AUSTRALSKI znanstvenici otkrili su da bi fascinantna moć obrade podataka u ljudskom mozgu mogla dijelom proizlaziti iz razlika u strukturi i funkciji ljudskih neurona u odnosu na iste stanice životinja.

Fascinantna računalna moć ljudskog mozga

Moć ljudskog mozga fascinira znanstvenike od davnina, a jedno od ključnih pitanja koja se nameću jest što ga čini toliko moćnim i tako superiornim životinjskim mozgovima.

Stručnjaci procjenjuju da je računalna moć mišjeg mozga oko 100.000 milijuna, odnosno 10¹¹ operacija u sekundi, dok se ljudska procjenjuje na 100.000.000 milijuna, odnosno 10¹⁴. Osobna računala danas su sposobna provoditi oko 10¹² operacija u sekundi, čime su već nadišla računalnu moć mišjih mozgova, a očekuje se da bi negdje do 2030. mogla dostići i performanse ljudskih.

Neki stručnjaci procjenjuju da postoji oko 50% vjerojatnosti da će umjetna inteligencija nadmašiti ljude u svim zadacima kroz 45 godina te da će sve ljudske poslove automatizirati kroz 120 godina. No to ne znači nužno da će u skoroj budućnosti jedno jedino računalo imati sve iste sposobnosti kakve imaju ljudi. Štoviše, nova istraživanja pokazuju da još mnogo toga ne znamo o mozgu, živčanim stanicama te o njihovim dijelovima i funkcijama.

Nije sve u veličini

Već je dulje jasno da sposobnosti ljudskog mozga ne proizlaze isključivo iz njegovih dimenzija. Kada bi bila bitna samo veličina, onda bi veliki plavetni kitovi, koji imaju četiri puta veće mozgove (8000 cm³) od ljudi (1300 cm³), bili pametniji. Stručnjaci procjenjuju da bi dimenzije mozga mogle biti odgovorne za samo 9 do 16 posto inteligencije.

Postoji određena korelacija između omjera mase mozga i tijela, no ni ona ne smješta čovjeka na vrh. Naime, neki kitovi, dupini i slonovi imaju veći omjer mase mozga u odnosu na tijelo.

Funkcionalna skeniranja, koja se koriste za traženje područja mozga povezanih s određenim mentalnim aktivnostima, otkrivaju da također postoji određena korelacija između inteligencije i debljine parijetalne, sljepoočne i frontalne regije korteksa. Međutim i ta korelacija je skromna, a usto još uvijek nije potpuno jasno jesu li navedeni čimbenici uzrok inteligencije ili je uzrok i jednog drugog dublji.

Konačno, danas znamo da se računalna moć mozga također ne može u potpunosti objasniti ni brojem neurona koje sadrži, iako postoji određena korelacija između inteligencije i broja neurona. Za ilustraciju, procjenjuje se da ljudski mozak ima između 16.34 i 21 milijarde neurona, dok u mozgu orke odnosno kita ubojice ima oko 43.1 milijarde neurona.

Čak i pojedinačni neuroni imaju zapanjujuće sposobnosti

Za razumijevanje novog istraživanja australskih znanstvenika važno je podsjetiti kako izgleda građa neurona i koje su funkcije njegovih dijelova.

Svaki neuron sastoji se od tijela stanice, dendrita i aksona. Tijelo stanice sadrži jezgru i okolnu citoplazmu. Dendriti su kraći izdanci koji se pružaju od tijela živčane stanice i primaju podražaje s osjetnih organa ili iz drugih živčanih stanica. S druge strane, akson je obično duži izdanak neurona koji može doseći od nekoliko mikrona do jednog metra, a prenosi odgovor neurona u obliku novih živčanih podražaja na druge živčane stanice ili izvršne organe poput mišićnih vlakana ili žlijezda.  

Uobičajeno se smatra da sposobnosti mozga za obradu informacija proizlaze iz trilijuna veza koje povezuju neurone. No neka novija istraživanja pokazuju da za bolje razumijevanje računalne moći ljudskog mozga treba pomnije istražiti pojedinačne neurone i njihove sastavne dijelove koji sami po sebi imaju veću računalnu moć nego što je do nedavno bilo zamislivo. Primjerice, jedna studija objavljena 2020. u časopisu Science pokazala je da pojedinačni dendritički ogranci neurona mogu sami izvoditi određene izračune i logičke operacije koje su matematički teoretičari donedavno smatrali nerješivima za jednostavne sustave sastavljene od jednog neurona; smatrali su da su za to potrebne višeslojne neuronske mreže.

To znači da razlika između moći mozga životinje i čovjeka ne mora biti objašnjiva samo brojem neurona i njihovom povezanosti nego da treba u obzir uzeti i razlike u strukturi i performansama pojedinačnih neurona i njihovih sastavnih dijelova.

