Semir Zeki: artysta neuronowy

Najważniejszym dla ludzi zmysłem – dostarczającym najwięcej informacji o otoczeniu – jest wzrok. To nasz rodzinny spadek po odległych przodkach, którzy zamieszkiwali lasy, a wśród gałęzi i liści musieli wypatrywać zarówno pożywienia, jak i niebezpieczeństw. Dzielimy ten spadek ze wszystkimi naczelnymi. Dominacja wzroku znajduje odzwierciedlenie w budowie i funkcjonowaniu naszego mózgu, którego spora część wyspecjalizowała się w rozpoznawaniu kształtów, ruchu czy kolorów, a także całych obiektów i ludzkich twarzy.

Nic dziwnego, że psycholodzy i neurobiolodzy właśnie wzrok uczynili przedmiotem swoich najbardziej drobiazgowych badań. Ich historia sięga XIX w., gdy Thomas Young (którego idee rozwinął kilkadziesiąt lat później Herman von Helmholtz) zasugerował, że w siatkówce oka powinny się znajdować receptory wyspecjalizowane w odbiorze światła o określonej długości fali, czyli odpowiadającej konkretnemu kolorowi. Young i von Helmholtz domyślili się, że wystarczą trzy rodzaje takich komórek – reagujących najsilniej na światło czerwone, zielone i niebieskie – by wyjaśnić, skąd pochodzi widzenie kolorów. Ich przewidywania sprawdziły się co do joty – wiele lat później odkryto trzy rodzaje komórek siatkówki nazwanych czopkami, reagujących na szeroki zakres fal, jednak najsilniej, odpowiednio, na fale długie (światło czerwone), średnie (światło zielone) lub krótkie (światło niebieskie).

W zbliżonym czasie – w połowie XIX w. – włoski chirurg i anatom Bartolomeo Panizza wykazał, że przetwarzanie sygnałów wzrokowych odbywa się w płacie potylicznym, jednak mechanizm tego procesu udało się lepiej poznać dopiero sto lat później. Pierwszy krok w tym kierunku wykonali David Hubel i Torsten Wiesel. Spopularyzowali oni raczkującą wówczas metodę polegającą na wszczepianiu cienkich elektrod bezpośrednio do komórek nerwowych. To rozwiązanie pozwoliło Hubelowi i Wieselowi zarejestrować aktywność pojedynczych neuronów kory wzrokowej małpy podczas percypowania przez nią różnych bodźców (abstrakcyjnych kształtów o różnej orientacji przestrzennej). Otworzyło to nową epokę w badaniu przetwarzania przez mózg sygnałów zmysłowych. W 1981 r. dostali za to Nagrodę Nobla.

Jednak już w momencie, gdy Hubel i Wiesel odbierali swojego Nobla, świat nauki wiedział o funkcjonowaniu kory wzrokowej znacznie więcej. Głównie za sprawą brytyjskiego neurobiologa Semira Zekiego.

Co widzą małpy (i ludzie)

Podobnie jak jego poprzednicy, swoje pierwsze eksperymenty Zeki prowadził nie z udziałem ludzi, lecz zwierząt, głównie rezusów – niewielkich małp zamieszkujących rozległe tereny południowej Azji, z którymi dzielimy wspólnego przodka sprzed około 30 mln lat. Początkowo Zeki korzystał głównie z udoskonalonej metody rejestrowania aktywności mózgu za pomocą mikroelektrod. Aparatura pozwalała rozstrzygnąć, czy dany neuron bierze udział w przetwarzaniu określonego bodźca (np. koloru), i w którym miejscu znajduje się najwięcej neuronów zaangażowanych w przetwarzanie sygnałów jednego rodzaju.

