Εγκεφαλικοί χρονοχάρτες

Ο νομπελίστας νευροεπιστήμονας Εντβαρντ Μόζερ και η ομάδα του υποστηρίζουν ότι κατάφεραν να εντοπίσουν τον εγκεφαλικό μηχανισμό που επιτρέπει στον ανθρώπινο νου να τοποθετεί σε χρονική σειρά όλες τις εμπειρίες και τα βιώματά του. Ενώ από μια πιο πρόσφατη έρευνα προκύπτει ότι ο ανθρώπινος εγκέφαλος δημιουργεί χρονοχάρτες, στους οποίους και ανατρέχει για να υπολογίζει κάτι τόσο αφηρημένο και φευγαλέο όπως ο χρόνος.


Πού εντοπίζονται τα εγκεφαλικά μας χρονόμετρα και από ποια νευρωνικά υποστρώματα αναδύεται η ανθρώπινη «αίσθηση» του χρόνου; Οπως είδαμε στο προηγούμενο άρθρο, σε αυτό το πεδίο έρευνας καταγράφονται, τα τελευταία χρόνια, οι πιο εντυπωσιακές ανακαλύψεις των νευροεπιστημών. Χάρη στις νέες απεικονιστικές τεχνικές των μικροδομών και των λειτουργιών του εγκεφάλου αρχίζουμε να ανακαλύπτουμε τους αδιαφανείς εγκεφαλικούς μηχανισμούς και να κατανοούμε τις μη συνειδητές ψυχοβιολογικές διεργασίες που ρυθμίζουν ή απορρυθμίζουν τα εγκεφαλικά μας χρονόμετρα.

Σήμερα θα παρουσιάσουμε τα συμπεράσματα από δύο πρόσφατες έρευνες σχετικά με τους ανθρώπινους εγκεφαλικούς μηχανισμούς για την καταγραφή του χρόνου. Εγκεφαλικοί μηχανισμοί που διαφωτίζουν το πώς συνδέεται η υποκειμενική μας αίσθηση του χρόνου με τον βιολογικό χρόνο του εγκεφάλου και του σώματός μας.

Αραγε, πόσο συμφωνούν αυτές οι πρόσφατες επιστημονικές ανακαλύψεις με το όνειρο μιας αντικειμενικής -διαχρονικά αληθινής και άρα αχρονικής- περιγραφής της σχέσης των ανθρώπων με τον χρόνο;


Πώς ο εγκέφαλος αποτυπώνει «χρονογραφικά» τη ροή του χρόνου



O ανθρώπινος εγκέφαλος διαθέτει περισσότερα από ένα εσωτερικά «ρολόγια» που ορίζουν τον χρόνο διάρκειας των λειτουργιών και των συμβάντων κατά τη διάρκεια της ημέρας και καταγράφουν λεπτομερώς τη χρονική σειρά που αυτά λαμβάνουν χώρα.

Στο προηγούμενο άρθρο περιγράψαμε τον αποφασιστικό ρόλο του υπερχιασματικού πυρήνα του υποθαλάμου στους κιρκάδιους ρυθμούς, όπως είναι ο καθημερινός κύκλος ύπνου-εγρήγορσης που εξαρτάται αποφασιστικά από την ενεργοποίηση ή όχι του υπερχιασματικού πυρήνα.

Πριν από σχεδόν δύο χρόνια, τον Αύγουστο του 2018, ανακοινώθηκε επίσημα στο επιστημονικό περιοδικό «Nature» η ύπαρξη ενός διαφορετικού εγκεφαλικού «χρονομέτρη», ενός δικτύου νευρώνων που βρίσκεται πολύ κοντά στην περιοχή που ρυθμίζει τις χωρικές εμπειρίες μας και το οποίο, όπως ισχυρίζονται οι ερευνητές που το ανακάλυψαν, μας επιτρέπει να τοποθετούμε σε χρονική σειρά τις καταγραφές των όσων κάνουμε ή βιώνουμε.

Η ανακάλυψη του νέου «ρολογιού» έγινε στο περίφημο Ινστιτούτο Συστημάτων Νευροεπιστήμης της Νορβηγίας (Institute for Systems Neuroscience), από μια ομάδα ερευνητών που εργάζονταν υπό τη διεύθυνση του Εντβαρντ Μόζερ (Edvard Moser), κορυφαίου νευροεπιστήμονα, ο οποίος το 2014 κέρδισε το βραβείο Νόμπελ Ιατρικής και Φυσιολογίας.


