ένα πουλί και πιο
αργή από τον ήχο. Κυριότερα όμως,
με αποδοτικότητα
και συγχρονισμό, χαρακτηριστικά
που φαίνονται πως
είναι τα σημαντικότερα.
O Γερμανός φυσιολόγος Hermann von Helmholtz προσπάθησε να μετρήσει την ταχύτητα μετάδοσης των νευρικών σημάτων
Όταν ο Samuel Morse εφηύρε τον πρώτο εμπορικό τηλέγραφο, το 1844, άλλαξε δραματικά τις προσδοκίες μας για τον ρυθμό της ζωής. Ένα από τα πρώτα τηλεγραφικά μηνύματα ήρθε από την Εθνική Δημοκρατική Συνέλευση στη Βαλτιμόρη, όπου οι αντιπρόσωποι επέλεξαν τον γερουσιαστή Silas Wright ως τον υποψήφιό τους για την αντιπροεδρία. Ο πρόεδρος της συνέλευσης τηλεγράφησε στον Wright στη Washington, D.C., για να δει εάν θα δεχόταν. Ο Wright μετέδωσε άμεσα την απάντησή του. Όχι. Δύσπιστοι για το ότι ένα μήνυμα θα μπορούσε να πετάξει σχεδόν αστραπιαία μέσω ενός σύρματος, οι αντιπρόσωποι διέκοψαν τη συνέλευση και έστειλαν μια επιτροπή με σάρκα και οστά μέσω τραίνου ώστε να επιβεβαιώσουν την απάντηση του Wright, η οποία φυσικά ήταν η ίδια. Από τέτοιου είδους πρώτα βήματα προήλθε η σημερινή, υψηλών ταχυτήτων, δικτυωμένη κοινωνία.
Hermann von Helmholtz
Είναι λιγότερο διάσημο, αλλά όχι και λιγότερο σημαντικό, το γεγονός ότι ο τηλέγραφος μεταμόρφωσε επίσης τον τρόπο με τον οποίο αντιλαμβανόμαστε τον ρυθμό της εσωτερικής μας ζωής. Η εφεύρεση του Morse έκανε το ντεμπούτο της ακριβώς τη στιγμή που οι ερευνητές είχαν ξεκινήσει να κατανοούν το νευρικό σύστημα και τα τηλεγραφικά σύρματα αποτελούσαν ένα εμπνευσμένο μοντέλο για το πώς θα μπορούσαν να λειτουργούν τα νεύρα. Άλλωστε, τα νεύρα και τα σύρματα του τηλέγραφου ήταν και τα δύο μακριές χορδές που χρησιμοποιούσαν τον ηλεκτρισμό για να μεταφέρουν σήματα. Οι επιστήμονες γνώριζαν πως τα τηλεγραφικά σήματα δεν ταξίδευαν αστραπιαία, σε ένα πείραμα μάλιστα, χρειάστηκε ένα τέταρτο του δευτερολέπτου για να ταξιδεύσει ένα σύνολο από τελείες και παύλες για 900 μίλια κατά μήκος ενός τηλεγραφικού καλωδίου. Ίσως, οι πρώτοι αυτοί ερευνητές του εγκεφάλου να είχαν θεωρήσει ότι χρειαζόταν χρόνος και για τα νεύρα ώστε να στείλουν σήματα. Και ίσως να μπορούσαμε να ποσοτικοποιήσουμε τον χρόνο αυτό.
Η ιδέα πως η ταχύτητα της σκέψης θα μπορούσε να μετρηθεί, ακριβώς όπως η πυκνότητα μιας πέτρας, ήταν κάτι το σοκαριστικό. Αλλά αυτό ακριβώς ήταν που έκαναν οι επιστήμονες. Το 1850 ο Γερμανός φυσιολόγος Hermann von Helmholtz προσάρμοσε καλώδια στους μυς του ποδιού ενός βατράχου, έτσι ώστε όταν ο μυς συσπάται να κλείνει ένα κύκλωμα. Βρήκε πως χρειαζόταν ένα δέκατο του δευτερολέπτου για να ταξιδέψει ένα σήμα από το νεύρο μέχρι το μυ. Σε άλλο πείραμα εφάρμοσε ένα ήπιο σοκ στο δέρμα των ανθρώπων που ήταν υποκείμενα στο πείραμά του και τους ζήτησε να κάνουν μια χειρονομία μόλις το ένιωθαν.
