Myślę, więc wiem, gdzie jestem

Nicień (Caenorhabditis elegans) to podłużny, zamieszkujący glebę, w większości hermafrodytyczny bezkręgowiec z rzędu Rhabditida, osiągający długość 1 mm. Jego układ nerwowy składa się z zaledwie ok. 300 neuronów. Nie ma oczu, a w swoim środowisku porusza się, wykrywając jedynie intensywność zapachów. To chyba najprostsza w przyrodzie strategia radzenia sobie w przestrzeni.

Dla kontrastu my, ludzie, wyposażeni w mózgi złożone z 86 mld neuronów, orientujemy się w przestrzeni, korzystając z bardzo zróżnicowanych strategii. Czasem zapamiętujemy sekwencję charakterystycznych punktów orientacyjnych i wyobrażamy je sobie. Potrafimy też rozpoznawać geometrię środowiska i wykorzystać ją, by odnaleźć drogę. Często rozszerzamy też możliwości naszych umysłów, biorąc do ręki papierowe mapy, uruchamiając ich elektroniczne odpowiedniki w smartfonach i tabletach albo zdając się na programy wytyczające trasę na podstawie danych GPS.

Gryzonie i geometria

W latach 80. XX w. pracujący wówczas na Uniwersytecie Pensylwanii Ken Cheng i Charles Randy Gallistel postanowili sprawdzić, jakimi danymi kierują się szczury, próbując odnaleźć pożywienie ukryte w jednym z rogów prostokątnego wybiegu ograniczonego ściankami. Gdy gryzonie nauczyły się już, gdzie należy szukać nagrody, naukowcy dezorientowali je, a następnie obserwowali ich ponowne poszukiwania.

Ponieważ w wybiegu nie umieszczono żadnych charakterystycznych punktów, a wszystkie ściany miały jednakowy kolor, geometria pomieszczenia stanowiła jedyną przesłankę mogącą zawęzić poszukiwania. Okazało się, że zwierzęta koncentrowały się albo na tym samym rogu, w którym pożywienie ukryte zostało przed dezorientacją, albo na identycznym geometrycznie rogu po przekątnej wybiegu. Gdyby gryzonie nie potrafiły się kierować geometrią, chaotycznie szukałyby nagrody we wszystkich rogach pomieszczenia. Co ciekawe, gdy do wybiegu dodano niegeometryczne wskazówki – jego część była zaciemniona, jedna ze ścian miała inny kolor albo pojawiły się charakterystyczne punkty, szczury nadal polegały przede wszystkim na geometrii środowiska, szukając albo w poprawnym rogu, albo w przeciwległym.

Z pudełka do pokoju

Zdolność do orientacji opartej na geometrii środowiska rozpowszechniona jest wśród wielu kręgowców: ptaków – przynajmniej gdy znajdują się one w naziemnym, zamkniętym środowisku – oraz u człowieka i innych naczelnych. Jak pokazują badania przeprowadzone w latach 90. przez Lindę Hermer i Elizabeth Spelke, 22-miesięczne dzieci, orientując się w prostokątnym pokoju, polegają jedynie na jego geometrii, podobnie jak szczury zaniedbując pozostałe wskazówki.

Wiemy jednak, że poleganie na geometrii bywa zawodne. Poza tym życie nie toczy się w prostokątnym pomieszczeniu, ale w naturalnym środowisku czy miejskiej dżungli. Przestrzeń, w której żyjemy, bogata jest w rozmaite – naturalne bądź będące dziełem człowieka – charakterystyczne punkty, które wręcz trudno zignorować. Na przykład, gdy tłumaczymy komuś drogę, często mówimy: „idź prosto, a za dużym budynkiem z czerwonym dachem skręć w lewo”. W kontrolowanych warunkach eksperymentalnych Hermer i Spelke pokazały, że dorośli (w przeciwieństwie do prawie dwuletnich dzieci) potrafią unikać wieloznaczności w orientacji, pomysłowo łącząc geometrię środowiska i inne obserwowane wskazówki. Badaczki twierdzą, że choć dysponujemy mechanizmami orientacji przestrzennej bardzo podobnymi do szczurzych, ucząc się języka i korzystania z map, wzbogacamy nasz umysłowy repertuar. Z drugiej strony badania z udziałem rezusów i tamaryn pokazują, że choć naczelne te nie dysponują językiem ani nie potrafią używać map, podobnie jak dorośli ludzie w orientacji przestrzennej umiejętnie łączą geometrię środowiska oraz inne informacje.

A może umysły ludzkie – i nie tylko – wyposażone są we własne wewnętrzne mapy przestrzeni? Taki postulat, na przekór obowiązującemu wówczas w psychologii paradygmatowi, wysunął już w 1948 r. profesor Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley Edward Tolman. Ówcześni behawioryści skłonni byli sądzić, że sprawne poruszanie się gryzoni w labiryntach stanowi rezultat uczenia się kolejnych zakrętów. Tolman zauważył jednak, że szczury potrafią wybierać różne drogi do celu – „na skróty” albo „naokoło”. Wynik ten wyjaśnił istnieniem w szczurzych umysłach map reprezentujących środowisko.

Nobliwe neurony

W 2014 r. Nagrodą Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny uhonorowani zostali „za odkrycie komórek, które tworzą mózgowy system orientacji przestrzennej”, amerykańsko-brytyjski neuronaukowiec John O’Keefe oraz małżeństwo norweskich neurofizjologów Edvard i May-Britt Moserowie. W 1971 r. pierwszy z nich, wykorzystując precyzyjne metody pomiarowe, odkrył w hipokampie neurony, których aktywacje odzwierciedlały miejsca, w których przebywał szczur. Na podstawie aktywności „komórek miejsca” (bo tak je nazwano) można było odczytać, w jakim rejonie wybiegu w konkretnej chwili znajdowało się zwierzę.