Από το εγκεφαλικό GPS στο εγκεφαλικό «ρολόι»



Την ιδέα για την πραγματοποίηση της έρευνας που θα οδηγούσε στην ανακάλυψη του νέου εγκεφαλικού «ρολογιού» την εμπνεύστηκε ο Αλμπερτ Τσάο (Albert Tsao) από τις πολύ επιτυχημένες μελέτες του ζεύγους των κορυφαίων Νορβηγών νευροεπιστημόνων Εντβαρντ Μόζερ (Edvard Moser) και Μέι-Μπριτ Μόζερ (May-Britt Moser), οι οποίοι, πριν από αρκετά χρόνια, είχαν ανακαλύψει τον νευρωνικό μηχανισμό που επιτρέπει στον ανθρώπινο εγκέφαλο τη δημιουργία «χωρικών χαρτών». Πρόκειται για την ανακάλυψη του βασικού εγκεφαλικού συστήματος πλοήγησης που μας επιτρέπει να προσανατολιζόμαστε στον χώρο και το οποίο, για όσους αρέσκονται σε τεχνολογικές μεταφορές, θα μπορούσε κάλλιστα να περιγραφεί ως το «εγκεφαλικό GPS».

Για την ανακάλυψη του «εγκεφαλικού GPS» κέρδισαν, το έτος 2014, το βραβείο Νόμπελ Ιατρικής και Φυσιολογίας τρεις πρωτοπόροι ερευνητές, ο Τζον Ο’Κιφ (John O’Keefe), διάσημος Αμερικανοβρετανός νευροψυχολόγος, και το ζεύγος Μόζερ από τη Νορβηγία. Χάρη στις πρωτοποριακές έρευνές τους αυτοί οι τρεις επιστήμονες αποκάλυψαν όχι μόνο το πώς ο εγκέφαλός μας καταφέρνει να εντοπίζει τη θέση μας στον χώρο, αλλά και πώς «πλοηγεί» το σώμα μας όταν κινείται μέσα στον χώρο.

Αυτές οι ανακαλύψεις τους «έλυσαν ένα πρόβλημα που απασχολούσε για αιώνες τους φιλοσόφους και τους επιστήμονες: πώς δημιουργεί ο εγκέφαλος έναν χάρτη του χώρου που μας περιβάλλει και πώς βρίσκουμε τον δρόμο μας σε ένα περίπλοκο περιβάλλον», σύμφωνα με την επίσημη ανακοίνωση της επιτροπής των Νόμπελ. Επειτα από χρόνια, οι έρευνες του ζεύγους Μόζερ ενέπνευσαν την ιδέα της αναζήτησης στον εγκέφαλο ενός αντίστοιχου -καθαρά υποθετικού- μηχανισμού για την εγκεφαλική μας πλοήγηση στον χρόνο.

Μια ιδέα που πρώτος διατύπωσε ο Αλμπερτ Τσάο, ένας μεταπτυχιακός ερευνητής στο Ινστιτούτο της Νορβηγίας, ο οποίος πρότεινε να διερευνήσουν τι ακριβώς συμβαίνει στην εγκεφαλική περιοχή που ονομάζεται «έξω ενδορινικός φλοιός» (Lateral Entorhinal Cortex, ή LEC), μια περιοχή που γειτνιάζει με την περιοχή του «έσω ενδορινικού φλοιού» όπου εντοπίζεται το εγκεφαλικό GPS που είχαν ανακαλύψει οι δάσκαλοί του, οι Μόζερ. Η επιλογή της συγκεκριμένης εγκεφαλικής περιοχής LEC δεν ήταν τυχαία, γιατί ήδη τότε υποψιάζονταν ότι σχετίζεται με την αντίληψη του χρόνου και επειδή αυτή είναι η βασική πύλη εισόδου των πληροφοριών στον ιππόκαμπο, ο οποίος ήταν γνωστό ότι παίζει αποφασιστικό ρόλο στον σχηματισμό της βραχύχρονης ενεργού μνήμης και σε πολλές άλλες εγκεφαλικές λειτουργίες.

Μελετώντας ωστόσο, μέσω λειτουργικής μαγνητικής τομογραφίας, την περιοχή LEC του εγκεφάλου των ποντικών, οι ερευνητές στη Νορβηγία δεν μπορούσαν, στην αρχή, να καταλάβουν τι συμβαίνει: «Το νευρικό σήμα άλλαζε συνεχώς, η δραστηριότητα των νευρωνικών δικτύων στη LEC δεν φαινόταν να ακολουθεί ένα σταθερό σχήμα ενεργοποίησης. Πριν από τρία χρόνια, όμως, αρχίσαμε να υποψιαζόμαστε ότι το σήμα των νευρώνων άλλαζε διαρκώς επειδή ακολουθούσε το πέρασμα του χρόνου. Από αυτή τη στιγμή κι ύστερα, τα περίεργα πειραματικά δεδομένα απέκτησαν νόημα», όπως περιέγραψε ο ίδιος ο Μόζερ σε συνέντευξη Τύπου (το 2018) την πορεία των ερευνών.

