Εγκεφαλικα υπολογιστικά δίκτυα

Ο ανθρώπινος εγκέφαλος είναι μια εξαιρετικά πολύπλοκη μηχανή. Μία μηχανή «φτιαγμένη από κρέας» (ή meat machine) όπως συνήθιζε να λέει ο Minsky. Όπως κάθε ιστός έτσι και ο εγκεφαλικός ιστός αποτελείται από κύτταρα και κυρίως από νευρώνες και τα νευρογλοιακά κύτταρα. Υπεραπλουστεύοντας, μπορούμε να πούμε ότι οι νευρώνες αποτελούν τα “λογικά” στοιχεία του εγκεφαλικού hardware ενώ τα νευρογλοιακά κύτταρα έχουν αναλάβει τις υποστηρικτικές λειτουργίες όπως π.χ. το ρόλο του τροφοδοτικού ή ίσως την θέση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων της μνήμης. Συντηρητικά υπολογίζεται ότι το Κεντρικό Σύστημα του ανθρώπου αποτελείται από 1Χ10¹⁰ έως 3Χ10¹⁰ νευρώνες οι οποίοι «συνάπτονται» μεταξύ τους, δηλαδή σχηματίζουν επαφές μονόδρομης επικοινωνίας, σε ίσως 1Χ10¹⁴ έως 1Χ10¹⁵ σημεία συνολικά. Για να αντιληφθούμε πόσο τρομακτικά μεγάλος είναι ο αριθμός αυτός αρκεί να αναλογιστούμε ότι ο γαλαξίας μας περιέχει 1.000 έως 10.000 φορές λιγότερα άστρα από τον αριθμό αυτό.

Τόσο το μέγεθος των αριθμών που αναφέρθηκαν όσο και το γεγονός ότι οι συνάψεις μεταξύ των νευρώνων είναι πολύ περισσότερες από τους νευρώνες μας πείθουν ότι ο εγκέφαλος  δεν είναι απλά ένας υπολογιστής αλλά ένα ιδιαίτερο εκτεταμένο και περίπλοκο δίκτυο υπολογιστών. Ο κάθε νευρώνας, δηλαδή δεν πρέπει να θεωρείται ως μία απλή πύλη (gate) ενός λογικού κυκλώματος αλλά ως ένας κόμβος ενός πολύπλοκου δικτύου.

Ως κόμβος δικτύου ο νευρώνας είναι προικισμένος με τις ικανότητες ενός μικροεπεξεργαστή (microprocessor) ο οποίος συνοδεύεται από ένα ενσωματωμένο (build in) εκτεταμένο ρεπερτόριο προγραμμάτων (δηλαδή έχει τη δική του ROM). Ακόμη ο νευρώνας – επεξεργαστής έχει έναν τεράστιο αριθμό θυρών επικοινωνίας (communications ports) ενώ χειρίζεται μία αξιόλογης έκτασης μνήμη (RAM). Το πώς έχει κατορθώσει η φύση να ελαχιστοποιεί τον όγκο που απαιτείται για έναν μικροϋπολογιστή τέτοιας δυναμικότητας είναι απορίας άξιο. Ιδιαίτερα όταν σκεφτούμε ότι ο συνολικός όγκος του κάθε νευρώνα είναι κατά μέσο όρο της τάξης των δέκα εκατομμυρίων του κυβικού χιλιοστού! Παρ΄ όλα αυτά υπάρχει μια τεράστια ποικιλία νευρώνων (ίσως ένα εκατομμύριο διαφορετικοί τύποι) πράγμα που εξασφαλίζει ότι το νευρωτικό υπολογιστικό δίκτυο περιέχει κάθε είδους hardware από calculators έως super computers (π.χ. κύτταρα Purkinje).

