnym pomieszczeniu na końcu korytarza. Kiedy wchodziło się do laboratorium po raz pierwszy, w nozdrza uderzał ostry zapach drobnych ssaków. Na szczęście po kilku tygodniach już się go nie czuło, i to nie dlatego, że myszy i króliki, ich klatki oraz odchody gdzieś znikały; po prostu zmysł powonienia dzięki błogosławionej mocy habituacji w końcu przestawał odczuwać smród.
W naszych laboratoriach lśniące kolby i pojemniki, tak często widywane w filmach, stanowiły raczej tło. Na pierwszy plan wybijała się elektronika – półki zastawione były wzmacniaczami, głośnikami, aparaturą rejestrującą i zasilaczami. Jeżeli badacze należeli do grona wybrańców i dysponowali komputerem, była to szafa wielkości lodówki, o mocy obliczeniowej mniejszej od mojego iPhone’a. A że w owych czasach z komputerem można się było porozumiewać wyłącznie w języku maszynowym, programował go specjalista za pomocą kodu wcale nie tak odległego od ciągów zero-jedynkowych. Ze smrodem zwierząt, alkoholu i eteru mieszał się tłoczony przez wentylatory zapach nowych przewodów elektrycznych i ciepłego metalu.
Sprzęt kosztował majątek. Naszym wołem roboczym był oscyloskop katodowy z zielonym monitorem, praprzodkiem dzisiejszych ekranów komputerowych, który fotografowaliśmy aparatem na kliszę. Oscyloskop musiał być precyzyjnie skalibrowany, a pracował na lampach elektronowych, jak przedpotopowe radio. Codziennie rano najpierw włączałem go, bo nie mogliśmy rozpocząć żadnego eksperymentu, dopóki nie osiągnął temperatury pracy. Kiedy w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku urządzałem swoje pierwsze laboratorium, nasz pierwszy oscyloskop kosztował 2,5 tysiąca dolarów. Dzisiaj kupicie lepszy za marne 500 dolarów.
Stephen Kuffler
Steve był pionierem neurobiologii i pomógł stworzyć tę dyscyplinę wiedzy w dzisiejszym jej rozumieniu – nie tylko przez to, że pisał eleganckie, wzorcowe publikacje i udzielał swoim studentom lekcji jakości. Nie wolno zapominać o jego uroku osobistym oraz rzadkiej umiejętności dobierania sobie studentów i współpracowników, którzy dziś praktycznie przewodzą amerykańskiej neuronauce. Wszyscy, którzy go znali, wypowiadają się o nim z wielkim szacunkiem. Technicy ze sklepów ze sprzętem, sekretarki, członkowie elity naukowej – wszyscy uwielbiali Stephena Kufflera[8].
Był to drobny mężczyzna o psotnym uśmiechu i gdyby nie jego namiętna miłość do tenisa, trudno byłoby sobie wyobrazić, że w młodości doszedł do mistrzostwa w tym sporcie. Urodził się w 1913 roku na Węgrzech i tam wychował w rodzinnym majątku. W swojej autobiografii nazywa go „farmą”, lecz z innych opisów wiemy, że był to spory majątek, który zatrudniał większość mieszkańców pobliskiej wsi. Kuffler miał raczej szczęśliwe dzieciństwo, choć podczas krótkotrwałego powstania komunistycznego w 1919 roku jego rodzina zdecydowała się na ucieczkę do Austrii. Stephen uczył się w katolickiej szkole z internatem, po czym poszedł na studia medyczne. Po bankructwie i przedwczesnej śmierci ojca młody Kuffler, wówczas nieledwie pełnoletni, był zdany tylko na siebie, a zaraz po ukończeniu studiów w 1937 roku musiał ponownie uciekać – tym razem na Węgry. Wkrótce Austria została anektowana przez nazistowskie Niemcy.
Później Kuffler przedostał się przez Triest do Londynu, gdzie miał przyjaciół. Pozbawiony możliwości wykonywania zawodu w Anglii ponownie się przeniósł, tym razem do Australii, gdzie poznał Johna Ecclesa i Bernarda Katza, przyszłych tytanów neurobiologii, i rozpoczął życie naukowca. W okresie bardzo intensywnych badań, od 1939 do 1944 roku, trójka ta dokonała fundamentalnych odkryć w zakresie przewodnictwa nerwowego i działania synapsy.
