NeuroNy lustrzaNe a eFekt zeNo*

N e u r o k o g n i t y w i s t y k a w p a t o l o g i i i z d r o w i u, 2 0 0 9 – 2 0 1 1
Pomorski Uniwersytet Medyczny w Szczecinie
7–10
JOLANTA TUROWSKA-KOWALSKA
NEURONY LUSTRZANE A EFEKT ZENO*
In the great drama of existence
We ourselves are both actors and spectators
Niels Bohr, 1963
Wiek XX to okres dynamicznego rozwoju nauk ścisłych
i biologicznych, a jego ostatnie dekady to narodziny tzw.
nauk neuropoznawczych. Centrum zainteresowania tych
badań jest człowiek jako jednostka zdolna do autoanalizy
i przeprowadzania działań mentalnych, które umożliwiają
zrozumienie otaczającego świata i aktywne w nim funkcjo‑
nowanie. Jako istota społeczna, wchodząca we wzajemne
interakcje z innymi, człowiek musiał rozwinąć wraz z ewo‑
lucją zdolności odczytywania zamierzeń i intencji drugiego,
współdziałania z nim, a zarazem autoidentyfikacji. Klu‑
czową rolę w tych procesach „wchodzenia w rezonans” sta‑
nowi układ neuronów lustrzanych i jego modulacja poprzez
obserwację. Ten system komórek nerwowych jest ogni‑
skową rozważań teorii umysłu, czyli zdolności szacowania
intencjonalności drugiego człowieka i interpretowania jego
zachowań. Wydaje się, iż spełnienie tej teorii w układach
komputerowych umożliwi stworzenie sztucznego człowieka,
a z pomocą ku temu przychodzą nowe odkrycia w fizyce,
w tym w fizyce kwantowej.
Celem pracy było rozważenie, czy istnieje zależność
między układem neuronów lustrzanych a procesami kwan‑
towymi.
Układ neuronów lustrzanych – mirror neuron
system (MNS)
Populacja neuronów, określanych jako lustrzane, po raz
pierwszy została opisana u małp z gatunku Macacus. W jej
skład wchodzą komórki nerwowe, które ulegają aktywacji
w czasie wykonywania ruchu, a także podczas obserwacji
czynności celowej u innego osobnika. U Rhesusów MNS
swoim zakresem obejmuje brzuszną część kory przedrucho‑
wej (pole F5), płacik ciemieniowy dolny (inferior parietal
lobule/parietal frontal – IPL/PF) oraz okolicę bruzdy skro‑
niowej górnej (superior temporal sulcus). Jednakże popu‑
lacja neuronów lustrzanych (MN) nie jest jednorodna – np.
w obrębie IPL wyróżnia się podgrupę neuronów zaangażo‑
wanych w tę samą czynność ruchową „dłoni” w zależności
od jej celowości (np. chwytanie). Ponadto, część czołowa
MN wyzwala swą czynność elektryczną nawet wówczas,
gdy nie jest widziany obiekt, na którym wykonywane jest
działanie, a obecne są jedynie przesłanki umożliwiające
przewidzenie celu. Fakty te wskazują, iż układ neuronów
lustrzanych u małp nie stanowi jedynie o prostej mimikrze
ruchowej, ale o analizie i zrozumieniu złożonego ruchu
innego osobnika. Odkrycia te stały się bodźcem do badań
nad MNS u człowieka.
Ludzki system neuronów lustrzanych
Wykorzystując nieinwazyjne badania elektrofizjolo‑
giczne oraz obrazowanie czynnościowym rezonansem
magnetycznym stwierdzono, że istnieją dwie sieci neuro‑
nalne w obrębie ludzkiego MNS:
a) układ ciemieniowo­‍‑czołowy;
b) układ limbiczny.
Pierwszy z nich obejmuje korę przedruchową oraz płat
ciemieniowy i doogonową część zakrętu czołowego dolnego.