Όπως διαπιστώθηκε, χρειαζόταν χρόνος για να ταξιδέψουν τα σήματα στα ανθρώπινα νεύρα. Στην πραγματικότητα, ο Helmholtz ανακάλυψε πως χρειαζόταν περισσότερος χρόνος στους ανθρώπους για να αντιδράσουν σε ένα σοκ στο δάκτυλο του ποδιού απ' ότι σε ένα σοκ που εφαρμοζόταν στη βάση της σπονδυλικής στήλης, επειδή η διαδρομή προς τον εγκέφαλο ήταν πιο μακριά.
Τα αποτελέσματα του Helmholtz συγκρούονταν με τις συνήθεις διαισθήσεις των ανθρώπων που βίωναν τον κόσμο τη στιγμή που συνέβαινε κάθε γεγονός χωρίς να υπάρχει κάποια καθυστέρηση μεταξύ μιας αίσθησης και της συνειδητοποίησής της.«Όλο αυτό είναι μια πλάνη,» δήλωσε ο Γερμανός φυσιολόγος Emil Du Bois-Reymond το 1868. «Φαίνεται ότι το 'γοργό σαν τη σκέψη' δεν είναι τελικά και τόσο γρήγορο.»
Με τα απλά τους εργαλεία, ο Helmholtz και άλλοι μπορούσαν να κάνουν μόνο χονδροειδείς μετρήσεις της ταχύτητας της σκέψης. Κάποιοι από αυτούς κατέληξαν με εκτιμήσεις που ήταν διπλάσιες σε ταχύτητα από εκτιμήσεις άλλων. Οι ερευνητές προσπαθούσαν να πάρουν όλο και πιο ακριβή αποτελέσματα. Σήμερα είναι ξεκάθαρο γιατί είχαν δυσκολευτεί τόσο πολύ. Τα νεύρα μας λειτουργούν με τόσες πολλές διαφορετικές ταχύτητες, αντανακλώντας τις βιολογικές προκλήσεις της σύνδεσης όλων των τμημάτων του σώματος. Σε κάποιες περιπτώσεις η εξέλιξη ρύθμισε τους εγκεφάλους μας να λειτουργούν σαν μια ψηφιακή οδό υπερυψηλών ταχυτήτων και σε άλλες μας άφησε με το 'Pony Express'.
Η σκέψη μπορεί να μην είναι αστραπιαία, αλλά είναι αρκετά γρήγορη για να μοιάζει έτσι τις περισσότερες φορές. Δεν είναι δύσκολο να καταλάβει κανείς την ανάγκη για ταχύτητα στο νευρικό σύστημα. Πολλά ζώα εξαρτώνται από τα νεύρα τους για να νιώσουν τον κίνδυνο και να ξεφύγουν από αρπακτικά και τα αρπακτικά με τη σειρά τους, εξαρτώνται από τα νεύρα τους για να κατορθώσουν μια γρήγορη επίθεση. Αλλά η ταχύτητα μας επηρεάζει και με πιο εκπληκτικούς τρόπους.
Σε ένα κοινό πείραμα με προορισμό τη μελέτη της ταχύτητας της σκέψης, οι ερευνητές δείχνουν για σύντομο διάστημα στα πειραματικά υποκείμενα ένα ασύμμετρο, ανάποδο U και στη συνέχεια τους ρωτάνε ποιο σκέλος από το σχήμα είναι πιο μακρύ. Προκύπτει ότι οι χρόνοι αντίδρασης των υποκειμένων λένε πολλά πράγματα για τη ζωή τους εν γένει. Οι άνθρωποι με γρηγορότερες αντιδράσεις τείνουν να κάνουν υψηλότερα σκορ σε τεστ νοημοσύνης. Κάποιοι ψυχολόγοι υποστήριξαν ότι μια μεγάλη ταχύτητα επεξεργασίας στον εγκέφαλο αποτελεί ζωτικό συστατικό για την ευφυΐα. Οι αντιδράσεις επιβραδύνονται όταν οι άνθρωποι υποφέρουν από διάφορες ψυχολογικές δυσλειτουργίες όπως η κατάθλιψη. Είναι ακόμα πιο περίεργο το γεγονός ότι άνθρωποι με πολύ αργούς χρόνους αντίδρασης είναι πιο πιθανό να πεθάνουν από εγκεφαλικά ή καρδιακά επεισόδια.
