Μηχανές ανάγνωσης της σκέψης

Συντάκτης: Σπύρος Μανουσέλης

 H κατασκευή μηχανών που θα μας επέτρεπαν να γνωρίζουμε με ασφάλεια τι έχει στο μυαλό του ή τι σκέφτεται ένας άνθρωπος αποτελεί, μέχρι σήμερα, άπιαστο τεχνολογικό όνειρο, ένα είδος «Ιερού Γκράαλ» για τη σύγχρονη τεχνοεπιστήμη.

Χάρη όμως στις νέες νευροαπεικονιστικές τεχνικές (τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων, λειτουργική μαγνητική τομογραφία κ.ά.), είναι πλέον εφικτός ο εντοπισμός και η ανάλυση των εγκεφαλικών δομών που εμπλέκονται και τελικά παράγουν την ανθρώπινη σκέψη.

Εκεί που οι πανάρχαιες μαντικές πρακτικές αποτυγχάνουν παταγωδώς, οι πιο πρόσφατες τεχνικές «ανάγνωσης» του ανθρώπινου εγκεφάλου αποδεικνύονται πολύ πιο αποτελεσματικές, γνωστικά παραγωγικές και βιοϊατρικά επωφελείς.

Σε πολλά άρθρα αυτής της στήλης έχουμε αναφερθεί στις τεχνικές νευροαπεικόνισης (neuroimaging), χωρίς ωστόσο να παρουσιάσουμε αναλυτικά τις προϋποθέσεις και τις εφαρμογές αυτής της τεχνολογίας στην έρευνα του εγκεφάλου και του νου.

Για να διορθώσουμε αυτή την παράλειψη, θα αφιερώσουμε μια σειρά από άρθρα σχετικά με το παρόν και το μέλλον αυτών των ανατρεπτικών τεχνολογικών εξελίξεων.
Οι νέες τεχνικές απεικόνισης των μαιάνδρων και των λειτουργιών του εγκεφάλου

O ανθρώπινος εγκέφαλος είναι μια βιολογική μηχανή που αποτελείται από περίπου 100 δισεκατομμύρια νευρώνες και άλλα τόσα νευρογλοιακά κύτταρα, χάρη στις μεταξύ τους συνάψεις οι νευρώνες σχηματίζουν μέσα στο κεφάλι μας ένα τόσο πολύπλοκο δομικά και λειτουργικά δίκτυο που ο Παγκόσμιος Ιστός, το πλανητικό Διαδίκτυο, ωχριά μπροστά του.

Στην προσπάθειά τους να κατανοήσουν την πολυεπίπεδη οργάνωση και τη λειτουργία αυτού που δικαίως περιγράφεται ως η πιο περίπλοκη δομή στο γνωστό μας Σύμπαν, οι νευροεπιστήμονες χρησιμοποίησαν, κατά καιρούς, διάφορα επεμβατικά τεχνάσματα.

Εκτός από τις παραδοσιακές μεθόδους της ανατομικής και κυτταρικής ανάλυσης, οι ερευνητές, κατά τον εικοστό αιώνα, κατέφυγαν σε νέες συμπληρωματικές μεθόδους ανάλυσης της ηλεκτρικής και της βιοχημικής-μεταβολικής δραστηριότητας του εγκεφάλου συνολικά όσο και των επιμέρους νευρώνων που τον συγκροτούν.

Χάρη σε αυτές τις καινοτόμες τεχνικές έγινε εφικτός όχι μόνο ο ακριβής τοπολογικά αλλά και λειτουργικά εντοπισμός -ακόμη και σε επίπεδο μεμονωμένων κυττάρων!- των βασικών εγκεφαλικών μηχανισμών και των μικροδομών που τους στηρίζουν.

Πρόκειται για μια σημαντική καμπή που θα επιτρέψει, πρώτη φορά, την τεκμηριωμένη συσχέτιση μεμονωμένων νευρωνικών κυκλωμάτων με σύνθετες εγκεφαλικές λειτουργίες.