Για να ελέγξουν την τολμηρή εικασία τους ότι τα πρότυπα ενεργοποίησης των νευρώνων του έξω ενδορινικού φλοιού (LEC) σχετίζονται με τη χρονική αλληλουχία των συμβάντων, οι ερευνητές κατέγραφαν σε τακτά χρονικά διαστήματα, μέσω λειτουργικής τομογραφίας, τη νευρωνική δραστηριότητα της περιοχής LEC του εγκεφάλου των ποντικών όταν εκτελούσαν κάποιες αυστηρά προκαθορισμένες εργασίες, π.χ. όταν αναζητούσαν τροφή και έτρωγαν ή όταν έκαναν μια ορισμένη δραστηριότητα. Ετσι διαπίστωσαν ότι, ακολουθώντας τις μεταβολές του υποθετικού «σήματος του χρόνου», οι ερευνητές μπορούσαν να χαράσσουν τη χρονική πορεία των όσων έκαναν τα πειραματόζωα στις δύο ώρες που συνήθως διαρκούσε το πείραμα!

Η έρευνα αυτή δείχνει ότι ο εγκέφαλος αυτών των θηλαστικών, αλλά πιθανότατα και ο ανθρώπινος, δεν κωδικοποιεί άμεσα τη ροή του χρόνου, αλλά αντιλαμβάνεται εμμέσως τον χρόνο που περνά χαρτογραφώντας τοπολογικά τα πρότυπα ενεργοποίησης ορισμένων νευρωνικών δικτύων: κάθε φορά που αλλάζουμε τη δραστηριότητα που εκτελούμε, αλλάζει αυτομάτως η πορεία του αντίστοιχου νευρωνικού σήματος για τον χρόνο στον πλευρικό ενδορινικό φλοιό και συνεπώς η αντίληψή μας για το πέρασμα του χρόνου.


Οι εγκεφαλικοί χρονοχάρτες στην αντίληψη του χρόνου



Ωστόσο, η συγκεκριμένη έρευνα δεν φαίνεται να είναι σε θέση να διαφωτίσει ένα πανάρχαιο φιλοσοφικό-επιστημονικό ερώτημα: Ο χρόνος που βιώνουμε νοητικά είναι, εν τέλει, γραμμικός ή κυκλικός; «Τα δεδομένα που προκύπτουν από την έρευνά μας», όπως παραδέχεται ο Μόζερ, «δείχνουν ότι και τα δύο μοντέλα είναι σωστά και ότι το εγκεφαλικό σήμα του χρόνου μπορεί να παίρνει διαφορετικές μορφές ανάλογα με την εμπειρία». Κάτι που παραδέχεται και ο εμπνευστής αυτής της έρευνας, ο Αλμπερτ Τσάο, ο οποίος δήλωσε: «Οι έρευνές μας έδειξαν το πώς ο ανθρώπινος νους καταφέρνει να αποδίδει ένα χρονικό νόημα σε κάθε γεγονός που βιώνει καθημερινά. Ωστόσο, το συγκεκριμένο νευρωνικό δίκτυο δεν μετρά κυριολεκτικά τον χρόνο: αυτό που μετρά είναι μάλλον ο υποκειμενικός χρόνος που προκύπτει από τη συνεχή ροή των εμπειριών μας».

Ευτυχώς, από μια άλλη και πολύ πιο πρόσφατη έρευνα επιβεβαιώθηκε το γεγονός ότι ο ανθρώπινος εγκέφαλος δημιουργεί όντως χρονοχάρτες, στους οποίους καταφεύγει για να υπολογίζει ένα τόσο αφηρημένο και φευγαλέο αντικείμενο όπως μπορεί ο χρόνος. Αραγε, πώς ο εγκέφαλός μας καταφέρνει να αναγνωρίζει και να κρατά τον σωστό ρυθμό μιας μουσικής μελωδίας (π.χ. ενός γνωστού τραγουδιού ή ενός χορού), και πώς υπολογίζει, όταν σταματάμε το αυτοκίνητό μας στο κόκκινο φανάρι, πότε θα ανάψει το πράσινο για να ξεκινήσουμε;

Σύμφωνα με τα συμπεράσματα αυτής της έρευνας, στην οποία συμμετείχαν Ιταλοί, Ιάπωνες, Ελβετοί και Ολλανδοί ερευνητές και η οποία πραγματοποιήθηκε στη γειτονική Ιταλία, στο Εργαστήριο για την Αντίληψη του Χρόνου (SISSA) στην Τεργέστη, οι εγκεφαλικοί χρονοχάρτες σχηματίζονται από τους νευρώνες στη «συμπληρωματική κινητική περιοχή» του εγκεφαλικού φλοιού μας (supplementary motor area, βλ. φωτό κάτω), οι οποίοι ενεργοποιούνται επιλεκτικά και ανάλογα με τη χρονική διάρκεια των ερεθισμάτων που δέχονται. Ετσι, τα σύντομα και μικρής διάρκειας ερεθίσματα ενεργοποιούν τις πρόσθιες περιοχές, ενώ τα παρατεταμένα και μεγαλύτερης διάρκειας ερεθίσματα διεγείρουν τους νευρώνες στις οπίσθιες περιοχές. Οσο για τα ενδιάμεσα ερεθίσματα διεγείρουν τους νευρώνες που υπάρχουν ανάμεσα στα δύο άκρα της συμπληρωματικής κινητικής περιοχής του εγκεφαλικού φλοιού.