Η υψηλή ταχύτητα είναι επίσης σημαντική για τον τρόπο με τον οποίο αντιλαμβανόμαστε τον κόσμο. Τρεις ή τέσσερις φορές στο δευτερόλεπτο, τα μάτια μας εφορμούν προς μια νέα κατεύθυνση, επιτρέποντάς μας να αντιληφθούμε τι βλέπουμε σε κάθε σημείο μονάχα για ένα δέκατο του δευτερολέπτου. Και αξιοποιούμε με θαυμαστό τρόπο το χρονικό αυτό διάστημα. Πρόσφατα, οι νευροεπιστήμονες Michelle Greene και Aude Oliva του MIT έκαναν ένα πείραμα στο οποίο έδειξαν για σύντομο χρόνο στα πειραματικά υποκείμενα μια σειρά από τοπία και στη συνέχεια έθεσαν ερωτήσεις σχετικά με τις σκηνές. Για παράδειγμα, υπήρχε δάσος στην εικόνα; Έμοιαζε σαν ένα ζεστό μέρος; Οι άνθρωποι τα πήγαν καλά στις δοκιμασίες αυτές ακόμα και όταν έριχναν μια πολύ σύντομη ματιά στις εικόνες που διαρκούσε λιγότερο από ένα δέκατο του δευτερολέπτου.
Μπορούμε να κατανοήσουμε τον κόσμο τόσο γρήγορα λόγω κάποιων έξυπνων ενισχυτών ταχύτητας που βρίσκονται στα μάτια μας από κατασκευής μας. Ο Tim Gollisch του Ινστιτούτου Νευροβιολογίας Max Planck στη Γερμανία βρήκε πρόσφατα, στοιχεία για την ύπαρξη ενός τέτοιου ενισχυτή. Απέσπασε αμφιβληστροειδικό ιστό από αμφίβια και εξέθεσε τον ζωντανό ιστό σε μια σειρά από απλά γεωμετρικά μοτίβα. Στη συνέχεια κατέγραψε το πώς πυροδοτήθηκαν τα νευρικά κύτταρα σε ανταπόκριση των ερεθισμάτων αυτών. Πρόσεξε ότι κάθε νευρώνας ξεκίνησε να πυροδοτείται λίγο νωρίτερα ή λίγο αργότερα, ανάλογα με το ποια εικόνα έβλεπε. Οι μεταβολές ήταν αρκετά διακριτές που μπορούσε να προβλέψει ένα σχήμα κοιτάζοντας μόνο τον χρόνο που συνέβαινε η νευρωνική αντίδραση. Αν και το τεστ αυτό ενέπλεκε αμφίβια, ο Gollisch προτείνει πως τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να ισχύουν και σε ανθρώπινους εγκέφαλους. Ίσως να μη χρειάζεται να φτάσουν όλα τα σήματα από τον αμφιβληστροειδή πριν ξεκινήσει να δομείται μια αναπαράσταση του κόσμου. Μπορεί να ξεκινάει μόλις ληφθούν τα πρώτα τμήματα της πληροφορίας.