Na początku nowego milenium Moserowie dokonali kolejnych ważnych odkryć na temat umysłowego systemu kartograficznego. W połączonej z hipokampem korze śródwęchowej odnaleźli oni neurony, których aktywacje odpowiadały nie pojedynczym miejscom wybiegu, ale przebywaniu szczura w jednym z wierzchołków sześciokąta (okazało się, że mózg dzieli przestrzeń na takie figury, podobnie jak kartograf mapę na kwadraty). Neurony te nazwano „komórkami siatki”. Przypuszcza się, że odpowiedzialne są one za informację o odległości oraz kierunku ruchu. Dzięki dzieleniu obszaru na mniejsze pola zwierzę nie musi za każdym razem odwoływać się do wskazówek zewnętrznych, by wiedzieć, gdzie jest. W korze śródwęchowej Moserowie odkryli również „komórki czułe na kierunek głowy”, „komórki graniczne” (aktywujące się – trochę jak czujnik parkowania – gdy szczur zbliżał się do przeszkody) oraz „komórki szybkości” (ich aktywacje zwiększały się wraz z tempem ruchu zwierzęcia).

Mapy śródwęchowe i hipokampalne różnią się od siebie – o ile pierwsze są trwałe i niezależnie od środowiska (niosą uniwersalne informacje o kierunku i odległości), o tyle drugie wytwarzane są na nowo, gdy organizm znajdzie się w nowym otoczeniu (co sprzyja adaptacji do bieżącego środowiska). Komórki odkryte przez O’Keefe’a i Moserów (zlokalizowane także w mózgach ludzi) pozwalają nam zdać sobie sprawę z tego, gdzie aktualnie jesteśmy, przypomnieć sobie drogę albo obmyślić skrót. W przypadku osób cierpiących na chorobę Alzheimera, które przejawiają deficyty w orientacji przestrzennej i pamięci, obserwuje się obumieranie neuronów hipokampa i kory śródwęchowej.

Miniaturowy GPS?

Co jednak z owadami: mrówkami, pszczołami miodnymi czy trzmielami, które wykazują się dobrą orientacją przestrzenną, choć ich mózgi nie są większe niż główka od szpilki? Czy wykorzystują do tego strategię bliższą bezmyślnemu nicieniowi, który kieruje się tylko intensywnością zapachu, czy raczej korzystają z czegoś zbliżonego do wewnętrznych map? Liczne badania wskazują, że owadzie mózgi wyposażone są w wiele „instrumentów nawigacyjnych”, z których korzystają w zależności od sytuacji i środowiska. Owady lądowe, np. mrówki, których mózgi liczą około ćwierć miliona neuronów, orientują się w przestrzeni dzięki nieustannemu monitorowaniu kierunku (w stosunku do początkowego punktu) i szybkości ruchu. W ten sposób ciągle obliczają aktualne położenie i potrafią znaleźć optymalną drogę powrotną do gniazda.

Owady latające, analogicznie do żeglarzy w zamierzchłych czasach, nawigują względem pozycji słońca na niebie, lecz w pochmurne dni są w stanie rozpoznać i wykorzystać niewidoczny dla nieuzbrojonego ludzkiego oka wzorzec polaryzacji światła słonecznego. Gdy trzeba jednak precyzji, np. przy powrocie do gniazda, pszczoły potrafią wykorzystywać charakterystyczne punkty orientacyjne. Choć ich mózgi są znacznie prostsze niż ludzkie (1 mln kontra 86 mld neuronów) i próżno szukać w nich hipokampów, zarządzają orientacją przestrzenną organizmu w sposób nie mniej elastyczny.

Żegnaj, Kartezjuszu

Kartezjusz, ojciec nowożytnego myślenia o myśleniu, sądził, że umysł jest czymś unikalnie ludzkim. Zwierzęta były dla niego pozbawionymi życia wewnętrznego maszynami.

Dziś badacze zwierząt niemal powszechnie przyjmują, że zdolności takie jak orientacja w przestrzeni są rezultatem skomplikowanych procesów poznawczych. I nie dotyczy to tylko naszych najbliższych krewnych, czyli naczelnych oraz innych ssaków, ale także ptaków, a nawet owadów. Czy zwierzęta myślą? To zależy, jak rozumiemy myślenie, ale tworzenie umysłowych map przestrzeni, elastyczne kierowanie się charakterystycznymi punktami w środowisku oraz jego geometrią czy też zliczanie trajektorii, by odnaleźć najkrótszą drogę, to wyrafinowane procesy umysłowe, choć mogą one przebiegać poza oknem świadomości. Pomiędzy naszymi umysłami a umysłami zwierząt istnieją bez wątpienia spore różnice. Może czas jednak przyjąć, że są to różnice nie jakościowe, ale różnice stopnia. Nawet małe mózgi mają swoje umysły. ©

Dr MATEUSZ HOHOL jest kognitywistą, adiunktem w Zakładzie Logiki i Kognitywistyki IFiS PAN i członkiem Centrum Kopernika. Realizuje projekt NCN „Mechanizmy poznania geometrycznego” (2015/19/B/HS1/03310).

BARTOSZ BARAN realizuje „Diamentowy grant” w Katedrze Fizjologii Zwierząt i Ekotoksykologii na Wydziale Biologii i Ochrony Środowiska Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.