Eksperimenti na živom tkivu mozga

U novom radu, objavljenom u časopisu Cell Reports, istraživači sa Sveučilišta Queensland (UQ), The Mater Hospital i Royal Brisbane and Women's Hospital pokazali su da bi uzrok velike računalne snage ljudskog mozga mogli biti upravo određeni čimbenici u strukturi i funkciji ljudskih neurona.

Profesor Stephen Williams s Instituta za mozak u Queenslandu objasnio je da je njegov tim istraživao električna svojstva ljudskih neokortikalnih piramidalnih neurona koji su sastavni dio neuronske mreže.

"Kako bismo proučavali ljudske neurone, pripremili smo rezove živog tkiva iz uzoraka ljudskog neokorteksa prikupljenih od pacijenata koji su bili podvrgnuti neurokirurgiji radi ublažavanja refraktorne epilepsije ili radi uklanjanja tumora mozga u dvije bolnice", rekao je profesor Williams.

Pojasnio je da su u svojem istraživanju uspoređivali električna svojstva neokortikalnih piramidalnih neurona ljudi i glodavaca tako što su radili istovremene električne snimke tijela stanica i njihovih tankih produžetaka - dendrita.

Australski tim tumači da je u svojem istraživanju potvrdio da neokortikalni piramidalni neuroni ljudi i glodavaca dijele osnovna biofizička svojstva.

"Primjerice, pokazali smo da dendriti neokortikalnih piramidalnih neurona ljudi i glodavaca stvaraju u dendritima natrijeve šiljke, što ukazuje na očuvanje mehanizma za integriranje tisuća ulaznih signala koje neuroni primaju. Međutim, otkrili smo da je računalna funkcija ljudskih neokortikalnih piramidalnih neurona dramatično poboljšana", objasnio je profesor Williams.

Koautorica studije dr. Helen Gooch izjavila je da je tim otkrio da je arhitektura dendritičkih stabala ljudskih neokortikalnih piramidalnih neurona veća i složenija nego kod drugih sisavaca, poput glodavaca.

"Grananja dendritičkog stabla kod ljudi bila su popraćena stvaranjem dendritičkih šiljaka na više mjesta, koji su se aktivno širili kroz neuron kako bi pokrenuli izlazne signale svakog neurona", rekla je dr. Gooch.

"Smatramo da bi ovo poboljšanje distribuirane obrade dendritičnih informacija moglo biti jedan od čimbenika koji povećavaju ukupnu moć obrade našeg mozga", dodala je.

Povećanje broja neurona nije nužno dobro

Prof. Srećko Gajović s Hrvatskog instituta za istraživanje mozga Medicinskog fakulteta u Zagrebu kaže da pripada krugu znanstvenika koji u svojim istraživanjima proučavaju mišji mozak kao pokusni model za razumijevanje bolesti ljudskog mozga.

"U tom svojstvu često moram ponavljati očiglednu činjenicu da miš nije čovjek. Međutim, uvidi koje dobivamo proučavajući molekularne i stanične osnove djelovanja mišjeg mozga konceptualno nadrastaju male miševe i primjenjivi su u razmatranju ljudi", kaže Gajović.

"Mogućnost kreiranja genetski preinačenih miševa omogućuje poremetiti molekularne odnose tijekom razvoja mišjeg mozga te dovesti do stvaranja većeg broja neurona ili zadebljanja moždane kore, međutim to ne dovodi do 'pametnijeg' miša, već do specifičnih neuroloških poremećaja kod tih životinja. To ukazuje da je za zdrav mozak potrebna ravnoteža neuronskih krugova, a ozdravljenje bi predstavljalo ponovno uspostavljanje ove ravnoteže. Nije dovoljno imati bolje neurone da bismo postali ljudi, već uspostaviti kvalitetniju ravnotežu složenog sustava", tumači naš neurolog.

Dobri modeli važni su za istraživanje bolesti i pronalaženje lijekova

Ističe da evolucijski napredak čovjeka u odnosu na miša definitivno nije temeljen samo na većem broju građevnih jedinica, već i na kvalitetnom skoku integracije i obrade informacija.

"Ovo novo istraživanje također tvrdi da ljudski neuroni, osim što dijele biološke zakonitosti s drugim vrstama uključujući miševe, na bolji način obrađuju informacije. Ako želimo razumjeti ljudske bolesti, trebamo se domisliti kako uvide koje dobivamo na miševima provjeriti na pokusnim modelima koji bi uključivali ljudske stanice i tkiva. Ovaj izazov nije uopće lak, pogotovo ako se bavimo ljudskim mozgom, ali je dio mukotrpnog puta u pronalaženju lijekova za bolesti ljudskog mozga, lijekova koji bi zaštitili neurone od oštećenja (neuroprotekcija) ili ih obnovili (neurorestoracija)", zaključuje Gajović.