W latach 70. i 80. ubiegłego wieku Zekiemu udało się wykazać, że kora wzrokowa rezusów nie jest obszarem jednorodnym – dzieli się na różne części wyspecjalizowane do osobnych zadań. Na przykład niektóre grupy komórek reagują głównie na kolor (i to specyficzny, np. czerwony), inne na kształty, jeszcze inne na określone ruchy (np. tylko w jednym kierunku – niezależnie od tego, co się porusza i na jakim tle ten obiekt występuje). Zeki opisał wiele takich obszarów, niektórym z nich nadał również nazwy, później powszechnie przyjęte – jak obszary V4 i V5 zawierające komórki nerwowe reagujące głównie na, odpowiednio, kolor oraz ruch. Pacjenci z uszkodzonymi obszarami V4 stają się całkowicie ślepi na barwy (cierpią na tzw. achromatopsję) – nie tylko widzą cały świat w odcieniach szarości, ale wręcz nie potrafią sobie wyobrazić kolorów, nawet ich sny są czarno-białe. Uszkodzenie regionu V5 skutkuje ślepotą na ruch (akinetopsją) – pacjenci nie postrzegają żadnego ruchu, tylko sekwencję nieruchomych obrazów, jak gdyby oglądali zacinający się film. Odkrycia Zekiego pozwoliły wyjaśnić te dziwaczne przypadłości.

Głośnym echem odbiły się te prace Zekiego, w których udowodnił, że różne części kory wzrokowej wykonują swoją pracę równolegle, ale nie dokładnie w tym samym czasie. Oznacza to, że ruch i kolor nie tylko przetwarzane są w mózgu osobno (kolor – w obszarze V4, a ruch w obszarze V5), ale są także osobno doświadczane. W jednym z eksperymentów badani oglądali na czarnym ekranie wyświetlane na przemian czerwone i zielone prostokąty, które w krótkich przedziałach czasowych poruszały się w górę lub w dół. Badani mieli za zadanie powiązać kolor prostokątów z kierunkiem, w którym się aktualnie poruszają. Okazało się, że za każdym razem wiązali oni kolor nie z właściwym ruchem, ale z tym, który występował około 80–100 milisekund wcześniej.

Oznacza to, że w mózgu nie ma ośrodka, który czekałby, aż wszystkie dane zmysłowe zostaną przetworzone i wtedy budowany byłby z nich jeden spójny obraz rzeczywistości. Nie dzieje się tak nawet w obrębie samej percepcji wzrokowej (kolor przetwarzany jest 80–100 milisekund szybciej niż ruch), nie mówiąc już o pozostałych zmysłach. Postrzegamy to, co w danej chwili mózg skończył przetwarzać. Nasza świadomość jest rozproszona po całym mózgu.

Prace Semira Zekiego miały ogromne znaczenie dla całej neuronauki, a wnioski z nich płynące pociągały za sobą także konsekwencje filozoficzne, zwłaszcza w kontekście pytania spędzającego sen z powiek myślicielom wszystkich epok: czym jest świadomość? Dlatego nie brak głosów, że Zekiemu, jak nikomu innemu, należy się Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny. Niektórzy twierdzą, że powinien był już ją dostać w 1981 r., ponieważ jego badania w olbrzymim stopniu uzupełniły wyniki uzyskane przez Hubela i Wiesela (a nawet częściowo pozwoliły przeformułować stworzoną przez nich teorię).

Być może profesor Zeki doczeka się jeszcze najcenniejszego naukowego wyróżnienia; obecnie nie wiemy nawet, czy kiedykolwiek był do niego nominowany, ponieważ stosowne dane Komitetu Noblowskiego pozostają utajnione przez pół wieku. Uhonorowano go za to całą masą innych wyróżnień, wśród najcenniejszych znajdują się Golden Brain Award (w 1985 r. – był pierwszym laureatem tej nagrody) i Międzynarodowa Nagroda Króla Fajsala, zwana „arabskim Noblem”. Poza odkryciami z dziedziny neurobiologii widzenia światową sławę profesorowi Zekiemu przyniosły także jego późniejsze prace, zwłaszcza z obszaru neuroestetyki – coraz popularniejszej dyscypliny, której jest współtwórcą.

Co robi mózg?