Κατ’ αυτόν τον τρόπο ο εγκέφαλός μας δημιουργεί χρονοχάρτες οι οποίοι, χάρη στην επιλεκτική (λειτουργικά) και διαφοροποιημένη (τοπολογικά) ενεργοποίηση των νευρώνων σε αυτή την εγκεφαλική περιοχή, μπορούν να αναπαριστούν και κωδικοποιούν πιστά το πέρασμα του χρόνου. Πρόκειται για την πρώτη και σαφή ένδειξη δημιουργίας χρονοχαρτών από τον ανθρώπινο εγκέφαλο και της χρήσης τους για την αποτύπωση της ροής του χρόνου!

Αξίζει, τέλος, να σημειωθεί ότι αυτή η ανακάλυψη, που δημοσιεύτηκε τον Μάρτιο 2019 στο περιοδικό «PLOS Biology», έγινε εφικτή χάρη στη χρήση ενός πολύ ισχυρού λειτουργικού μαγνητικού τομογράφου (fMRI), ο οποίος, αφού σχεδιάστηκε και δημιουργήθηκε στην Πολυτεχνείο της Λωζάννης, τέθηκε στη υπηρεσία των ερευνητών που συμμετείχαν σε αυτή τη διεθνή έρευνα.

Οσο για τη χρονομετρική ακρίβεια των εγκεφαλικών χρονοχαρτών, αυτή σχετίζεται άμεσα και εξαρτάται από την ποιότητα της νευρωνικής πρόσληψης των ερεθισμάτων: όσο περισσότερο λεπτομερής και ακριβής ήταν η αποτύπωση των ερεθισμάτων από τους νευρώνες στη συμπληρωματική κινητική περιοχή τόσο πιο ακριβής ήταν ο χρονοχάρτης που προέκυπτε!

Ωστόσο, αυτή η έρευνα δεν αποτελεί μόνο την αρχή για μια νέα και πολλά υποσχόμενη ερευνητική προσέγγιση της ανθρώπινης αντίληψης του χρόνου. Για παράδειγμα, στο μέλλον θα πρέπει να μάθουμε αν ο χρόνος που χαρτογραφούν αυτοί οι νευρώνες αντιστοιχεί στη διάρκεια του πραγματικού χρόνου των ερεθισμάτων ή αν, αντίθετα, είναι ο χρόνος που γίνεται αντιληπτός από τους εθελοντές που συμμετείχαν σε αυτή την έρευνα. Επίσης, θα πρέπει να διαπιστώσουμε και να αποφασίσουμε πειραματικά αν οι χρονοχάρτες που δημιουργούμε είναι το προϊόν της βιολογικής δομής του εγκεφάλου μας ή το επίκτητο προϊόν της εκπαίδευσής μας.

Αν όντως ο εγκέφαλός μας δημιουργεί χρονοχάρτες που, ως ένα είδος υποκειμενικού χρονικού «στίγματος», προσδίδουν σε κάθε μας ενέργεια τον προσωπικό της ρυθμό, τότε η προσωπική-εγκεφαλική αίσθηση του χρόνου με την οποία μετράμε την κάθε μας πράξη δεν μπορεί να θεωρείται αντικειμενική αλλά υποκειμενική. Συνεπώς, αυτή δεν θα έπρεπε να αποτιμάται από τη συμφωνία της ή όχι με την επικρατούσα και ιστορικά επιβεβλημένη χρονική κλίμακα.

Πώς συνδέεται λοιπόν η υποκειμενική μας αίσθηση του χρόνου με τον βιολογικό χρόνο του εγκεφάλου και του σώματός μας, αλλά και με τον ιστορικό χρόνο μέσα στον όποιο ζούμε; Και ποια σχέση μπορεί να έχει ο εγκεφαλικά βιωμένος ανθρώπινος χρόνος με τον μαθηματικοποιημένο αλλά άχρονο χρόνο της κλασικής Φυσικής ή με τη μεταφυσική-θεολογική αιωνιότητα; Αυτά τα ερωτήματα θα επιχειρήσουμε να διερευνήσουμε στο επόμενο άρθρο μας.

Πηγή: efsyn.gr


Σπύρος Μανουσέλης: Σχετικά με τον Συντάκτη