Jak mózg rozpoznaje rzeczywistość?

Ewa Biernacka

Czy świat poznawany dzięki zmysłom jest taki, jaki nam się wydaje? Czy mamy dostęp do jego rzeczywistej natury, czy tylko interpretujemy sygnały dochodzącej do maszyny neuronalnej mózgu? Co dla epistemologii wynika z badań empirycznych w dziedzinie lingwistyki, neurobiologii, nauk kognitywnych i komputerowych (sztuczna inteligencja)?

Sądy filozofów w kwestii poznania często przyznawały rozumowi rolę sprawczą. Husserl sądził, że poznanie nie polega na odzwierciedlaniu świata, lecz na jego konstytuowaniu w umyśle. Dla neopozytywistów świat empiryczny był dostępny jedynie jako hipoteza. Współczesna hermeneutyka, np. Gadamer, upatruje w każdym rozumieniu aktu interpretacji – poznający podmiot używa przed-sądów (Vorurteil) i nie jest zdolny do przekroczenia aparatu konceptualnego. Willard Quine twierdził, że epistemologia nie powinna dowodzić istnienia świata niezależnego od naszego doświadczenia, tylko uznać, że on istnieje, analizować zaś kwestię, jakie kognitywne mechanizmy powodują, że podmiot na podstawie ubogiego zasobu pobudzeń wejściowych wytwarza ogromną sieć skomplikowanych przekonań. Ostatnio John O’Keefe, May-Britt Moser i Edvard Moser (Nagroda Nobla 2014) potwierdzili teorię Immanuela Kanta – metodami laboratoryjnymi wykazali nie tylko słuszność idei, że przestrzeń jest daną nam kategorią, według której postrzegamy świat, ale podali też neurobiologiczne podstawy słuszności tego sądu – podkreśla prof. Vetulani. Doświadczenie zmysłowe uporządkowane czasowo i przestrzennie dzięki wrodzonym strukturalnym formom, jakimi dysponuje umysł, które to poznanie warunkują, okazało się doświadczeniem post hoc w stosunku do modelu a priori w mózgu.

Po co nam percepcja? Umożliwia ona rozpoznanie w otoczeniu tego, co jest istotne dla przetrwania organizmu – odpowiada neurobiolog. Z docierających z otoczenia nieprzerwanie do organizmu bodźców fizycznych dzięki percepcji mózg składa obraz wzrokowy, słuchowy, dotykowy itp. qualia – konstrukty umysłu. Całe nasze doświadczenie to twórcza interpretacja, świat wirtualny, który zaludniamy znaczeniami – dodaje. Poznanie dostarcza danych niezbędnych do realizacji poznania „wyższego rzędu” – kategoryzacji i konceptualizacji (tworzenie pojęć). Informację zdobytą w percepcji wykorzystujemy też w działaniu. Niektórzy naukowcy, np. twórca psychologii ekologicznej James J. Gibson, sądzą, że jej głównym zadaniem jest rozpoznawanie sposobności do działania. Psycholog amerykański David Marr stworzył teorię percepcji wzrokowej, poznania ucieleśnionego, uważaną za kognitywistyczny przełom w podejściu do widzenia organizmu jako struktury poznawczej posługującej się wnioskowaniem logicznym, optymalizacją zachowania w świetle otrzymywanych informacji. Jesteśmy ucieleśnieni, funkcjonujemy w nieustannym strumieniu bodźców (pojęcie „ucieleśnionego umysłu” i poznania jest też centralnym zagadnieniem rozważań Andy`ego Clarca). Działanie poznawcze tworzy przyczynowo związane sieci zależności między sytuacjami zachodzącymi i mającymi zajść. Otoczenie się zmienia, my zaś nieustannie odkrywamy rządzące nim prawa. Prace obu psychologów wprowadziły istotne novum do współczesnej epistemologii, „skonstruowały” model poznawczy z aktywną poznawczo jednostką w zmieniającym się otoczeniu.