Ως προς τα γενικότερα χαρακτηριστικά του ο εγκέφαλος παρουσιάζει μία σταθερή δομή και πολικότητα. Είναι εύκολο π.χ. να διακρίνει κανείς σε μικροσκοπικές τομές τους κόμβους επεξεργασίας της πληροφορίας (νευρώνες) και τους διαύλους επικοινωνίας που τους συνδέουν μεταξύ τους (εικ.1). Μακροσκοπικά αποτελείται από δύο ημισφαίρια που το κάθε ένα τους είναι κατοπτρικό είδωλο του άλλου. Η συμμετρία αυτή δεν είναι αποκλειστικά ανατομική αλλά επεκτείνεται, στη λειτουργικότητα του συστήματος, υπό την έννοια ότι το κάθε εγκεφαλικό ημισφαίριο ασχολείται αποκλειστικά με το ετερόπλευρο ήμισυ του σώματος. Ο διαχωρισμός αυτός, ουσιαστικά πλήρης στο επίπεδο της αισθητικότητας και της κινητικότητας, παύει να είναι πλήρης μόνο στο επίπεδο των ανώτερων πνευματικών διεργασιών. Χαρακτηριστικό παράδειγμα της λειτουργικής αυτής διχοτόμησης του εγκεφαλικού υπολογιστικού δικτύου αποτελεί προβολή των ινών του οπτικού νεύρου. Έτσι στον άνθρωπο π.χ. υπάρχει μερικώς μόνο χιασμός του οπτικού νεύρου στο επίπεδο του χιάσματος. Όλες οι νευρικές ίνες, δηλαδή οι δίαυλοι επικοινωνίας του δικτύου, οι οποίες πηγάζουν από τα γαγγλιακά κύτταρα (κόμβους του δικτύου) που βρίσκονται αμφιβληστροειδή και περιέχονται στο ρινικό του ήμισυ (δηλαδή κεντρικά από τη μέση γραμμή που τον διχοτομεί) χιάζονται και διέρχονται προς το ετερόπλευρο ημισφαίριο, αντίθετα με τις υπόλοιπες που συνεχίζουν προς το ομόπλευρο ημισφαίριο. Κατ΄ αυτόν τον τρόπο η κάθε οπτική οδός περιέχει δύο παραστάσεις (μια από κάθε μάτι) του ίδιου οπτικού πεδίου. Έτσι το αριστερό οπτικό πεδίο προβάλει στο δεξιό ημισφαίριο ενώ το δεξιό οπτικό πεδίο προβάλει αντίστοιχα στο αριστερό ημισφαίριο. Αποτελεί μ΄ άλλα λόγια, η περίπτωση της προβολής του οπτικού νεύρου, χαρακτηριστικό παράδειγμα της λειτουργικής διχοτόμησης του υπολογιστικού δικτύου που λέγεται εγκέφαλος υπό την έννοια ότι φέρνει σε επαφή το κάθε ήμισυ του εγκεφάλου με το ετερόπλευρο ήμισυ της πηγής των οπτικών ερεθισμάτων.

Όπως αναφέρθηκε, ο παραπάνω διαχωρισμός παύει να ισχύει στο επίπεδο των ανώτερων πνευματικών διεργασιών, δηλαδή στο επίπεδο του φλοιού. Στο επίπεδο του φλοιού η λειτουργία του εγκεφάλου θα μπορούσε να θεωρηθεί ότι δομήθηκε ακολουθώντας μια φιλοσοφία όμοια με εκείνη που πρυτανεύει κατά την κατασκευή των μεγάλων υπολογιστικών συστημάτων (main frames) δηλαδή της χρησιμοποίησης διπλών επεξεργαστών και της εις διπλούν ταυτόχρονης επεξεργασίας των δεδομένων. (Οι κατασκευαστές των μεγάλων υπολογιστικών συστημάτων καταφεύγουν στις λύσεις αυτές για να μηδενίσουν την περίπτωση λάθους και να ελαττώσουν τις συνέπειες των ατυχημάτων που ενδεχόμενα θα μπορούσαν να προκληθούν).