Profesor Zeki nie jest typem badacza, który nie opuszcza laboratorium i spędza czas wyłącznie na projektowaniu kolejnych eksperymentów. To erudyta, znawca sztuki, muzyki i literatury, również filozoficznej. W swoich książkach i esejach cytuje chociażby Immanuela Kanta, którego wizja umysłu porządkującego dane zmysłowe za pomocą wrodzonych kategorii (m.in. czasu i przestrzeni) dobrze komponuje się z neurobiologicznymi odkryciami dokonanymi przez Zekiego. Jak przystało na człowieka o takich zainteresowaniach i takiej wiedzy, brytyjski badacz często pozwala sobie na refleksje bardziej ogólnej natury.

W „Blaskach i cieniach pracy mózgu” – światowym bestsellerze – Zeki argumentuje, że praca wszystkich komórek nerwowych w zasadzie polega na abstrahowaniu, czyli wydobywaniu pewnych ogólnych jakości z natłoku szczegółowych danych. Abstrahowanie pozwala mózgowi tworzyć pojęcia zawierające wiedzę o rzeczywistości.

Rozważmy sposób działania komórek nerwowych z obszaru V4. Jak pamiętamy, część z nich aktywuje się tylko pod wpływem określonego koloru. Pewne komórki kory wzrokowej uaktywnią się zawsze na widok czerwonego koloru, niezależnie od tego, z jakim czerwonym obiektem mamy do czynienia – czy będzie to czerwona kartka w rękach arbitra piłkarskiego, dojrzała truskawka czy kropla keczupu. Oznacza to – wnioskuje Zeki – że komórki te mają zdolność abstrahowania własności czerwieni. Podobne abstrakcje są dziełem komórek z obszaru V5, wyodrębniających atrybut ruchu, czy V3B, które wydobywają kontury. Zaś sam kolor czerwony – także z uwagi na zjawisko stałości koloru (zob. ramka) – jest nie tyle obiektywną cechą otaczających nas rzeczy, co raczej mózgową konstrukcją – „wrodzonym pojęciem”, zgodnie z terminologią Zekiego – za pomocą którego nasz mózg porządkuje, żeby nie powiedzieć: współtworzy rzeczywistość.

Poza pojęciami wrodzonymi – takimi jak pojęcie koloru – zdaniem Zekiego mózg konstruuje „pojęcia syntetyczne”, które przypominają nieco platońskie idee (choć nieistniejące, zdaniem Zekiego, poza umysłem). Pojęcia syntetyczne – „stołu”, „kota” czy „najpiękniejszego kwiatu” – również są abstrakcjami, mózg tworzy je, wydobywając kluczowe, ogólne cechy pojedynczych stołów, kotów czy pięknych kwiatów, zaniedbując te mniej istotne. Tego rodzaju pojęcia jeszcze bardziej pomagają mózgowi porządkować nieustannie percypowane bodźce i odnajdywać się w środowisku.

Stworzona przez Zekiego koncepcja pojęć może wydawać się nieco uproszczona, jednak zainspirowała go do eksplorowania dziewiczego terenu – neurobiologii przeżyć estetycznych.

Piękno wieloznaczności

Z czasem, gdy udoskonalono nieinwazyjne metody obrazowania pracy mózgu (nie są tak dokładne jak technika wykorzystująca mikroelektrody, ale nie wymagają wiercenia dziur w głowie), Zeki zaczął badać przetwarzanie wzrokowe u ludzi. Zainteresowały go m.in. figury bistabilne – takie jak sześcian Neckera, waza Rubina czy figura żony-teściowej (zob. ilustracje). Patrząc na te obrazki, nie możemy rozstrzygnąć ułożenia sześcianu, tego, czy mamy do czynienia z twarzami, czy kielichem oraz czy rysunek przedstawia młodą czy starszą kobietę. Możemy zobaczyć obie możliwości, ale nigdy w tym samym czasie (nasz mózg cyklicznie „przełącza” alternatywne interpretacje). Eksperymenty, w których badał wzorce aktywności mózgu osób oglądających figury bistabilne, nasunęły Zekiemu myśl, że mózg podobnie może reagować na widok dzieł sztuki. Bywają one jeszcze bardziej niejednoznaczne niż figury bistabilne, choć ta niejednoznaczność nie dotyczy samej percepcji, tylko całego doświadczenia estetycznego.