Wielu badaczy, m.in. Karl Friston, uważa, że mózg nie tworzy obrazu rzeczywistości na podstawie każdorazowego oglądu pochodzącego z bodźców zmysłowych, tylko ma gotowy model i to, co napływa, z nim porównuje. Powołuje się przy tym na tezę Rogera Conanta i Rossa Ashby’ego, iż „każde urządzenie regulujące system musi być modelem tego systemu”. Wynika z niej, że podstawowym celem mózgu jest stanie się modelem swojego świata. Że jako regulator przetrwania musi pracować, ucząc się, wychwytując prawidłowości. Nie możemy doświadczyć świata w izolacji od tego, co wcześniej o nim wiemy – twierdzi Friston. Percepcja jest aktem wnioskowania, a tym, co postrzegane, rządzi aktualny model świata, jakim dysponuje mózg. Procesy poznawcze opierają się na wnioskowaniu probabilistycznym (percepcja, wnioskowanie dedukcyjne i indukcyjne, kategoryzacja, uczenie, rozumienie i tworzenie wypowiedzi). Korzeniami probabilizmu są rachunek prawdopodobieństwa Bernoullego, a w fizjologii prace Helmholtza i hipoteza nieuświadomionego wnioskowania. Jednym z najważniejszych paradygmatów jest reguła Bayesa prawdopodobieństwa warunkowego. Jest ona kluczem do zrozumienia, dlaczego ludzie przyjmują chętnie niektóre wnioskowania, mimo ich niepoprawności, lub je odrzucają wbrew poprawności. Friston używa tej reguły do wnioskowania o hierarchicznym kodowaniu predykcyjnym, aproksymacji trudnego obliczeniowo wnioskowania, iż mózg minimalizuje tzw. swobodną energię, czyli zaskoczenie nowymi informacjami. Równowaga między aktualnymi danymi zmysłowymi a wcześniejszymi doświadczeniami pozwala mózgowi uporać się z zakłóconymi i niepewnymi informacjami ze środowiska, tworzyć predykcje co do danych mających nadejść w przyszłości, przeznaczać zasoby motoryczne i poznawcze w sposób proaktywny, oparty na przewidywaniu, co optymalizuje interakcję z otoczeniem. Nawet mała nierównowaga tego systemu może prowadzić do przesunięcia się wnioskowania w kierunku psychozy (badania m.in. Paula Fletchera). Model świata na bazie doświadczeń w umyśle promuje bezpieczeństwo i przeżycie: znalezienie jedzenia, uniknięcie niebezpieczeństwa – twierdzi Friston. Człowiek pierwotny by nie przeżył, jeśliby zawsze polegał na percepcji – studiował wygląd węża czy cień czającego się tygrysa. Popełniamy jednak błędy przewidywania. „Niespodzianka” i błąd przewidywania stawiają nas przed koniecznością wydatkowania dodatkowej energii (Fristona teoria wolnej energii) na poziomach percepcyjnym i biologicznym. Ten drugi pochodzi z ogólnej zasady mechanizmu adaptacyjnego organizmu i ma postać stresu, który w ewolucji oznaczał ryzyko odniesienia rany. Organizm reaguje wyprzedzająco – przygotowując się do obrony przed zagrożeniem (stresem), uruchamia układ immunologiczny, nim coś się stanie (już Aleksander von Humboldt sugerował, że mózg musi przewidywać konsekwencje swojej aktywności sensoryczno-motorycznej, w postaci nieświadomego wnioskowania).

