Trzeci kciuk

Jeden z najpraktyczniejszych wynalazków ewolucji zadebiutował około 170 mln lat temu, między ogromnymi miłorzębami i iglakami obszaru, który dziś stanowi chińską prowincję Liaoning. Małe, latające gady dorobiły się wówczas tajnej broni, która miała pozwolić im skuteczniej polować w gęstych zaroślach. Ta broń okazała się tak skuteczna, że dobór naturalny wyposażył w nią później także niektóre ptaki i ssaki. A 169 mln lat po tym, jak ­Kunpengopterus ­antipollicatus polował między miłorzębami na cykady, jego wynalazek stał się jedną z podstaw cywilizacji człowieka.

Chodzi o kciuk. Dodatkowy, nonkonformistyczny palec po zawadiacku ustawiony pod kątem w stosunku do pozostałych. Małe pterozaury, podobnie jak nasi przodkowie, korzystały z niego zapewne po to, by zręcznie i bez wysiłku chwytać się leśnych gałęzi. Ale jego użyteczność wykracza dalece poza wspinaczkę po drzewach. Bez kciuków nie byłoby narzędzi, bo nie bylibyśmy w stanie mocno chwycić młotka czy zaostrzonego kamienia. A bez narzędzi nie byłoby rolnictwa, miast, nauki i tygodników opinii.

Ale skoro jest tak użyteczny, to dlaczego mamy tylko dwa kciuki? Co właściwie zrobilibyśmy z trzecim, czwartym, piątym? Czy nasz mózg dałby sobie z nimi radę? Absurdalne z pozoru pytanie może okazać się bardzo ważne, bo prowadzi nas do głębszej analizy tego, jak właściwie nasz mózg steruje przypisanym mu ciałem. I czy ludzkość może te ciała do woli przebudowywać.

To już część mnie

Aby to sprawdzić, zespół uczonych z University College London wyposażył 36 osób badanych w trzeci, drukowany w 3D, mechaniczny kciuk. Wymyślone przez projektantkę Dani Clode urządzenie zamocowane na dłoni pozwala na precyzyjną kontrolę ruchów dodatkowego palca za pomocą czujników nacisku przyklejonych do dużych palców stóp. Naciskając je, badani sterowali silniczkami zginającymi na różne sposoby mechaniczny palec.

– Na początku to dziwne uczucie. Jesteśmy jednak przyzwyczajeni do tego, że zwykle widzimy pięć palców na dłoni – wspomina „Tygodnikowi” Paulina Kieliba, polska neurobiolożka, członkini zespołu prowadzącego badanie. – Ale to bardzo szybko staje się naturalne. Po kilku dniach, a może nawet po kilku godzinach miałam wrażenie, że już jest to dla mnie coś w miarę normalnego. ­Jasne, ­obijałam się nim czasem o ścianę czy jakieś przedmioty, ale szybko się do niego przyzwyczaiłam i wydaje mi się, że większość uczestników badania miała podobne odczucia – dodaje współautorka eksperymentu.

Wyposażeni w kciuk badani mieli przy jego pomocy, przez sześć godzin dziennie, wykonywać zwyczajne prace oraz rozwiązywać testy narzucone przez naukowców. Większość rzeczywiście błyskawicznie przyzwyczaiła się do dodatku. Badani byli w stanie prawidłowo korzystać z nowego kciuka nawet wtedy, gdy byli rozproszeni – np. gdy musieli budować wieżę z klocków, jednocześnie rozwiązując problemy matematyczne, albo gdy zawiązano im oczy.

„Nasze badanie wykazało, że ludzie są w stanie szybko nauczyć się korzystać z urządzenia wspomagającego i wykorzystywać je bez zbędnego myślenia o nim” – piszą autorzy eksperymentu w raporcie opublikowanym w maju tego roku na łamach „Science Robotics”. „Korzystając z trzeciego kciuka, ludzie zmienili swoje naturalne ruchy dłoni. Twierdzili też, że zrobotyzowany kciuk wydawał im się częścią ich własnego ciała”.

Zmiana w reprezentacji

To właśnie jest najbardziej fascynująca część eksperymentu. Bo korzystanie z kciuka nie tylko zmieniło przyzwyczajenia użytkowników. Coś szczególnego wydarzyło się w ich mózgach. Skany przeprowadzone przed pięciodniowym eksperymentem i po nim wykazały różnice w funkcjonowaniu pewnych obszarów kory mózgowej.