Opisując „Dziewczynę z perłą” Jana Vermeera, Zeki stwierdza: „Obraz, choć stabilny fizycznie, pod względem poznawczym jest niestabilny. Sportretowana dziewczyna jest zarazem kusząca i pełna rezerwy, emanująca erotyzmem i niewinna, rozżalona lecz zadowolona (...). Geniusz Verneera polega na tym, że jego obraz nie daje jednej odpowiedzi, lecz z niezwykłą subtelnością sugeruje wszystkie te emocje, choć oglądający jest w danym momencie świadomy tylko jednej interpretacji. Ponieważ nie ma tu jedynie słusznego rozwiązania, samo dzieło sztuki staje się zagadką, którą musi rozwiązać umysł” („Blaski i cienie pracy mózgu”, 2012). Czy wywołanie u odbiorcy konfliktu między narzucającymi się sprzecznymi interpretacjami to uniwersalny przepis na dzieło sztuki? Na pewno jeden z możliwych, a dla Zekiego stanowiący punkt wyjścia dla dalszych poszukiwań – co też czyni w swoich fascynujących książkach.

Z zagadką przeżycia estetycznego Zeki postanowił zmierzyć się również bezpośrednio – w serii badań rejestrował wzorce aktywności mózgu u osób, które oglądały piękne widoki, dzieła sztuki czy słuchały ulubionej muzyki, a nawet czytały opisy szlachetnych zachowań moralnych. Za każdym razem u badanych, którzy doświadczali piękna w jakiejkolwiek postaci, aktywowała się ta sama struktura mózgowa – kora oczodołowo-czołowa. Jest ona elementem ewolucyjnie dość starej części mózgu, określanej jako układ nagrody (jego aktywacja sprawia, że czerpiemy przyjemność z różnych czynności – np. jedzenia czy seksu, co motywuje nas do odżywiania się i rozmnażania). Co istotne, aktywacja kory oczodołowo-czołowej wiąże się z subiektywnym przeżyciem piękna – nie wszystkie obrazy czy dzieła sztuki wywołują u każdego takie same przeżycia estetyczne. Piękno, powie więc Zeki, nie znajduje się zatem w dziełach sztuki, lecz w oczach patrzącego (a mniej metaforycznie i bardziej anatomicznie rzecz ujmując: nieco ponad jego oczami).

Dążenie do ideału

Skąd w ogóle bierze się twórczość artystyczna? Zdaniem Zekiego artyści w dziełach sztuki próbują zobrazować ideały, które są „syntetycznymi pojęciami” w ich mózgach. Dlatego wielu utalentowanych ludzi chwyta za pióra, pędzle czy dłuta, by przetworzyć na dzieło swój mózgowy ideał wytworzony przez połączenie różnych własności wyabstrahowanych ze spotykanych w świecie pięknych widoków, twarzy, zachowań czy dźwięków. Na próbie zmaterializowania mózgowego ideału artyści potrafią spędzić wiele lat, ciągle przerabiając i dopracowując swoje dzieła. Trudno jednak osiągnąć ideał – dlatego wiele dzieł pozostaje niedokończonych (co może być celowym zabiegiem artysty, próbującego zaangażować wyobraźnię odbiorcy). Zdarza się też, że są one niszczone przez rozczarowanych i zawiedzionych twórców.

Program badawczy neuroestetyki budzi opory niektórych filozofów i teoretyków sztuki. Poniekąd obawiają się oni sprowadzenia najwspanialszych wytworów ludzkiego „ducha” – i wzniosłych przeżyć przez nie wywoływanych – do procesów zachodzących w „materii” mózgu. Jakby opis przeżyć estetycznych w kategoriach wzorców aktywności mózgu uwłaczał samym przeżyciom i coś im odbierał. Specyfika podejścia Semira Zekiego pokazuje, jak bardzo nieuzasadnione są to obawy.