Τομές στο οβελιαίο επίπεδο του εγκεφάλου μας πείθουν ότι το μεγαλύτερο μέρος του ανθρώπινου εγκεφάλου καταλαμβάνεται από το φλοιό. Αντίθετα το φυλογενετικά παλαιότερο τμήμα του εγκεφάλου, δηλαδή το εγκεφαλικό στέλεχος είναι μάλλον μικρό σε σύγκριση. Περιλαμβάνει το σύνολο των οδών που συνδέουν το φλοιό με την παρεγκεφαλίδα και το νωτιαίο μυελό, τους πυρήνες (υπολογιστικά κέντρα) που ελέγχουν τις ζωτικές λειτουργίες του οργανισμού μας καθώς και ένα μικρό αριθμό πυρήνων του αισθητικού συστήματος. Πιο κοντά προς το φλοιό, ο θάλαμος περιέχει τους πιο ανεπτυγμένους αισθητικούς πυρήνες μαζί με μια ολόκληρη σειρά άλλων πυρήνων που οι λειτουργίες δεν μας είναι απόλυτα γνωστές. Ο φλοιός μπορεί να χαρακτηριστεί ως ένας λεπτός και εξαιρετικά εκτεταμένος ανατομικός σχηματισμός. Στον άνθρωπο π.χ. το πάχος κυμαίνεται μεταξύ 2,5 και 4cm². Λειτουργικά θεωρείται ότι είναι η κορωνίδα της δημιουργίας. Είναι η έδρα όλων των ανωτέρων ψυχικών και λογικών λειτουργιών του ανθρώπου, η πηγή της νοημοσύνης και του hardware απ΄ όπου πηγάζει το ΕΓΩ. Η λειτουργία του γεννά τόσο το ΗΕΓ όσο και το ΜΕΓ τα οποία με τη σειρά μας τα χρησιμοποιούμε ως ενδείξεις πως το νευρωτικό δίκτυο που περιγράψαμε παραπάνω λειτουργεί.

Όμως τι ακριβώς είναι το ΗΕΓ ή το ΜΕΓ; Και πως ακριβώς μπορούν να μας κατατοπίσουν για τη λειτουργικότητα του εγκεφάλου; Οι θεωρίες για τη γένεση του ΗΕΓ πέρασαν από πολλά στάδια ανάπτυξης τα τελευταία 60 χρόνια. Βασικό τους χαρακτηριστικό είναι ότι σχεδόν όλες θεωρούν την ηλεκτρική δραστηριότητα που καταγράφεται από ένα οποιοδήποτε σημείο της κεφαλής ως αποτέλεσμα της άθροισης της επιμέρους ηλεκτρικής δραστηριότητας των εγκεφαλικών νευρώνων που βρίσκονται κοντά στο σημείο της καταγραφής. Το τι σημαίνει η θεώρηση αυτή μπορεί κανείς να το αντιληφθεί κάνοντας ένα μικρό πείραμα (προσομοίωση). Έτσι αν χρησιμοποιήσουμε έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή στη θέση του εγκεφάλου και ένα φορητό ραδιοφωνάκι (τρανζίστορ) στη θέση του ηλεκτροεγκεφαλογράφου θα δούμε (εφόσον ο υπολογιστής έχει πλαστικό κάλυμμα) πως όταν τοποθετήσουμε το ραδιοφωνάκι επάνω στο κάλυμμα του υπολογιστή και προσεκτικά επιλέξουμε την κατάλληλη συχνότητα είναι δυνατό να «ακούσουμε» τον υπολογιστή μας να δουλεύει. Είναι δυνατό δηλαδή, χρησιμοποιώντας το ραδιοφωνάκι ως ανιχνευτή, να μετατρέψουμε το άθροισμα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων που παράγονται κατά τη λειτουργία του υπολογιστή σε ηχητικό σήμα και έτσι να το ανιχνεύσουμε.

Ανάλογα, μέσω του ηλεκτροεγκεφαλογράφου είναι δυνατό να μετατρέψουμε τις μεταβολές του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου του εγκεφάλου σε οπτικό σήμα και να το μελετήσουμε. Φυσικά στην περίπτωση του ΗΕΓ ο ανιχνευτής μας, (σε αντίθεση με το ραδιοφωνάκι του παραδείγματος μας) βρίσκεται σε επαφή (μέσω ηλεκτροδίων) με την επιφάνεια από την οποία καταγράφουμε το ΗΕΓ.Στην περίπτωση όμως του ΜΕΓ η αναλογία του παραδείγματός μας προς την πραγματικότητα γίνεται πληρέστερη αφού το μαγνητικό πεδίο του εγκεφάλου επίσης μετριέται σε κάποια απόσταση (συνήθως 3mm) από την κεφαλή (για την αποφυγή παρασίτων λόγω κραδασμών) και ανιχνεύεται με τη βοήθεια ειδικής κεραίας.