– Zauważyliśmy po tych pięciu dniach, w grupie osób, które używały tego kciuka, zmiany w reprezentacjach dłoni w korze czuciowo-ruchowej. Chodzi o ośrodki mózgu, które mają do czynienia z ruchem – tłumaczy „Tygodnikowi” Paulina Kieliba. – Zmiana dotyczy tego, jak nasz mózg reprezentuje ruch pojedynczych palców dłoni. Już po tak krótkim czasie z dodatkowym kciukiem ruch każdego z palców stał się dla naszego mózgu bardziej podobny, niż był wcześniej. Coś, co nazywamy reprezentacją dłoni, zmalało. Reprezentacje palców, wcześniej bardzo od siebie różne, stały się bardziej podobne. To o tyle ciekawe, że reprezentacja dłoni zazwyczaj jest bardzo stabilna. Pracujemy z ludźmi po amputacji, u których nawet po 20 latach konkretne ­obszary mózgu reprezentują utraconą kończynę. A w naszym eksperymencie zaledwie po pięciu dniach zauważyliśmy, że następuje jakaś zmiana – dodaje Kieliba.

Może się nam wydawać, że narzędzie, z którego często korzystamy – czy to klawiatura, kierownica samochodu, czy śrubokręt – jest przedłużeniem naszego ciała. Ale nasz mózg zazwyczaj widzi bardzo wyraźną różnicę między tym, co stanowi jego bezpośrednią domenę, a zewnętrznymi urządzeniami wspomagającymi. Okazuje się jednak, że ta granica zaciera się, gdy mamy do czynienia z urządzeniem, które staje się trwałym elementem ciała. Wcześniej podobne zjawisko zaobserwowano jedynie u pianistów koncertowych. Japońscy badacze odkryli w 2019 r., że lata treningu prowadzą u nich do zaburzenia reprezentacji dłoni w mózgu na podobny sposób – palce dla mózgu zaczynają „zlewać się” i upodabniać do siebie.

Żelazna dłoń generała

Ta zdolność mózgu do adaptacji może się okazać bardzo istotna. Choćby dla budowy lepszych protez. Zastępcze kończyny przez dwa tysiące lat nie uległy wielkim przemianom. Jedną z pierwszych, o jakich wiemy, jest żelazna dłoń rzymskiego generała Marcusa Sergiusa. Dowódca stracił dłoń podczas drugiej wojny punickiej z Kartaginą (218-201 p.n.e.). Na jej miejsce kazał sobie stworzyć metalową protezę, która DANI CLODE DESIGN / DANICLODE.COM / MATERIAŁY PRASOWEpozwalała mu utrzymać tarczę. Późniejsze modele nieco rozwinęły rzymski pomysł. Metalowa ręka niemieckiego rycerza ­Goetza von Berlichingena miała ruchome palce, pozwalające mu utrzymać wodze konia.

Palce trzeba było jednak układać przy pomocy drugiej, sprawnej dłoni.

Później seria wynalazków ­pozwoliła na stworzenie protez nieco bardziej ­przypominających funkcjonalnością dłonie, ale prawdziwy przełom dopiero się zaczyna. Postępy robotyzacji i neuronauki pozwalają mieć nadzieję na stworzenie kończyn funkcjonalnością odpowiadających ludzkim. A transhumaniści, tacy jak Kevin Warwick z Uniwersytetu Coventry, autor kilku książek o robotach, cyborgach i sztucznej inteligencji, idą jeszcze dalej, twierdząc, że w przyszłości opracujemy części ciała o możliwościach daleko przekraczających potencjał oryginałów. I, być może, będziemy chcieli usprawniać nasze ciała biomechanicznymi dodatkami.

Tyle że wyniki londyńskiego badania z trzecim kciukiem można interpretować dwojako. A jedna z możliwości to zła wiadomość dla ludzi czekających na przyszłość pełną bionicznych akcesoriów.