Μια καινοφανής -μεθοδολογικά και θεωρητικά- προσέγγιση των εγκεφαλικών και των νοητικών φαινομένων που, κατά το δεύτερο ήμισυ του εικοστού αιώνα, θα οδηγήσει στην ανάδυση νέων διεπιστημονικών κλάδων: από τις Νευροεπιστήμες μέχρι τις Γνωσιακές Επιστήμες και από τη Βιοπληροφορική μέχρι τη Νευροτεχνολογία.

Εκτοτε, ο εγκέφαλος δεν θεωρείται πλέον ένα αδιαπέραστο «μαύρο κουτί» αλλά η «μηχανή του νου», η δομή και οι λειτουργίες της οποίας είναι τεχνολογικά προσπελάσιμες.
Παλαιότερες τεχνικές χαρτογράφησης

Στις αρχές του προηγούμενου αιώνα, στην προσπάθειά τους να κατανοήσουν τις βασικές δομές και τις λειτουργίες του ανθρώπινου εγκεφάλου, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν την Ακτινογραφία μέσω ακτίνων Χ.

Επειδή, όμως, αυτές οι πρώτες ακτινογραφικές προσπάθειες δεν τους επέτρεπαν να διακρίνουν τις εγκεφαλικές μικροδομές, κατέφυγαν στην αγγειογραφία που τους προσέφερε μια πιο ακριβή περιγραφή των αγγειακών δομών και της κυκλοφορίας του αίματος μέσα σε αυτές.

Απογοητευμένοι από τα πενιχρά αποτελέσματα των παραπάνω τεχνικών, ορισμένοι ερευνητές δοκίμασαν μια πιο ευφάνταστη τεχνολογική «λύση», τον Πολυγράφο.

Πρόκειται για μια ξεχασμένη, σήμερα, ανακριτική πολυμηχανή, που υποτίθεται ότι ήταν σε θέση να ανιχνεύει το αν κάποιος ή κάποια ψεύδεται ή λέει την αλήθεια από ορισμένες σωματικές αντιδράσεις του/της.

Αυτό επιτυγχάνεται προσαρτώντας στο σώμα του ανακρινόμενου τρεις διαφορετικές συσκευές: έναν πνευμονογράφο, που καταγράφει κάθε μεταβολή στην αναπνοή και την κίνηση χάρη σε δύο ελαστικούς πνευμονογραφικούς σωλήνες που τοποθετούνται γύρω από το στέρνο και την κοιλιά του υποκειμένου.

Δύο πλάκες γύρω από το μεσαίο δάχτυλο και τον δείκτη του χεριού, που ανιχνεύουν τις γαλβανικές αντιδράσεις της επιδερμίδας κατά τη διάρκεια της εξέτασης. Και έναν καρδιοσφυγμογράφο, που καταγράφει τις μεταβολές της καρδιακής συχνότητας και της πίεσης του αίματος.

Ομως, η μεγάλη διάδοση που γνώρισε, κατά το παρελθόν, αυτή η μηχανή ως «ανιχνευτής του ψεύδους» δεν συνάδει ούτε με την αποτελεσματικότητα ούτε με τη φήμη της.

Κι αυτό, γιατί οι φυσιολογικές παράμετροι που καταγράφει εξαρτώνται από το αυτόνομο νευρικό σύστημα, η ενεργοποίηση του οποίου σχετίζεται ελάχιστα ή και καθόλου με τη συνειδητή επιλογή του να ψεύδεται κανείς.

Μια διαφορετική και πολλά υποσχόμενη «λύση» στα τεχνολογικά αδιέξοδα της μελέτης του εγκεφάλου ήταν η υιοθέτηση από τους νευρολόγους-φυσιολόγους της Ηλεκτροεγκεφαλογραφίας: τοποθετώντας πολλά ηλεκτρόδια-αισθητήρες στην επιφάνεια του κεφαλιού μπορούσαν μέσω των ηλεκτροεγκεφαλογραφημάτων να καταγράφουν και να αναλύουν κάθε μεταβολή της ηλεκτρικής δραστηριότητας του εγκεφαλικού φλοιού.