Odpowiedzialny jest za rozpoznawanie zachowań ruchowych.
Inny aspekt obserwowanych obiektów, a mianowicie afekt,
analizowany jest przez drugi z układów – limbiczny. Rozciąga
się on na wyspę oraz przednią część medialnej kory czołowej.
* Praca pod kierunkiem prof. dr. hab. n. med. Ireneusza Kojdera
8
JOLANTA TUROWSKA-KOWALSKA
Jak zorganizowany jest układ MN?
Badania, które głównie obejmowały tzw. czynności
przechodnie (celowe) w zakresie dystalnych odcinków koń‑
czyn, wykazały, iż motoryka ta kodowana jest zgodnie
z organizacją somatotopową kory przedruchowej: z lokali‑
zacją grzbietową kończyn dolnych, brzuszną okolicy oralnej
i pośrednią kończyn górnych. W obrębie płata ciemienio‑
wego MN uszeregowane są wokół bruzdy śródciemieniowej
i płacika ciemieniowego dolnego w zależności od charakteru
czynności: np. chwytanie w płaciku ciemieniowym górnym,
rozprzestrzeniając się w kierunku brzusznym, aż do bruzdy
śródciemieniowej, manipulacje narzędziami w przedniej
części zakrętu nadbrzeżnego. Ponadto neurony lustrzane
zróżnicowane są na dwie subpopulacje:
a) ściśle kongruentne, tzn. dokładnie odzwierciedlające
obserwowany ruch;
b) szeroko kongruentne, które nie odtwarzają w deta‑
lach czynności, lecz uzyskują ten sam efekt działania (np.
chwyt dłonią, niezależnie które z palców zostały użyte).
Podsumowując wyniki badań obrazowych stwierdzamy,
że MNS formuje się wokół bruzdy skroniowej górnej (STS)
jako nadrzędnego wzrokowego analizatora naśladowanej
czynności. Czołowy komponent MNS koduje z kolei cel
imitowanego ruchu w ściśle określonym kontekście, zaś
ciemieniowa składowa MNS odpowiada za dokładny sche‑
mat motoryczny. Ponadto, wykorzystanie w obrazowaniu
tensora dyfuzji (DTI) uwidoczniło dwa dodatkowe szlaki
łączące wymienione obszary MNS poza dotychczas znanym
pęczkiem łukowatym (arcuate fasciculus – AF) między
górną okolicą ciemieniową a dolną częścią kory czołowej.
Biegną one równolegle do AF i komunikują ze sobą korę
skroniową górną z korą ciemieniową dolną oraz korę cie‑
mieniową dolną z korą czołową dolną. Tym samym zobra‑
zowany zostaje neuronalny model naśladownictwa rucho‑
wego (ryc. 1).
Część limbiczna układu MN reprezentowana jest, jak
wspomniałam, przez przednią część mesialnej kory czo‑
łowej i wyspę. Stanowi analizator emocjonalny zachowań.
Anatomicznie łączy się z częścią czołowo­‍‑ciemieniową
MNS poprzez wyspę. Dzięki tym korelacjom możliwe jest
nadanie obserwowanym czynnościom ruchowym barwy
emocjonalnej, co stwarza podstawy do empatii i tworzenia
relacji społecznych.