– Z jednej strony, nasze wyniki mogą świadczyć o tym, że nasz mózg znalazł bardziej optymalny, bardziej kompaktowy sposób na przetwarzanie informacji o dłoni. I dzięki temu może oddelegować więcej zasobów do kontrolowania dodatkowego kciuka – tłumaczy Kieliba. – Zły scenariusz jest taki, że zmiany w reprezentacji świadczą o tym, iż mamy ograniczoną ilość zasobów do kontroli naszych własnych pięciu palców. Dodanie szóstego sprawia więc, że nasz mózg musi zabrać część zasobów przypisanych pozostałym palcom i oddać je nowemu. To mogłoby skutkować tym, że kontrola, jaką mamy nad naszym normalnym ciałem, staje się nieco gorsza.

Proces odwracalny

Nie wiemy też, jak długo utrzymuje się efekt wykryty przez londyński zespół. Zmiany w reprezentacji dłoni wydają się cofać po kilkunastu dniach. Ale naukowcy przestrzegają, że skala ich badania była zbyt mała, a jego czas zbyt krótki, by wyciągać daleko idące wnioski.

– Wyobraźmy sobie, że żyjemy w futurystycznym świecie i idziemy do pracy, w której na przykład dostajemy dwie dodatkowe dłonie, by nosić ciężary czy pracować na linii produkcyjnej. Po ośmiu godzinach zostawiamy te dodatkowe dłonie w szafce – rozważa Paulina Kieliba. – Czy nadal jesteś w stanie korzystać równie dobrze ze swoich dwóch naturalnych dłoni? Czy nadal jesteś w stanie bezpiecznie kontrolować swoje ciało? Tego nie wiemy, nasz eksperyment otwiera okno dla kolejnych badań, jednak prowokuje również wiele nowych pytań.

Daje też nadzieję na to, że odtworzenie naturalnych, ale utraconych funkcji organizmu jest możliwe i nie jest dla naszego mózgu szczególnym problemem przyzwyczajenie się do nawet bardzo złożonych protez. Natura dała protezom przyszłości kciuk w górę. ©

HOMUNCULUS

W FILOZOFII termin ten używany jest m.in. do zobrazowania problemów związanych z wyjaśnianiem świadomości. Co bowiem powoduje, że doświadczamy świadomych wrażeń – oraz że oglądamy coś „okiem umysłu”? Możemy sobie wyobrazić, że istnieje w mózgu struktura, która niczym ­miniaturowy człowieczek (to właśnie po łacinie znaczy homunculus) przygląda się obrazom dostarczanym nam przez zmysły lub wyobraźnię. Ale to nie rozwiązuje problemu, możemy bowiem zapytać: jak to się dzieje, że sam ­homunculus doświadcza tych wrażeń? Czyżby w jego maleńkiej głowie znajdował się jeszcze mniejszy człowieczek? A w nim – kolejny?

W NEUROBIOLOGII homunculus zyskał nową postać. W korze mózgowej istnieją bowiem wyspecjalizowane obszary czuciowe i ruchowe, które reprezentują konkretne części ciała. Np. gdy ruszamy małym palcem albo dotykamy czegoś kolanem, aktywuje się inny obszar niż wtedy, gdy poruszamy stopą albo po naszym policzku spływa kropla potu (możemy także wywołać określone ruchy lub wrażenia, jeśli będziemy stymulować magnetycznie odpowiednie części mózgu). Obszary te tworzą dwie mapy naszego ciała, nazywane homunculusem czuciowym i ruchowym. Układ tych map nie odzwierciedla dokładnie naszego planu anatomicznego: np. reprezentacje palców i części twarzy są położone blisko siebie. Te części ciała zajmują również na mózgowych mapach mnóstwo miejsca – ponieważ wymagają przetwarzania wielu informacji. Gdyby nasze mózgowe mapy dokładnie odwzorowywały nasze ciała, wyglądalibyśmy tak, jak na widocznych obok modelach z Muzeum Historii Naturalnej w Londynie.

BADANIA POKAZUJĄ, że mapy te są dość stabilne, a nawet częściowo wrodzone. Prawdopodobnie to one odpowiadają za tzw. bóle fantomowe u pacjentów po amputacjach. Mają one wynikać z faktu, że po amputacji mózgowa mapa nie zdołała się „zaktualizować”, a pacjenci mogą odczuwać, iż odcięta część ciała ciągle istnieje, ale np. zastygła w bolesnym skurczu. Również „uderzenie się” w fantomową kończynę może powodować doznania bólowe. © (p) ŁK