Sudėtingas paprastumas: Minimalisto smegenys

Smegenų evoliucija: Nuo ryklių iki Flores salos nykštukų

Skirmantas JanušonisUniversity of California, Santa Barbara

Vilniaus universiteto Gamtos mokslų fakultetas2007 m. gruodžio 12 d.

Bidloo, 1690

Neuroanatomija, neurofiziologija, biopsichologija, psichologija, ir t.t., yra išgalvoti dalykai.

Jie atspindi įvairias žmogiškas metodikas.

Iš tiesų mes tyrinėjame vieną struktūrą.

KAS YRA SMEGENYS?

1. Smegenys yra trimatė struktūra.

2. Smegenys yra koncepcija.

Tai du visiškai skirting dalykai!

Tai nesikeis.

Tai keisis.

KAS YRA SMEGENYS?

Čia parodytos smegenys kaip:

a) hidraulinė mašina,b) kompiuteris,c) kvantinė mašina.

KAS YRA SMEGENYS?

Fizinės smegenys

1. Pagrindiniai elementai – glijos ląstelės (90%),2. iš glijos išsivysčiusios ląstelės (neuronai, 10%),3. kapiliarai ir4. ekstraląstelinis matriksas.5. Smegenėlės turi daugiau neuronų nei smegenų žievė.

Koncepcinės smegenys

1. Pagrindiniai elementai – neuronai,2. kurie sujungti ilgais laidais (aksonais),3. ir kurie apdoroja informaciją, kuri koduojama4. elektriniais signalais.5. Smegenų žievė yra ypač svarbi.

KAS YRA SMEGENYS?Kapiliarų tankis smegenų žievėje

MRI tyrinėja kapiliarines smegenis

KAS YRA SMEGENYS?Smegenų-kraujo barjeras

Smegenų kraujo barjeras – dinaminis barjeras, kurį valdo stresas, serotoninas ir kiti cheminiai agentai.

Kraujyje esantys dažai (Evans Blue) išsilieja į smegenis žiurkėse, patiriančiose stresą (FS = priverstinis plaukimas; HS = šilumos stresas; IMZ = imobilizavimo stresas).

KAS YRA SMEGENYS?Ekstraląstelinis matriksas

Kahalo-Retzijaus (Cajal-Retzius) ląstelės besivystančių smegenų marginalinėje zonoje (būsimajame pirmajame žievės sluoksnyje).

Šios ląstelės sintezuoja ektraląstelinio matrikso baltyma ryliną (reelin).

Driežas

Pelė

Žmogus

KAS YRA SMEGENYS?Ekstraląstelinis matriksas

Pelėse, negalinčiose sintezuoti rylino, smegenų žievės sluoksniai “invertuoti”.

KAS YRA SMEGENYS?

Fizinės smegenys

1. Pagrindiniai elementai – glijos ląstelės (90%),2. iš glijos išsivysčiusios ląstelės (neuronai, 10%),3. kapiliarai ir4. ekstraląstelinis matriksas.5. Smegenėlės turi daugiau neuronų nei smegenų žievė.

Koncepcinės smegenys

1. Pagrindiniai elementai – neuronai,2. kurie sujungti ilgais laidais (aksonais),3. ir kurie apdoroja informaciją, kuri yra koduojama4. elektriniais signalais.5. Smegenų žievė yra ypač svarbi.

Fizines smegenis nagrinėja neuronatomija.

Šia prasme, neuroanatomija yra “gryniausia” neuromokslų šaka, nes:

1. Ji gali egzistuoti be jokių prielaidų.

2. Bet kokia ateities smegenų teorija, radikaliai skirtinga nuo šiuolaikinių teorijų, bus pagrįsta ta pačia neuroanatomija.

KAS YRA SMEGENYS?

VIENINGA SMEGENŲ ANATOMIJA

Gilus smegenų anatomijos supratimas išlaisvina mąstymą, bet atsakymų dažnai tenka ieškoti kitur.

KONCEPCINĖS SMEGENYS

Deterministinės smegenys

SMEGENYSX Y

KONCEPCINĖS SMEGENYS

Šiuolaikiniai tikimybiniai priėjimai

NEUROEKONOMIKA

Kai kurie optimalūs sprendimai aplinkoje, pilnoje atsitiktinumų, reikalauja programuotai atsitiktinio elgesio.