– Jakie są tego konsekwencje praktyczne? – analizuje dr Sławomir Murawiec. W życiu poruszamy się w stworzonych w umyśle modelach rzeczywistości. Dajmy na to, lekarz swój model diagnostyczny widzi wszędzie i pomija wszelkie dane, które do niego nie pasują. Rozpoznaje typowe przypadki, albo – przeciwnie – wyjątki. Wyuczony pewnego modelu jakiejś dziedziny medycyny, korzysta z niego i nie wykrywa odstępstw, prediction error. Ma gotową diagnozę. Psychiatrzy i psychologowie poruszają są do pewnego stopnia w większym polu niepewności. Także w codziennych relacjach międzyludzkich tworzymy modele: szefów, kobiet itd., i poruszamy się w ich obrębie (z wszelkimi komplikacjami z racji poznawczych i emocjonalnych). To, co w teorii Fristona jest zachwycające – mówi dr Murawiec – to odwrócenie tradycyjnego patrzenia na poznanie: w istocie postrzegamy rzeczywistość na podstawie tego, co mamy wcześniej w głowie, a nowe informacje służą jedynie do porównania tego, co spodziewane, z tym, co odebrane. Friston policzył termodynamicznie tę różnicę: ilość wolnej energii potrzebnej na wykrycie błędu przewidywania na poziomie neurofizjologicznym (poziom neuroprzekaźników kodujących błędy przewidywania i tych wykrywających je).


By nasz model nie był nadmiernie rozbudowany, we śnie informacje są selekcjonowane przez mózg. Badacze zgłębiają optymalizującą działanie mózgu funkcję snu. Chiara Cirelli i Giulio Tononi sformułowali hipotezę, że w trakcie snu mózg doświadcza przegrupowania, a synapsy wracają do uprzednich poziomów funkcjonowania, zwiększa się synteza białek, która przyczynia się do procesów wzrostu i naprawy neuronów i komórek gleju. Według Sidarty Ribeira w trakcie snu zachodzą zarówno procesy „zmniejszania”, jak i „powiększania” działania synaps. Dokonuje się optymalizacja siły ich działania i ich ilości, niezbędna do zapamiętania nowych informacji, a „powiększanie” pozwala na konsolidację świeżo nabytych informacji. Sen zmienia też komórkową strukturę mózgu. Lulu Xie i wsp. wykazali, że w trakcie snu następuje zwiększenie przestrzeni międzykomórkowej między neuronami a glejem o 60 proc., czego rezultatem jest zwiększenie wymiany i przepływu płynu mózgowo-rdzeniowego, usuwanie substancji o działaniu neurotoksycznym powstających podczas pracy mózgu.

Informacje uzyskane w ciągu dnia zostają oczyszczone z tych zbędnych, a to, co istotne, zostaje wbudowane do dotychczasowej wiedzy.


Zgodnie z zasadą minimum energii potencjalnej dotyczącą układów fizycznych w przyrodzie, model rzeczywistości służy nam do minimalizowania wysiłku. Każda zmiana wymaga termodynamicznie dużego zachodu, plastyczności, czasem stworzenia nowego modelu. U jednych osób modele rzeczywistości są sztywne (np. osobowość paranoiczna), nie wykrywają one błędów przewidywania. Umysł innych wykrywa zaskoczenie tam, gdzie go nie ma. Tak powstają urojenia. Wszyscy potrzebujemy metateorii (wiedza akademicka, modele poznawczo-behawioralne, religia itd.), wg której organizujemy sobie to, co myślimy o świecie. Dobry model, np. religijny, porządkuje nam cały świat, można do niego przyporządkować każde doświadczenie. Wykrycie prediction error – czegoś nowego – na początku budzi opór, nie pasuje bowiem do istniejącego modelu (faza zaprzeczania np. w historii nauki). Włączenie nowej wiedzy wymaga zawsze porzucenia dotychczasowej wirtualnej rzeczywistości i dodatkowej energii na zweryfikowanie modelu. Jeśli tak opanuję rzeczywistość, że ją będę wręcz wytwarzał – będę najbezpieczniejszy. Temu służą teorie poznawcze, społeczne (gdzie wróg, gdzie przyjaciel). Praczłowiek tworzył model rzeczywistości jakby niezależnej od jego mózgu. Teraz tak zmieniliśmy rzeczywistość, że jest modelem naszego mózgu, a zarazem jego wytworem – mówi dr Murawiec.


Tekst na podstawie wykładów prof. J. Vetulaniego i dr. S. Murawca w ramach Tygodnia Mózgu 2015.

Najpopularniejsze artykuły