Układ neuronów lustrzanych podlega również dojrze‑
waniu osobniczemu. Jak wykazują badania rozwojowe,
we wczesnych okresach życia dzieci naśladują począt‑
kowo innych jak odbicia lustrzane. Obserwując ruch pra‑
wej dłoni, unoszą swoją lewą, przede wszystkim skupiając
się jednak na celu i kontekście widzianej czynności, a nie
jej dokładnym odtworzeniu. Ponadto, w miarę dorastania
człowiek tworzy w obrębie MNS swój własny repertuar
ruchowy, który zgodny jest z jego przynależnością gatun‑
kową. Oznacza to, że ludzkie neurony lustrzane nie ulegają
aktywacji przy obserwacji osobnika innego gatunku, wyko‑
nującego charakterystyczne tylko dla niego zachowania
STS – bruzda skroniowa górna, IPL – płacik ciemieniowy dolny, PMC –
kora przedruchowa, IFG – zakręt czołowy dolny; PF/PFG – zakręt ciemie‑
niowy dolny u makaka
Ryc. 1. Neuronalny obwód naśladownictwa (na podstawie [5])
(np. szczekającego psa). Pobudzenie MNS zależy także
od doświadczenia motorycznego obserwatora – im więk‑
sze są jego umiejętności, tym intensywniejsza czynność
neuronów lustrzanych, co wykazane zostało u tancerzy
i muzyków.
Ciekawych i obiecujących w praktyce wniosków dostar‑
czyły badania z użyciem TMS. Wykazały one, iż w czasie
treningu z jednoczesną obserwacją kongruentnych ruchów
dochodzi do potencjacji efektów ćwiczeń w porównaniu
do samego treningu. Stąd rodzi się jednak pytanie, w jaki
sposób proces obserwacji tworzy i moduluje samo ukie‑
runkowaną plastyczność mózgu (self directed brain pla‑
sticity). Z pomocą w udzieleniu odpowiedzi przychodzi
współczesna fizyka, dostarczając dowodów istnienia tzw.
kwantowego efektu Zeno.
Kwantowy efekt Zeno i anty­‍‑Zeno
Termin „kwantowy efekt Zeno” został wprowadzony
w 1977 r. przez fizyków Sudarshama i Misrę na cześć grec‑
kiego filozofa Zenona z Elei. Zjawisko to polega na utrzyma‑
niu określonego niestabilnego stanu kwantowego poprzez
jego pomiar (obserwację) z odpowiednio wysoką częstotli‑
wością. Wynika to z faktu, że prawdopodobieństwo przej‑
ścia atomu w inny stan kwantowy jest złożeniem funkcji
wykładniczej w długich odstępach czasu (z małym praw‑
dopodobieństwem przetrwania tego stanu kwantowego)
i zależności harmonicznej w krótkich przedziałach czaso‑
wych (z dużym prawdopodobieństwem przeżycia atomu
w stanie niezmienionym). A zatem, jeśli pomiar dokonany
NEURONY LUSTRZANE A EFEKT ZENO
zostanie w zakresie zależności oscylacyjnej, tzn. w bar‑
dzo krótkim przedziale czasowym, wówczas przemiana
stanu atomu ulegnie spowolnieniu. Inaczej mówiąc, częsta
obserwacja (we właściwie wysokim paśmie częstotliwości
pomiaru) zachowuje stan obserwowanego niezmienionym.
Efekt Zeno stał się rdzeniem teorii świadomości i łączni‑
kiem między światem w skali „nano” i „makro” w ujęciu
fizyka kwantowego Henry Stappa.
Nadmienić również należy, że obok efektu Zeno dowie‑
dziono istnienia zjawiska odwrotnego, tzw. anty­‍‑Zeno.
Polega ono na przyspieszeniu przemiany stanu kwanto‑
wego atomu poprzez jego pomiar z niższą częstotliwością
(w zakresie zależności wykładniczej). Stąd wypływa wnio‑
sek, aby osiągnąć pożądany wpływ na zjawisko, obser‑
wacja powinna odbywać się w ściśle określonym paśmie
częstotliwości.