PRIĖJIMAI, PAGRĮSTI BAJESO TEOREMA

Smegenys turi a priori informaciją apie aplinkos struktūrą. Jos aktyviai sukuria realybę iš mažų aplinkos užuominų.

KONCEPCINĖS SMEGENYS

Šiuolaikiniai tikimybiniai priėjimai:

1. Priėjimai, pagrįsti Bajeso teorema

SMEGENYSX

YX

Naudojama tikimybių teorija ir informacijos teorija.

KONCEPCINĖS SMEGENYS

Šiuolaikiniai tikimybiniai priėjimai:

1. Priėjimai, pagrįsti Bajeso teorema

KONCEPCINĖS SMEGENYS

Šiuolaikiniai tikimybiniai priėjimai:

1. Priėjimai, pagrįsti Bajeso teorema

KONCEPCINĖS SMEGENYS

Šiuolaikiniai tikimybiniai priėjimai:

1. Priėjimai, pagrįsti Bajeso teorema

KONCEPCINĖS SMEGENYS

Šiuolaikiniai tikimybiniai priėjimai:

1. Priėjimai, pagrįsti Bajeso teorema

Smegenų svoris = 2% kūno svorio.

Energijos vartojimas suaugusiose smegenyse = 20% energijos vartojimo kūne.

Energijos vartojimas naujagimio smegenyse = 60% energijos vartojimo kūne.

Tik 0.5 – 1.0% smegenų vartojamos energijos naudojama išorinių signalų analizei.

KONCEPCINĖS SMEGENYS

Šiuolaikiniai tikimybiniai priėjimai:1. Priėjimai, pagrįsti Bajeso teorema

KONCEPCINĖS SMEGENYS

Šiuolaikiniai tikimybiniai priėjimai:

2. Neuroekonomika

SMEGENYSX Y1 su P = 0.2

Y2 su P = 0.8

Naudojama šiuolaikinė ekonomikos teorija (Nash darbai, ir t.t.), žaidimų teorija ir elgseninė ekologija.

SMEGENYS IR REALYBĖ

SMEGENYSSUVOKIAMA REALYBĖ

SMEGENYS IR REALYBĖ

SMEGENYSSUVOKIAMA REALYBĖ

REALYBĖ

SMEGENYS IR REALYBĖ

Tol, kol nesuprasime smegenų, Visata, jų atspindys, taip taip liks paslaptimi.

Ramon y Cajal(1852 – 1934, neuromokslų pradininkas, Nobelio laureatas)

Labai abejotina, ar bet koks gilus sąmonės suvokimas įmanomas nežinant kur kas daugiau apie pačius fizinės realybės pagrindus.

Roger Penrose(1931 – , įžymus fizikas ir astrofizikas)

SMEGENYS IR REALYBĖ

Trys pasauliai pagal Penrose

SMEGENYS IR REALYBĖ

Dėl nesuprantamos priežasties, gilioji fizinė realybė patogiausiai aprašoma kompleksiniais skaičiais, kurie, regis, yra grynas proto kūrinys ir neegzistuoja gamtoje (priešingai nei natūriniai skaičiai).

MINIMALISTO SMEGENYSGalvos ir stuburo smegenys yra vienas organas

MINIMALISTO SMEGENYSGalvos ir stuburo smegenys yra vienas organas

MINIMALISTO SMEGENYSGalvos ir stuburo smegenys yra vienas organas

AP = alarinė dalis (alar plate)BP = pamatinė dalis (basal plate)

MINIMALISTO SMEGENYSGalvos ir stuburo smegenys yra (topologinis) vamzdis

MINIMALISTO SMEGENYS

Galvos ir stuburo smegenys yra (topologinis) vamzdis

MINIMALISTO SMEGENYSGalvos ir stuburo smegenys yra (topologinis) vamzdis

MINIMALISTO SMEGENYSRadialinis ir tangentinis ląstelių migravimas besivystančiose smegenyse

Radialinis ląstelių migravimas nuo skilvelių (S) iki reikiamo smegenų žievės sluoksnio.

S

MINIMALISTO SMEGENYSRadialinis ir tangentinis ląstelių migravimas besivystančiose smegenyse

Radialinis migravimas(glutamaterginiai neuronai)

Tangentinis migravimas(GABAerginiai interneuronai)

Besivystantys pamatiniai branduoliai.

