Wielka zagadka i nowe pytanie naukowe
Prof. Wojciech Kolanowski z Państwowej Akademii Nauk Stosowanych w Przemyślu, w publikacji na łamach prestiżowego czasopisma naukowego Medical Hypotheses proponuje odwrócenie tego myślenia.
Zamiast pytać wyłącznie o to, jak zbudowane są „obwody elektryczne” naszej świadomości, stawia drugie, równie fundamentalne pytanie: „Co sprawia, że mózg jest w ogóle zdolny do podtrzymywania tak złożonej aktywności?”
Praca badacza wprowadza do nauki hipotezę metaboliczno-proteostatycznej wykonalności świadomości (metabolic-proteostatic feasibility hypothesis). Pokazuje ona, że pomiędzy biologią pojedynczej komórki a wyższymi funkcjami umysłu istnieje brakująca warstwa biologiczna, bez której nasza świadomość po prostu nie może stabilnie działać.
Dlaczego dotychczasowe teorie to za mało?
Większość dotychczasowych teorii naukowych opisywała mózg w sposób przypominający abstrakcyjny komputer lub cyfrowy system przetwarzania danych. Skupiały się one na tym, jak informacje są ze sobą integrowane lub krążą w pętlach sprzężeń zwrotnych. Jak zauważa prof. Kolanowski:
Problem polega nie na tym, czy te teorie są cenne. Chodzi raczej o to, że często dokładniej opisują one organizację przetwarzania świadomego niż warunki biologiczne, które pozwalają takiej organizacji trwać w żywej tkance.
Mózg nie jest cyfrowym procesorem działającym niezależnie od biologii. Jest żywym, niezwykle wymagającym narządem, który podlega ciągłemu zużyciu i potrzebuje ogromnych nakładów energii oraz stałej konserwacji.
Czym jest „brakująca warstwa”? Metabolizm i proteostaza krok po kroku
Aby to wyjaśnić, warto rozbić warstwę biologicznej wykonalności na dwa podstawowe filary biologiczne:
- Metabolizm i energia (ATP) – przesyłanie sygnałów w synapsach wymaga ciągłego dostarczania paliwa (energii w postaci cząsteczek ATP), sprawnej pracy komórkowych elektrowni (mitochondriów) oraz nieustannej pomocy komórek wspierających (astrocytów).
- Proteostaza (komórkowy system kontroli jakości białek) – białka stanowią podstawowy budulec synaps i receptorów w mózgu. Podczas ciągłej pracy ulegają uszkodzeniom. Proteostaza to biologiczny system kontroli jakości, odpowiedzialny za prawidłowe wytwarzanie nowych białek, ich naprawę oraz usuwanie i recykling zużytych struktur.
Główna idea hipotezy sprowadza się do prostego, ale kluczowego rozróżnienia: Metabolizm i proteostaza nie tworzą świadomości. Mogą jednak tworzyć biologiczne warunki, bez których żadnych procesów związanych ze świadomością nie da się stabilnie podtrzymywać.
Orkiestra i partytura – jak to zrozumieć?
Aby zobrazować tę zależność, profesor Kolanowski używa obrazowej analogii do orkiestry symfonicznej:
Wyobraźmy sobie orkiestrę. Możemy analizować partyturę, relacje pomiędzy instrumentami i sposób, w jaki muzycy synchronizują swoją grę. Ale nawet najlepsza orkiestra nie zagra, jeżeli instrumenty przestaną działać albo zabraknie warunków pozwalających utrzymać cały system w sprawności. Podobnie może być z mózgiem. Sieci neuronalne mogą tworzyć niezwykle złożoną “partyturę” świadomości. Jednak partytura ta musi być wykonywana przez żywy układ biologiczny, który potrzebuje energii, sprawnych struktur i nieustannej odnowy.
Zgodnie z zaproponowanym modyfikowalnym modelem trzech poziomów, świadome funkcjonowanie przypomina drabinę zależności:
- Poziom 1 (Fundament): Energia i sprawność biologiczna mózgu (metabolizm i proteostaza).
- Poziom 2 (Współpraca): Stabilna praca i synchronizacja sieci neuronalnych.
- Poziom 3 (Efekt końcowy): Procesy związane ze świadomością (spójne postrzeganie, uwaga, pamięć, myślenie).
Gdy pierwszy poziom biologiczny zaczyna zawodzić, cała skomplikowana „partytura” świadomości na wyższych poziomach zaczyna tracić stabilność.
Co to oznacza dla medycyny i pacjentów
Odkrycie to ma kluczowe znaczenie kliniczne i może pomóc w wyjaśnieniu wielu stanów chorobowych:
- Znieczulenie ogólne (narkoza): Podczas zabiegów chirurgicznych lekko i odwracalnie zaburzamy metabolizm oraz pracę mitochondriów, co prowadzi do natychmiastowego wyłączenia świadomości.
- Zaburzenia świadomości i śpiączka: Wyjaśnia, dlaczego pacjenci z podobnymi uszkodzeniami strukturalnymi mózgu po urazach mogą różnić się poziomem świadomości i szansą na wybudzenie – decydująca może być ich ukryta rezerwa metaboliczna i proteostatyczna.
- Starzenie się mózgu i choroby neurodegeneracyjne (np. Alzheimer): Pogarszanie się procesów energetycznych oraz załamanie mechanizmów naprawy białek prowadzi do stopniowego „rozpadu” sieci neuronalnych, odpowiedzialnych za pamięć i tożsamość.
- „Mgła mózgowa” i problemy z koncentracją: Objawy takie jak ubytek uwagi, spowolnienie myślenia czy nawracająca mgła umysłowa mogą być wczesnym wskaźnikiem tego, że sieci neuronowe tracą stabilność z powodu obciążenia metabolicznego lub stanów zapalnych w organizmie.
Teoria to nie tylko filozoficzne rozważanie
Teoria prof. Kolanowskiego nie jest jedynie filozoficzną rozważaniem – została zaprojektowana tak, aby można było ją przetestować w badaniach empirycznych.
Naukowcy mogą jednocześnie badać metabolizm mózgu (za pomocą tomografii PET oraz spektroskopii rezonansu magnetycznego MRS), jego aktywność elektryczną (EEG, TMS-EEG) oraz biomarkery molekularne, pokazujące jakość białek w komórkach.
Jeśli okaże się, że wiedza o metabolicznej i cząsteczkowej kondycji mózgu pozwala dokładniej przewidzieć stabilność świadomości u pacjentów niż samo badanie fal mózgowych, hipoteza uzyska mocne potwierdzenie kliniczne.
Warto dodać, że koncepcja ta wpisuje się również w szeroki projekt naukowy (zgłoszony w konkursie NCN OPUS 31), łączący stan odżywienia białkowego z jakością życia i funkcjami psychobiologicznymi pacjentów.
Hipoteza prof. Wojciecha Kolanowskiego przypomina nam, że nasz umysł potrzebuje nie tylko sprawnego oprogramowania i sieci neuronów, ale przede wszystkim sprawnie działających komórkowych elektrowni oraz ciągłego biologicznego serwisu.
Do wielkiego pytania nauk o mózgu: „Jak mózg tworzy świadomość?”, warto więc dołączać drugie: „Jakie warunki biologiczne umożliwiają świadome funkcjonowanie mózgu?”.