9
Natomiast proces 2 jest matematycznym rozwinięciem
w czasie stanu kwantowego zgodnie z równaniem Schro‑
dingera, zasadą Heisenberga. Prowadzi on do powstania
różnych alternatywnych planów, które współistnieją rów‑
nolegle, jednakże bez wyszczególnienia żadnego z nich jako
tego, który jest aktualnie doświadczany. Zatem strumień
świadomości obserwatora (abstrakcyjne ego) poprzez pro‑
ces 1 dokonuje wyboru doświadczanego przebiegu zdarzeń
spośród szeregu lokalnych, deterministycznych możliwo‑
ści wynikających z procesu 2. Ów wolny wybór w odróż‑
nieniu od pozostałych procesów 2 i 3 nie podlega żadnym
ze znanych obecnie praw natury. Ciągłe kierowanie uwagi
w procesie 1 na określony cel powoduje zgodnie z opisywa‑
nym efektem Zeno utrzymanie obserwowanego zjawiska
w stanie powolnych przemian.
Oto schemat przemian wg Stappa:
Teoria Henry Stappa
Teoria Stappa opiera się na rozszerzonej przez von Neu‑
manna teorii kwantowej. W ujęciu tym natura podzielona
jest na dwie części:
a) opisywaną przy użyciu terminologii fizycznej, skła‑
dającą się z układu badanego, urządzenia badającego oraz
ciała i mózgu badacza–obserwatora;
b) psychologiczną, do której należy świadomość, umy‑
słowość obserwatora.
Łącznikiem między tymi dwiema składowymi jest mózg
badacza, w obrębie którego zachodzące procesy wpływają
na wyniki dokonywanej obserwacji. Ta interferencja jest
wyróżnikiem teorii kwantowej, gdyż dotychczas uznawano,
iż eksperymentator nie wywiera bezpośredniego wpływu
na rezultaty pomiaru.
Ponadto teoria Stappa wyróżnia trzy rodzaje procesów,
zachodzących w naturze:
1. Proces 1 – stanowi wolny wybór dokonany przez
obserwatora, co rozumieć należy jako zadanie danego py‑
tania, pobranie określonych pomiarów.
2. Proces 2 – stanowi przejście układu z jednego stanu
w kolejny bez wyznaczania określonych parametrów tego
ostatniego, bez udziału badacza.
3. Proces 3 – jest odpowiedzią natury na pytanie, pa‑
rametry dane w procesie i ściśle podlega prawom staty‑
styki.
Proces 1 w odniesieniu do mózgu prowadzi do zdarzeń
dwojakiego rodzaju:
a) pasywnych, pojawiających się automatycznie, opi‑
sywanych językiem matematyki kwantowej, bez udziału
czynnika świadomego;
b) czynnych, zachodzących intencjonalnie, z udziałem
świadomego wysiłku; w odniesieniu do nich stosuje się
terminologię psychologiczną; ów świadomy wysiłek to stru‑
mień świadomości badacza, nazwany przez Neumanna abs‑
trakcyjnym ego; odpowiada on za kontrolę tzw. gęstości
uwagi, która to z kolei reguluje szybkość przebiegu procesu 1.
Ponadto, Stapp zauważa, że kwantowe nieokreśloności
stanu dotyczą również mózgu jako tzw. duże efekty kwan‑
towe. Zjawisko to związane jest z faktem, iż przekaźnic‑
two neuronalne w obrębie mózgowia zależy m.in. od stanu
kanałów jonowych, których średnica jest mniejsza niż 1
nm. Te małe wymiary wprowadzają do dynamiki procesów
kwantowe niepewności, które następnie rozprzestrzeniają się
w kolejnych wyższych etapach (uwalnianie neuroprzekaź‑
nika z pęcherzyków synaptycznych, przewodzenie impulsów
elektrycznych itd.). A więc stan fizyczny mózgu zgodnie
z procesem 2 ewoluuje w niby­‍‑chmurę możliwych nieskoń‑
czoności, spośród których proces 1 poprzez skierowanie stru‑
mienia świadomości i zwiększenie gęstości uwagi ekstrahuje
stan oczekiwany. Proces 1 w odróżnieniu od procesu 2 nie
oddziałuje lokalnie (na poziomie atomów, cząsteczek), lecz
jest zjawiskiem obejmującym wyższe poziomy organizacji
strukturalnej. Wyodrębnia on funkcjonalny zespół oscylu‑
jących makroskopowych podsystemów, realizujących ocze‑
kiwane zadanie. Stapp przyrównuje proces 1 do działania
prostego oscylatora harmonicznego, jako że generowany
przez niego strumień świadomości związany jest z gene‑
rowaniem fali elektromagnetycznej z 40 Hz oscylacjami,
10
JOLANTA TUROWSKA-KOWALSKA
co odpowiada czynności gamma mózgowia. Dowodzi się,
iż czynność mózgowia w tym wysokim dla niego paśmie
częstotliwości odpowiada za zjawisko uwagi oraz stanowi
mechanizm integralności neuronalnej niezbędnej do wyko‑
nania określonego zadania. W ten oto sposób przeszliśmy
od poziomu kwantowego, aż po czynność falową mózgu.