Zeki bowiem nie twierdzi wcale, że metody neuronauk pozwalają stworzyć kompletną teorię sztuki oderwaną od dziedzictwa humanistyki. Choć światową sławę zyskał jako badacz mózgu, w swoich książkach sam przeprowadza analizy dzieł sztuki i literatury, których nie powstydziliby się najprzedniejsi literaturoznawcy czy krytycy. Jego zdaniem oba podejścia doskonale się uzupełniają – i tylko razem mogą pomóc zrozumieć świat najwspanialszych wytworów ludzkiego umysłu. Nie można badać sztuki bez zrozumienia działania mózgu, choćby mechanizmu percepcji kolorów, ale nie można także badać mózgu bez odnoszenia się do jego wytworów – również tych z dziedziny sztuki. Neurobiologia i humanistyka wzajemnie się oświecają, a gdy idą w parze, pozwalają zdobyć nieosiągalne wcześniej szczyty. Na wiele z nich Zeki zdołał wdrapać się osobiście. ©

Profesor SEMIR ZEKI (University College London), jeden z najwybitniejszych specjalistów w dziedzinie neurobiologii widzenia, uznawany za twórcę neuroestetyki, będzie jedną z gwiazd tegorocznej edycji Festiwalu Kopernika (17-22 maja), poświęconej Pięknu. Profesor Zeki 21 maja o godz. 19.00 wygłosi w holu głównym Muzeum Narodowego w Krakowie (aleja 3 Maja 1) wykład zatytułowany „The Neurobiology of Aesthetic Experiences and the Significance of Beauty” (Neurobiologia doświadczenia estetycznego i znaczenie piękna). Wykład będzie tłumaczony symultanicznie. Wstęp wolny.

Stałość koloru: dlaczego trawa jest zawsze zielona?

Światło składa się z mieszaniny fal elektromagnetycznych o różnej długości. Powierzchnie przedmiotów (na przykład liścia) pochłaniają fale o pewnych długościach, a inne odbijają (w przypadku liścia odbite zostaną fale średniej długości, odpowiadające światłu zielonemu, pozostałe fale są zaś pochłaniane). Odbite fale elektromagnetyczne trafiają do naszego oka i pobudzają światłoczułe receptory zlokalizowane na siatkówce (m.in. czopki), wywołując całą kaskadę reakcji chemicznych i fizjologicznych, prowadzących w ostateczności do aktywacji określonych neuronów w korze wzrokowej.
Problem w tym, że o różnej porze dnia (a nawet przy różnym zachmurzeniu) w świetle przeważają fale elektromagnetyczne o innej długości. W efekcie powierzchnia liścia w samo południe odbije większą ilość światła zielonego (fal elektromagnetycznych o średniej długości) niż wieczorem, gdy w świetle przeważają dłuższe fale elektromagnetyczne (światło czerwone). Dlaczego więc liście wydają nam się tak samo zielone rano, w południe i wieczorem (a nawet przy świetle ulicznej latarni)? Zjawiska tego – nazywanego stałością koloru – nie można wyjaśnić odwołując się wyłącznie do działania światłoczułych receptorów na siatkówce.

W klasycznej już książce „Vision of the Brain” (1993), będącej fundamentalnym dziełem z dziedziny neurobiologii widzenia, Zeki skłonił się ku wyjaśnieniu zaproponowanemu po raz pierwszy przez Edwina Landa. Głosi ono, że kora wzrokowa stale „porównuje” fale elektromagnetyczne odbijane od danej powierzchni z falami odbijanymi przez otoczenie. Choć powierzchnia liścia ilościowo odbija mniej zielonego światła wieczorem niż w południe, to w tym samym czasie otoczenie również odbija go proporcjonalnie mniej. Ta proporcja jest stała, nie zależy od warunków oświetlenia i to właśnie jej mózg przyporządkowuje odpowiedni kolor. Gdyby mózg nie narzucał takiej porządkującej zasady na docierające do niego bodźce, żylibyśmy w zdecydowanie bardziej chaotycznym świecie, w którym rzeczy nieustannie zmieniałyby swoje kolory. ©