Ετσι, διαπίστωσαν ότι διάφορα εξωτερικά ερεθίσματα (π.χ. φωτογραφίες, λέξεις ή αντικείμενα) προκαλούν διαφορετικά πρότυπα ενεργοποίησης σε διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου φλοιού, η δραστηριότητα των οποίων καταγράφεται καταλεπτώς και εντοπίζεται επακριβώς μέσω του ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος (ΗΕΓ).

Η καταγραφή του συνόλου των ηλεκτρικών σημάτων που παράγονται σε κάθε περιοχή αντιστοιχεί στη δραστηριότητα των νευρώνων σε διαφορετικές εγκεφαλικές καταστάσεις (π.χ. στα στάδια του ύπνου και στην εγρήγορση) και σε διαφορετικές νοητικές δραστηριότητες (π.χ. οπτική ή ακουστική αντίληψη, μνημονική ανάκληση, μάθηση).

Ομως, παρά την τεράστια συμβολή της ηλεκτροεγκεφαλογραφίας στην κατανόηση της οργάνωσης και επικοινωνίας των νευρώνων, αυτή η τεχνική δεν μας επιτρέπει να έχουμε μια σαφή εικόνα του συνόλου των δομών και της σπονδυλωτής λειτουργίας του εγκεφάλου.
Τα υπολογιστικά πορτρέτα της εγκεφαλικής ανατομικής



Για να αποκτήσουν ακριβέστερη εικόνα των εγκεφαλικών δομών οι νευρολόγοι κατέφυγαν, τη δεκαετία του 1970, στην Αξονική Υπολογιστική Τομογραφία (CT scan). Μια μη επεμβατική ακτινολογική τεχνική που βασίζεται στην εκπομπή μιας στενής δέσμης ακτίνων Χ που διαπερνούν τον εγκέφαλο και συλλέγονται από μια διάταξη ευαίσθητων ανιχνευτών που περιστρέφονται γύρω από το κεφάλι λαμβάνοντας, από διαφορετικές γωνίες, μια σειρά ακτινογραφιών.

Κατόπιν, ένα υπολογιστικό πρόγραμμα συνδυάζει όλες αυτές τις ακτινογραφίες που απεικονίζουν στατικά τις διαφορές στην πυκνότητα του εγκεφαλικού ιστού, δηλαδή τις διαφορές ανάμεσα στις λεπτές τομές ή «φέτες» ιστού που αναλύονται από το υπολογιστικό πρόγραμμα του αξονικού τομογράφου.

Η απεικονιστική τεχνική της αξονικής τομογραφίας επέτρεψε στους ειδικούς να διακρίνουν σαφώς τα όρια της φαιάς από τη λευκή ουσία του εγκεφάλου, ενώ η διακριτική της ικανότητα τους επέτρεψε, πρώτη φορά, να διακρίνουν οπτικά και τοπολογικά πολλές βασικές δομές και να εντοπίζουν επακριβώς πιθανές κακώσεις ή όγκους στον εγκεφαλικό ιστό.

Ομως η διακριτική ικανότητα και η ανατομική ευκρίνεια αυτής της τεχνικής δεν είναι επαρκείς για τη λεπτομερέστερη απεικόνιση των μικροδομών του εγκεφάλου. Γεγονός που οδήγησε, την επόμενη δεκαετία, στην επινόηση μιας πραγματικά επαναστατικής τεχνικής νευροαπεικόνισης.

Ετσι, τη δεκαετία του 1980, θα κάνει την εμφάνισή της η Μαγνητική Τομογραφία (MRI), μια πραγματικά μη επεμβατική τεχνική απεικόνισης των εγκεφαλικών δομών που διαθέτοντας μεγαλύτερη διακριτική ικανότητα από την αξονική τομογραφία μπορεί να αποκαλύπτει πιστότερα τις μικροδομές του εγκεφάλου, συμβάλλοντας αποφασιστικά στην ανατομική χαρτογράφησή τους.