Wnioski
Na podstawie powyższych rozważań wysnuć można
wnioski odnośnie przebiegu pobudzenia już od skali „nano”
aż po struktury anatomiczne w oparciu o teorię świado‑
mości Stappa, która to wydaje mi się godna uwagi, gdyż
jako jedna z nielicznych odnosi efekty kwantowe również
do procesów mózgowych. W opozycji do niej jest prąd
filozoficzno­‍‑naukowy reprezentowany m.in. przez Penro‑
se’a, który zakłada, iż w „mokrej, ciepłej tkance mózgowej”
dochodzi do dekoherencji funkcji falowych, stąd też efekty
kwantowe ulegają zniesieniu.
Jak zatem przebiega bodziec w układzie neuronów
lustrzanych? Uważam, że rozpoczyna się od obserwa‑
cji czynności drugiej osoby, prowadzącej do pobudzenia
w MNS. Aktywacja ta z kolei kieruje strumień świadomości
badacza na wykonywany akt, powodując wzrost gęstości
uwagi. Tym samym eksperymentator staje się autoobserwa‑
torem własnych czynności umysłowych i zgodnie z teorią
Stappa dochodzi do wyboru zachodzących zdarzeń (proces
1) spośród szeregu istniejących możliwych stanów dopusz‑
czonych przez proces 2. Już jako obserwator moduluje
on poprzez efekt Zeno i anty­‍‑Zeno trwałość danego stanu
kanałów jonowych na większym obszarze mózgowia (pro‑
ces 1 nie zachodzi lokalnie), powodując synchronizację ich
działania w czasie i wytworzenie czynności gamma rów‑
nolegle w wielu lokalizacjach na powierzchni o średnicy
do 1 cm poprzez połączenia monosynaptyczne. Aktywność
gamma rozprzestrzeniając się przechodzi w czynność beta,
w związku z tym, iż wywodzi się ona z połączeń polisy‑
naptycznych i warunkuje współdziałanie odległych obsza‑
rów mózgowia. Dowodzi się, iż równoległa synchronizacja
faz różnych częstotliwości, zwłaszcza niskich i wysokich,
odpowiada za regulację czynności na różnych poziomach
organizacji strukturalnej i prawdopodobnie warunkuje inte‑
gralność mózgu.
Przedstawione rozważania rodzą szereg nowych pytań,
które pozostawiam otwarte. W jaki sposób poprzez samą
obserwację drugiego człowieka aktywowane są neurony
obserwatora bez materii pośredniczącej? Czyżby umysły obu
były w rezonansie ze sobą? Jakie jest pochodzenie procesu 1?
Jaki jest udział gleju w modulacji procesów świadomych?
Jaką rolę odgrywają tzw. fale wolne mózgu? Jaki jest ich
związek z falami szybkimi? Czy ich wzajemna „rozmowa”
warunkuje procesy zapamiętywania? A zatem, czy poprzez
częstą aktywację opisanej wyżej kaskady w układzie MN
utrwalamy obserwowane schematy? Czyżby te procesy
leżały u podstawy tzw. kontaminacji neuronalnej i dal‑
szym przebiegu ewolucji?