Η χρήση ενός γρήγορου κώδικα βοηθάει στην αύξηση της ταχύτητας της σκέψης, αλλά σε μεγάλο βαθμό ο εγκέφαλος, όπως συμβαίνει και με το τηλεγραφικό δίκτυο, εξαρτάται από την ύπαρξη αποτελεσματικών οδών. Ώσεις από τον αμφιβληστροειδή, για παράδειγμα, θα πρέπει να ταξιδέψουν μέσω του οπτικού νεύρου στον θάλαμο, ο οποίος αναμεταδίδει τα σήματα στον οπτικό φλοιό στο οπίσθιο τμήμα του εγκεφάλου. Στη συνέχεια κατευθύνονται προς άλλα εγκεφαλικά κέντρα όπου χρησιμοποιούμε τις οπτικές πληροφορίες ώστε να πάρουμε αποφάσεις και να δράσουμε. Ένας τρόπος να επισπευτεί το ταξίδι αυτό είναι να χρησιμοποιηθούν συνδέσεις υψηλής ταχύτητας. Το 1854 ο φυσικός William Thomson έδειξε ότι όσο φαρδύ ήταν ένα τηλεγραφικό σύρμα, τόσο γρηγορότερη ήταν η μετάδοση του σήματος από αυτό. Η ίδια αρχή ισχύει και για τα νεύρα. Οι πιο γρήγοροι νευράξονες, όπως τα κύτταρα του Betz στον εγκέφαλο, είναι 200 φορές πιο χοντροί από τους πιο λεπτούς νευράξονες.
Ένας άλλος τρόπος για να αυξηθεί η ταχύτητα των συρμάτων είναι το να μονωθούν, κάτι που επίσης ισχύει και για τους νευρώνες. Κάποιοι νευρώνες περιβάλλονται από έναν μονωτικό ιστό που λέγεται μυελίνη. Στους υψηλώς μυελινωμένους νευρώνες που κατέρχονται στη σπονδυλική στήλη, τα σήματα μπορούν να ταξιδέψουν με ταχύτητα που φτάνει τα 180 μίλια την ώρα. Σε νευρώνες που δεν έχουν έλυτρα μυελίνης τα σήματα ταξιδεύουν με ταχύτητα που φτάνει μόλις το μισό μίλι την ώρα. Οι νευρικές ίνες που μεταφέρουν την πληροφορία για τον πόνο είναι από τις πιο αργές. Ο πόνος μπορεί να κάνει μέχρι και δευτερόλεπτα για να φτάσει στον εγκέφαλο, κάτι που εξηγεί το γιατί κάποιες φορές μοιάζει να αντιδρούμε σε μια ενόχληση που έχουμε στο δάχτυλο σαν σε αργή κίνηση.
Κατ' αρχήν, οι σκέψεις μας θα μπορούσαν να μεταφέρονται με μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα εάν όλοι οι άξονες στον εγκέφαλό μας ήταν χοντροί. Αλλά ο ανθρώπινος εγκέφαλος έχει τουλάχιστον διακόσιες πενήντα χιλιάδες μίλια από συνδέσεις, κάτι που είναι παραπάνω από αρκετό για να φτάσει κανείς από τη Γη στη Σελήνη και είναι ήδη αρκετά στριμωγμένες. Ο Sam Wang, νευροεπιστήμονας του Πανεπιστημίου του Princeton, μέτρησε πόσο μεγάλος θα ήταν ο εγκέφαλός μας εάν ήταν κατασκευασμένος με χοντρούς νευράξονες. «Φτιάχνοντας έναν ολόκληρο εγκέφαλο με τέτοιους θα έκανε τόσο μεγάλα κεφάλια που δε θα χωρούσαμε να περάσουμε από τις πόρτες», κατέληξε. Ένας τέτοιος εγκέφαλος θα κατανάλωνε επίσης μια τεράστια ποσότητα ενέργειας.
Δεδομένων των περιορισμών της βιολογίας και της φυσικής, οι εγκέφαλοί μας εμφανίζονται να έχουν εξελιχθεί ώστε να λειτουργούν με μεγάλη αποτελεσματικότητα. Για παράδειγμα, οι νευρώνες στον εγκέφαλο τείνουν να ενώνονται σχηματίζοντας μικρά δίκτυα, τα οποία με τη σειρά τους συνδέονται μεταξύ τους με σχετικά λίγες συνδέσεις μακρών αποστάσεων. Αυτό το είδος δικτύου χρειάζεται λιγότερες συνδέσεις από άλλες διευθετήσεις και με τον τρόπο αυτό βραχύνονται οι αποστάσεις που χρειάζεται να διανυθούν από τα σήματα.