Kres tym wspaniałym pracom badawczym położył chaos administracyjny, który zmusił Ecclesa, Katza, Kufflera i jego australijską narzeczoną do wyjazdu do Chicago. W Stanach już wcześniej słyszano o wschodzącej gwieździe, jaką był młody Węgier, tak więc zaledwie po kilku przeprowadzkach Kuffler znalazł się na Harvardzie, gdzie założył wydział neurobiologii. I choć nie był to jedyny tego rodzaju wydział w ówczesnym świecie, był z pewnością jednym z pierwszych. W tamtych czasach neurobiologia jako dziedzina nie istniała; Towarzystwo na rzecz Neuronauki jeszcze nie powstało. (Moja legitymacja członkowska ma numer 000064, należę więc do prawdziwych oldbojów). Jego wydział szybko zyskał reputację najlepszego w całej Ameryce Północnej. Początkowo przyjmowano na niego tylko kilku studentów, co przyczyniło się do powstania tam rodzinnej atmosfery, z której słynęło otoczenie Kufflera. Kilka lat po powstaniu wydziału spędziłem tam dwa lata jako wizytujący pracownik naukowy.
Standardy badawcze u Kufflera były niewiarygodnie wyśrubowane – neurobiologia na Harvardzie to była elita, która bynajmniej nie wstydziła się tego, posuwając się niekiedy wręcz do arogancji. Można powiedzieć, że ekipa Kufflera była naukowym odpowiednikiem magicznego autobusu Kena Keseya: jeśli ktoś został uznany za swojego, mógł wsiąść, a jeśli nie pasował, mówiono mu o tym prosto z mostu.
W owym naukowym autobusie Kufflera panowała niewiarygodna wprost atmosfera pysznej zabawy. Sam Kuffler był niezmordowanym kawalarzem i z pewnością jednym z największych luzaków na Harvardzie, a ludzie z jego wydziału rzeczywiście mogli pretendować do miana Wesołych Kawalarzy Kena Keseya w dziedzinie nauki; ta osobliwa i niezwykła zgraja skrupulatnych, wymagających i nadzwyczaj zdyscyplinowanych badaczy była zarazem obdarzona niespotykanym poczuciem humoru. Seminaria u Kufflera nie mogły być poważne; obowiązywała perfekcja w każdym calu, ale bez zadęcia, wystąpienia należało przetykać żartami.
Wydział jadał razem lunch, poszczególni naukowcy i całe zespoły to wchodziły do jadalni, to z niej wychodziły, w zależności od grafiku swoich eksperymentów. Ważną instytucją były „lotne seminaria” w porze obiadowej. Sława wydziału Kufflera rosła i w Bostonie zaczęło bywać wielu naukowców. Proszono ich o poprowadzenie seminariów, było ich jednak zbyt wielu, by każdy mógł poprowadzić takie zajęcia, tak więc instytucja lotnych seminariów podczas lunchu stanowiła jakieś rozwiązanie. Wystarczyło jedynie, że pracownik zapraszający gościa zapisał jego nazwisko w kalendarzu przypiętym do drzwi; innych zapowiedzi nie było, podobnie jak oficjalnego powitania. Gości nie poddawano również oficjalnej weryfikacji – ocena jakości należała do zapraszającego. To zresztą wystarczało. Gdyby ktoś zaprosił nieodpowiednią osobę, straciłby poważanie. Co gorsza, ryzykował też tym, że jego gość zostanie publicznie ośmieszony.
Podczas tych lunchów u Kufflera słyszało się mnóstwo interesujących rzeczy. Dwie czy trzy takie rozmowy w tygodniu dawały pełen obraz tego, co się dzieje poza naszym laboratorium. Miało to także znaczenie praktyczne, bo zapewniało nam przewagę nad konkurencją; bardzo szybko – często nawet przed pojawieniem się jakiejkolwiek publikacji – dowiadywaliśmy się o każdym nowym kierunku badawczym i postępie prac. Stanowiliśmy awangardę i byliśmy z tego dumni.
Wydział Kufflera nie był fizycznie zamknięty dla nikogo – taka sytuacja byłaby w tamtym czasie niezręczna na każdej uczelni – praktycznie jednak tak właśnie było. Choć nie zamykaliśmy się od środka, badaczy z innych wydziałów po prostu nie zapraszało się ani na seminaria, ani na rozmowy podczas lunchu. Jeżeli mimo to ktoś się u nas pojawił, witany był z bezprzykładną oziębłością, a pamiętać trzeba, że – zwłaszcza na Harvardzie – naukowcy nie lubią być traktowani jak powietrze, tym bardziej przez ludzi, którzy nie dość, że najwyraźniej świetnie się bawią we własnym gronie, to jeszcze robią rewelacyjne postępy badawcze. Ale dla gangu Kufflera to była prawdziwa era cudów. Kres położyła temu jego śmierć w 1980 roku – ekipa zaczęła się wówczas kruszyć w zastraszającym tempie. Wydział neurobiologii na Harvardzie nadal jest światowym liderem w dziedzinie neuronauki, lecz stara gwardia nigdy nie zapomni dni chwały z epoki Kufflera.