Piśmiennictwo tematu
wykorzystane i sugerowane
1. Agnew Z., Bhakoo K., Puri B.: The human mirror system – a motor reso‑
nance theory of mind­‍‑reading. Brain Res Rev. 2007, 54, 286–293.
2. Aziz­‍‑Zadeh L., Koski L., Zaidel E., Mazziotta J., Iacoboni M.: Later‑
alization of the human mirror neuron system. J Neurosci. 2006, 26
(11), 2964–2970.
3. Baird A., Colvin M., Vanhorn J., Inati S., Gazzaniga M.: Functional
connectivity: integrating behavioral, diffusion tensor imaging, and
functional magnetic resonance imaging data sets. J Cogn Neurosci.
2005, 17, 687–693.
4. Bekkering H., Wohlschlager A., Gattis M.: Imitation of gestures in
children is goal­‍‑directed. Quart J Exp Psychol. 2000, 53, 153–164.
5. Buccino G., Binkofski F., Fink G., Fadiga L., Fogassi L., Gallese
V. i wsp.: Action observation activates premotor and parietal areas
in a somatotopic manner – an fMRI study. Eur J Neurosci. 2001, 13,
400–404.
6. Catani M., Jones D., Ffytche D.: Perisylvian language networks of the
human brain. Ann Neurol. 2005, 57, 8–16.
7. Cattaneo L., Rizzolatti G.: The mirror neuron system. Arch Neurol.
2009, 66 (5), 557–560.
8. Iacoboni M., Dapretto M.: The mirror neuron system and the conse‑
quences of its dysfunction. Nat Rev Neurosci. 2006, 7, 942–951.
9. Kilner J., Friston K., Frith C.: The mirror­‍‑neuron system – a Bayesian
perspective. Neuroreport. 2007, 18 (6), 619–623.
10. Kopell N., Ermentrout G., Whittington M., Traub R.: Gamma rhythms
and beta rhythms have different synchronization properties. Proc Natl
Acad Sci USA. 2000, 97 (4), 1867–1872.
11. Koski L., Iacoboni M., Dubeau M., Woods R., Mazziotta J.: Modula‑
tion of cortical activity during imitative behaviors. J Neurophysiol.
2003, 89, 460–471.
12. Molenberghs P., Cunnington R., Mattingley J.: Is the mirror neuron
system involved in imitation? A short review and meta­‍‑analysis. Neu‑
rosci Biobehav Rev. 2009, 33, 975–980.
13. Pineda J.: Sensorimotor cortex as a critical component of an ‘extended’
mirror neuron system – does it solve the development, correspondence,
and control problems mirroring? Beh Brain Funct. 2008, 4, 47.
14. Rizzolatti G., Craighero L.: The mirror­‍‑neuron system. Annu Rev
Neurosci. 2004, 27, 169–192.
15. Schwartz J.M., Stapp H.P., Beauregard M.: Quantum physics in neu‑
roscience and psychology – a neurophysical model of mind/brain in‑
teraction, Philos Trans R Soc. 2005, 360, 1309–1327.
16. Stapp H.: A model of the quantum – classical and mind­‍‑brain con‑
nections, and of the role of the quantum Zeno effect in the physical
implementation of conscious intent. Lawrence Berkeley National
Laboratory, Berkeley 2008.
17. Tallon­‍‑Baudry C., Bertrand O.: Oscillatory gamma activity in humans
and its role in object representation, Trends Cogn Sci. 1999, 3 (4),
151–162.
18. Urchs M.: O procesorach i procesach myślowych. Elementy kognity‑
wistyki. Wyd. Naukowe Uniw. M. Kopernika, Toruń 2009.
19. Varela F., Lachaux J.P., Rodrigez E., Martinerie J.: The brainweb –
phase synchronization and large­‍‑scale integration. Nat Rev Neurosci.
2002, 2, 229–239.