Οι εγκέφαλοί μας επίσης αυξάνουν την ταχύτητά τους με την άσκηση. Ο Rene Marois, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο Vanderbilt, μέτρησε το φαινόμενο αυτό βάζοντας ανθρώπους να κάνουν ένα βασικό τεστ πολλαπλών έργων. Έπρεπε να αναγνωρίσουν ποιο από δύο πιθανά πρόσωπα εμφανιζόταν στην οθόνη ενός υπολογιστή ενώ την ίδια στιγμή έπρεπε να αντιδράσουν σε έναν από δύο πιθανούς ήχους. Μέσα σε ακριβώς δύο βδομάδες εξάσκησης (που περιλάμβαναν οκτώ με δώδεκα συνεδρίες άσκησης) τα πειραματικά υποκείμενα μπορούσαν να επιτελέσουν και τα δύο έργα με αστραπιαία διαδοχή και με τέτοια ταχύτητα που πλησίαζε αυτή την οποία θα επιτύγχαναν εάν έκαναν το κάθε ένα από αυτά από μόνο του. Με την εξάσκηση, υποπτεύεται ο Marois, οι περιοχές του εγκεφάλου όπου συναντάται συνωστισμός νευρωνικής επεξεργασίας, κυρίως στον προμετωπιαίο φλοιό, απαιτούν λιγότερα σήματα και λιγότερο χρόνο για να παράγουν τη σωστή απόκριση.
Αλλά κάποιες φορές οι εγκέφαλοί μας χρειάζεται να καθυστερήσουν. Στον αμφιβληστροειδή, οι νευρώνες που βρίσκονται κοντά στο κέντρο είναι πολύ πιο κοντοί από αυτούς που βρίσκονται στις άκρες, όμως με κάποιον τρόπο όλα τα σήματα καταφέρνουν να φτάσουν στην επόμενη στρώση νευρώνων στον αμφιβληστροειδή και το κάνουν αυτό ταυτόχρονα. Ένας τρόπος με τον οποίο μπορεί το σώμα να το κατορθώνει αυτό είναι με το να καθυστερεί κάποια νευρικά σήματα, για παράδειγμα με το να έχει τοποθετήσει λιγότερη μυελίνη στους σχετικούς νευράξονες. Ένας άλλος πιθανός τρόπος για να ταξιδεύουν οι νευρικοί παλμοί πιο αργά εμπλέκει την ανάπτυξη πιο μακριών αξόνων, έτσι ώστε τα σήματα να έχουν μεγαλύτερη απόσταση να διανύσουν.
Στην πραγματικότητα, η μείωση της ταχύτητας της σκέψης σε συγκεκριμένα σημεία είναι σημαντική για τη θεμελίωση της συνείδησης. Η από στιγμή σε στιγμή ενημερότητά μας για τους εσωτερικούς εαυτούς μας και τον εξωτερικό κόσμο εξαρτάται από τον θάλαμο, μια περιοχή δίπλα στον πυρήνα του εγκεφάλου, ο οποίος στέλνει σήματα που μοιάζουν με αυτά ενός βηματοδότη και προορίζονται για τις εξωτερικές στοιβάδες του εγκεφάλου. Ακόμα και παρόλο που κάποιοι από τους άξονες που εξέρχονται από τον θάλαμο είναι κοντοί ενώ κάποιοι άλλοι είναι μακρύτεροι, τα σήματά τους φτάνουν παντού σε όλα τα τμήματα του εγκεφάλου την ίδια στιγμή, κάτι που είναι καλό εφόσον εάν συνέβαινε αλλιώς δε θα μπορούσαμε να σκεφτούμε με άμεσο τρόπο.
Έτσι, όταν ο Helmholtz αναγνώρισε ότι η σκέψη κινείται με πεπερασμένη ταχύτητα, πιο γρήγορα από ένα πουλί αλλά πιο αργά από τον ήχο, του ξέφυγε μια θεμελιώδης διαφορά μεταξύ του εγκεφάλου και ενός τηλέγραφου. Στα κεφάλια μας, η ταχύτητα δεν είναι πάντα το σημαντικότερο. Κάποιες φορές αυτό που πραγματικά έχει σημασία είναι ο σωστός συγχρονισμός.
Πηγή