(Gwoli uczciwości muszę napisać, że te dni chwały miały też swoje cienie. Presja środowiska dążącego do utrzymania się w ścisłej czołówce była ogromna, niekiedy przytłaczająca. Jeden z weteranów z początkowego okresu istnienia wydziału powiedział mi, że to było naprawdę coś wspaniałego... ale kosztowało go dwa lata terapii, by pozbierać się po tym wszystkim i wrócić do normalnego życia. Poza tym autorytarny styl uprawiania nauki u Kufflera prowadził niekiedy do błędów).
Jak to się stało, że Steve Kuffler, chochlik sypiący jak z rękawa kiepskimi żartami, wywarł tak przemożny wpływ na naukę? Po jego śmierci przyjaciele i studenci Harvardu wydali publikację wspomnieniową. Gunther Stent, ojciec biologii molekularnej, określił w niej Steve’a pamiętnym epitetem „nieprzekupny”. Wiele osób wypowiadało się o naukowym geniuszu i prawości Kufflera, ale „nieprzekupność” mówi jednak coś więcej: Steve emanował aurą czystości.
Kuffler był wrogiem wszelkiej pompy i korzystał z każdej okazji, żeby to okazać. Pewnego razu wybrał się wieczorem na piwo do pubu niedaleko uniwersytetu z dwoma postdokami, profesorem niższej rangi i Torstenem Wieselem, późniejszym laureatem Nagrody Nobla, który objął po nim kierownictwo wydziału. Kiedy Wiesel zaczął narzekać na nadmiar pracy administracyjnej, Steve spojrzał mu prosto w oczy i z tym swoim charakterystycznym uśmieszkiem powiedział: „Kto marzy o sławie, ten musi robić i to”.
Raz podczas lunchu udzielił mi prostej rady. Siedział w milczeniu kilka krzeseł dalej i zajadał swoją porcję z jednorazowego opakowania przyniesionego z baru. Usłyszał, jak skarżę się kolegom, że problem, którym się zajmowałem, nie jest wystarczająco ogólny. (Wydawało mi się wówczas, że dotyczy wyłącznie siatkówki i nie będzie miał szerszego przełożenia). Obrócił się wtedy, spojrzał mi prosto w oczy i powiedział po prostu: „Nawet badając konkret, zdobywasz jakąś wiedzę ogólną”.
Widzenie centralne i peryferyjne
Jeżeli chcemy zrozumieć, jak siatkówka kształtuje informację o otoczeniu, musimy zacząć od organizacji jej neuronów. Siatkówka nie jest prostym bankiem fotokomórek: zbudowana jest z pięciu głównych klas neuronów mających określone zadania. Pierwszą klasę tworzą fotoreceptory, tak zwane pręciki i czopki, o których mówimy, że pojawiają się na „wczesnym etapie” procesu widzenia.
Neurony te wykrywają światło (pręciki światło gwiazd i księżyca, natomiast czopki wszystko, co pojawia się w polu widzenia od świtu do zmierzchu) i to przede wszystkim one zajmują się tym w siatkówce. Synapsa pręcika albo czopka przekazuje sygnał do interneuronu zwanego komórką dwubiegunową, ponieważ – w przeciwieństwie do innych neuronów siatkówki – ma dwa wyraźne bieguny: jeden do przyjmowania, a drugi do wysyłania sygnałów. Komórki dwubiegunowe przekazują sygnały biegnące z pręcików lub czopków do komórek zwojowych, których długie włókna tworzą wiązkę nerwu wzrokowego. Komórki zwojowe (o których mówimy, że pojawiają się na „późniejszym etapie” procesu widzenia) przekazują do mózgu wszystkie informacje o oglądanym przez nas świecie, jakimi mózg będzie dysponował.
Za chwilę przejdziemy do dwóch kolejnych typów neuronów, dzięki którym siatkówka jest taka fascynująca. Tymczasem zapamiętajmy, że fotoreceptory, komórki dwubiegunowe i komórki zwojowe stanowią zasadniczy budulec siatkówki, a ich ułożenie mówi nam wszystko o tym, jak ostro możemy widzieć.
Dostrzeżenie niewielkiej