Οι εικόνες του εγκεφάλου προκύπτουν από τη δημιουργία ενός ισχυρού μαγνητικού πεδίου που δημιουργείται από έναν ισχυρό μαγνήτη που βρίσκεται πίσω από τα τοιχώματα του κυλινδρικού σαρωτή (scanner).

Το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται στο εσωτερικό του σαρωτή είναι 30.000 έως 80.000 φορές ισχυρότερο από το μαγνητικό πεδίο της Γης και οι σύντομοι αλλά ιδιαίτερα ισχυροί μαγνητικοί παλμοί που δημιουργούνται στο εσωτερικό του σαρωτή υποχρεώνουν τους πυρήνες των ατόμων που υπάρχουν στον εγκεφαλικό ιστό να συντονιστούν, δηλαδή να ευθυγραμμιστούν, πρόσκαιρα, με το ισχυρό μαγνητικό πεδίο, με αποτέλεσμα να αλλάζει η συχνότητα περιστροφής των πυρήνων αυτών των ατόμων.

Μόλις σταματά ο ισχυρός μαγνητικός παλμός, οι πυρήνες των ατόμων επιστρέφουν στην αρχική τους συχνότητα περιστροφής εκπέμποντας πολύ μικρές ποσότητες ενέργειας, υπό τη μορφή μαγνητικών σημάτων, τα οποία καταγράφονται από τους ειδικούς ανιχνευτές του σαρωτή.

Και επειδή η επαναφορά των ατόμων στην αρχική τους κατάσταση γίνεται με διαφορετικές ταχύτητες, δημιουργούνται διαφορετικά «αποτυπώματα» των ιστών.

Συνήθως, οι συσκευές μαγνητικής τομογραφίας χρησιμοποιούν ανιχνευτές που συντονίζονται μόνο με τα μαγνητικά σήματα που εκπέμπουν οι πυρήνες του υδρογόνου, δηλαδή του βασικού συστατικού του ύδατος.

Συνεπώς, αυτές οι απεικονίσεις βασίζονται στην πυκνότητα και την κατανομή του ύδατος στους εγκεφαλικούς ιστούς.

Δυστυχώς, αυτό το ιδιοφυές τέχνημα δεν μας διαφωτίζει καθόλου για τις λειτουργίες και τις αλληλεπιδράσεις των εγκεφαλικών δομών που αναπαριστά.
Παρακολουθώντας ζωντανά τις εγκεφαλικές λειτουργίες

Τη δεκαετία του 1990 θα αναπτυχθούν δύο νευροαπεικονιστικές τεχνικές για την περιγραφή όχι των δομών αλλά των δραστηριοτήτων του ανθρώπινου εγκεφάλου. Και οι δύο τεχνικές βασίζονται στην εύλογη και πολλαπλώς επιβεβαιωμένη διαπίστωση ότι: οι μεταβολές στη ροή του αίματος και άρα της οξυγόνωσης σε ορισμένους εγκεφαλικούς ιστούς σηματοδοτεί, τις περισσότερες φορές, την αυξημένη νευρωνική δραστηριότητα σε αυτές τις εγκεφαλικές περιοχές.

Οταν οι νευρώνες σε μια εγκεφαλική περιοχή ενεργοποιούνται, τότε καταναλώνουν περισσότερο οξυγόνο το οποίο, ως γνωστόν, μεταφέρεται σε αυτούς από την αιμοσφαιρίνη των ερυθρών αιμοσφαιρίων.