MINIMALISTO SMEGENYSRadialinis ir tangentinis ląstelių migravimas besivystančiose smegenyse

Radialinis migravimasTangentinis migravimas

Smegenų žievės GABAerginių neuronų %

95% 5%

35% 65%

Pelė

Žmogus

Gali atspindėti radikalų smegenų vystymosi posūkį žmogaus evoliucijoje.

MINIMALISTO SMEGENYSRadialinis ir tangentinis ląstelių migravimas besivystančiose smegenyse

MINIMALISTO SMEGENYSŽmogaus talamas – didelė struktūra

Talamas

Tiltas(pons)

TalamasRega

Klausa

Lytėjimas

Skonis

Pamatiniai branduoliai Hipokampas

Smegenų žievė(6 sluoksniai)

Smegenėlių žievė(3 sluoksniai)

Migdolinis kūnas

MINIMALISTO SMEGENYS

MINIMALISTO SMEGENYSRyklio priekinės smegenys (telencephalon)

Pallium

Subpallium

Dorsalinis pallium

Medialinis pallium

Lateralinis pallium

Septum Striatum

Pallidum

Dorsalinis pallium → Smegenų žievė (beveik visa)Medialinis pallium → HipokampasLateralinis pallium → Migdolinis kūnas (dalis), Uoslės žievėStriatum → Migdolinis kūnas (dalis), Pamatiniai branduoliaiPallidum → Pamatiniai branduoliai

MINIMALISTO SMEGENYSSmegenų žievės funkcijos: Priekinės skiltys

MINIMALISTO SMEGENYSSmegenų žievės funkcijos: Kampinė skiltis (angular gyrus, temporo-parietal junction)

Kampinės skilties stimuliavimas sukelia “out-of-body experiences” (OBE).(Blanke et al., 2002, Nature 419: 269)

SMEGENŲ EVOLIUCIJA

Evoliucija yra neišvengiama, jei vyksta du procesai:

1. Atsiranda naujos atsitiktinės mutacijos.

2. Mutacijos perduodamos neatsitiktinai.

Bendrai paėmus, evoliucija nekuria sudėtingesnių arba tobulesnių individų.

SMEGENŲ EVOLIUCIJAMutacijos

Corpus callosum agenezė

Lisencefalija Polimikrogirija

Šizencefalija

Mikrocefalija

SMEGENŲ EVOLIUCIJAMutacijos

Corpus callosum

SMEGENŲ EVOLIUCIJAMutacijos

http://www.walshlab.org

SMEGENŲ EVOLIUCIJANeatsitiktinis mutacijų perdavimas

SMEGENŲ EVOLIUCIJANeatsitiktinis mutacijų perdavimas

SMEGENŲ EVOLIUCIJAŽmogaus ir kitų žinduolių smegenys

Evoliucija optimizuoja:

1. kūną (kūno spalvą, kojų ilgi, ir pan.) ir

2. bajesinę (a priori) aplinkos matricą (smegenis).

Turėdami ryklio kūną ir ryklio periferinę sensoriką, neišgyventume vandenyne, jei ryklio sensorinius signalus analizuotume žmogaus smegenyse.

Vietoj objektų tematytume sensorinę šiaurės pašvaistę.

SMEGENŲ EVOLIUCIJAŽmogaus ir kitų žinduolių smegenys

SMEGENŲ EVOLIUCIJAŽmogaus ir kitų žinduolių smegenys

www.brainmuseum.org

Vilkas

Dramblys DelfinasŽmogus

AvisEžys

SMEGENŲ EVOLIUCIJAŽmogaus ir kitų žinduolių smegenys

SMEGENŲ EVOLIUCIJA

Žmogaus virškinimo traktas 40% mažesnis už panašaus kūno dydžio kitų primatų virškinimo traktą.

SMEGENŲ EVOLIUCIJA

SMEGENŲ EVOLIUCIJAHomo floresiensis: mikrocefalinė populiacija ar peilis į mūsų žmogaus evoliucijos teorijas?

SMEGENŲ EVOLIUCIJAHomo floresiensis

SMEGENŲ EVOLIUCIJAHomo floresiensis

Mikrocefalija Homo floresiensis

Paskaitas remia (pagal “Protų susigrąžinimo programą”): Mokslininkų sąjungos institutas Vilniaus universitetas

Dėkoju dr. Dobilui Kirveliui už pakvietimą ir pagalbą organizuojant vizitą bei paskaitas.