Διόλου περίεργο λοιπόν ότι ο εγκέφαλος αυξάνει τη ροή του αίματος και άρα την παροχή οξυγόνου στις πιο δραστήριες δομές του. Ομως, έχει επίσης διαπιστωθεί ότι υπάρχει μια χρονική υστέρηση, της τάξης των 4 έως 5 δευτερολέπτων, ανάμεσα στην αυξημένη νευρωνική δραστηριότητα και τη μεταβολή στη ροή του αίματος προς αυτούς τους νευρώνες. Γεγονός που, με τη σειρά του, γεννά διαφορές στη συγκέντρωση της οξυγονωμένης αιμοσφαιρίνης στις πιο δραστήριες εγκεφαλικές περιοχές.

Βασιζόμενοι σε αυτές τις επαρκώς επιβεβαιωμένες διαπιστώσεις οι νευροεπιστήμονες ανέπτυξαν την τεχνική της Τομογραφίας Εκπομπής Ποζιτρονίων (PET). Πρόκειται για την πρώτη υπολογιστική απεικόνιση των εγκεφαλικών λειτουργιών που βασίζεται στον εντοπισμό και την καταγραφή ασταθών ραδιοϊσοτόπων που εκπέμπουν ποζιτρόνια, δηλαδή των αντίστοιχων με τα ηλεκτρόνια σωματιδίων που, όμως, έχουν θετικό φορτίο.

Αν αυτά τα ασταθή ραδιοϊσότοπα αναμιχθούν με διάφορες ουσίες, π.χ. με τη γλυκόζη, και μέσω του αίματος φτάσουν στον εγκέφαλο, τότε η ραδιενεργός γλυκόζη προσλαμβάνεται ταχύτερα από τα πιο δραστήρια νευρωνικά κυκλώματα. Κατάλληλοι ανιχνευτές ραδιοϊσοτόπων τροφοδοτούν τους υπολογιστές, λεπτό προς λεπτό, με τις πληροφορίες σχετικά με τη διεργασία ενσωμάτωσης και μεταβολισμού της γλυκόζης και τα κατάλληλα υπολογιστικά προγράμματα δημιουργούν στην οθόνη τους τις εντυπωσιακές εικόνες αυτής της μεταβολικής λειτουργίας των τοπολογικά χαρτογραφημένων νευρώνων.

Ομως, η πιο πρόσφατη και πιο ισχυρή τεχνική απεικόνισης των εγκεφαλικών λειτουργιών είναι η λεγόμενη Λειτουργική Μαγνητική Τομογραφία (fMRI), η οποία από τα τέλη του εικοστού αιώνα έχει αποδειχτεί το παντοδύναμο και σχεδόν «μαγικό» εργαλείο για τη διερεύνηση των περισσότερων εγκεφαλικών λειτουργιών.

Σε αυτή την παραλλαγή της μαγνητικής τομογραφίας (MRI), ο σαρωτής, δημιουργώντας ισχυρά μαγνητικά πεδία, ανιχνεύει τις ελάχιστες αλλαγές στον μεταβολισμό του οξυγόνου που μεταφέρεται από το αίμα στους νευρώνες των επιμέρους δομών του εγκεφάλου.

Σε σύγκριση με άλλες τεχνικές, η fMRI είναι η λιγότερο επεμβατική αφού δεν απαιτεί καμία έκθεση σε ραδιενεργές ουσίες ή υψηλές ακτινοβολίες και παρουσιάζει πολύ μεγαλύτερη διακριτική ικανότητα.

Γεγονός που την καθιστά εξαιρετικά χρήσιμη τεχνική στη μελέτη ακόμη και των πιο πολύπλοκων και αφηρημένων νοητικών λειτουργιών, επιτρέποντας πρώτη φορά τον εντοπισμό και την οπτικοποίησή τους.

Τώρα, το ερώτημα πόσο επιστημονικά αξιόπιστες είναι και ποιες βιοπολιτικές συνέπειες μπορεί να έχει η άκριτη αποδοχή αυτών των πολύ πρόσφατων τεχνολογικών εξελίξεων θα το εξετάσουμε διεξοδικά στο επόμενο άρθρο.

http://www.efsyn.gr/arthro/mihanes-anagnosis-tis-skepsis