Impulsy elekrtyczne i magnetyzm w mózgu
Mózg jest centralną częścią układu nerwowego. Składa się on u człowieka z pięciu części. Kresomózgowia, przodomózgowia, międzymózgowia, śródmózgowia i tyłomózgowia.
Tyłomózgowie (móżdżek) ludzki jest duży i pokryty korą. Sprawia to że ludzie mają wysoką koordynacje ruchów. Jednak największą częścią mózgu jest kresomózgowie. Przykrywa ono sobą wszystkie części mózgu oprócz móżdżku. Dzięki pokryciu kresomózgowia korą mózgową mózg zdolny jest do wyższych procesów myślowych i lepszego kojarzenia. Kora mózgowa jest to skupienie kadłubów neuronów.
Mózg a fizyka
W dziedzinie nauk o mózgu biofizyka zajmuje się głównie mechanizmem przewodzenia nerwowego oraz transmisyjnymi własnościami neuronu. szczegółowe analizy fizyczne prowadzą do pewnych równań opisujących ewolucję w czasie potencjału czynnościowego na błonie neuronu w zależności od strumieni jonów czy ładunków znajdujących się w środowisku neuronu. przytaczanie tych równań nie jest konieczne, natomiast można z nich wysnuć kilka wniosków generalnych jeśli chodzi o naturę transmisyjną neuronu.
Mechanizm działania pompy jonowo-potasowej
Teorię działania neuronu nazywa się membranową teorią przewodzenia nerwowego albo teorią wolnego potencjału czynnościowego. Między wnętrzem neuronu, a środowiskiem zewnętrznym występuje różnica potencjałów rzędu 70mV (od –35mV do +35mV). Każde zaburzenie potencjału powoduje przenikanie poprzez selektywną błonę komórki jonów potasu i sodu w przeciwnych kierunkach. zaburzony stan równowagi zostaje skorygowany przez pompę jonowo-potasową, która lokalnie przywraca stan sprzed zaburzenia. mechanizm ten powoduje usuwanie atomów sodu na zewnątrz komórki wbrew gradientowi stężeń i gradientowi elektrochemicznemu, a więc z użyciem energii. ważny jest fakt rozchodzenia się lokalnego zaburzenia wzdłuż błony.
Przekazanie wolnego potencjału komórki odbywa się aksonem gdzie w przewężeniach Ranviera znajdują się luki osłonowe pozbawione izolacji elektrycznej. Charakterystyczne jest to, że siła impulsu w postaci zmiany potencjału zmniejsza się wraz z odległością od synapsy. oprócz bodźców pobudzających istnieją też bodźce hamujące neuron. ich mechanizm związany jest z jonami chloru, dla których istnieją specjalne kanały w szczelinach synaptycznych.
Własności transmisyjne neuronu
Neuron wykazuje kilka własności transmisyjnych. Pierwszą z nich jest zasada sumowania czasowo-przestrzennego pobudzeń. W
neuronie powstaje reakcja na sumę bodźców pobudzających lub hamujących. Drugą z nich jest sposób przetwarzania sygnału. sygnał będący zmianą potencjału jest w neuronie presynaptycznym kodowany częstością impulsów, potem jako zaburzenie tzw. wolnego potencjału dociera do synapsy neuronu posynaptycznego. Trzecią ważną własnością neuronu jest istnienie tzw. potencjałów odwrócenia, czyli pewnych krytycznych wielkości potencjału, przy których bodziec pobudzający staje się hamującym, a hamujący pobudzającym. Czwartą własnością jest fakt, że istnieją neurony dwojakiego rodzaju: neurony toniczne, - wrażliwe na bodziec przez cały czas działania oraz neurony fazowe, -wrażliwe tylko na zmiany bodźca. Piątą własnością neuronu jest to, że każda synapsa pod wpływem bodźca generuje charakterystyczny potencjał zwany wagą synaptyczną, który wzmacnia lub osłabia bodziec. Waga synaptyczna jest wolnozmienna w czasie. zjawisko zmiany wag leży u podstaw procesu pamiętania i uczenia się, i zachodzi zgodnie z koncepcjami Konorskiego i Hebba w razie jednoczesnej aktywacji neuronu pre- i postsynaptycznego. Jest przejawem tzw. elastyczności synaps.
Mózg a mechanika kwantowa
Obecnie fizyka jest jedną z najważniejszych dziedzin nauki. istnieje w niej silny prąd unifikacyjny polegający na próbie oparcia opisu całej rzeczywistości na bazie spójnego modelu matematycznego. Z tego poszukiwanego obecnie bardzo intensywnie modelu można byłoby wydedukować wszystko. Nic więc dziwnego, że wybitni fizycy próbują obecnie wypowiedzieć się na temat działania mózgu. Próbują zbudować cos, co nazywają fizyką umysłu. sugerują, że to co do tej pory powiedziała na temat mózgu biochemia, biologia molekularna, konwencjonalna biofizyka czy tym bardziej neurofizjologia to rodzaj zasłony dymnej i nie prowadzi do prawdziwego wyjaśnienia jak działa mózg. Za tą zasłoną są ukryte przed nami prawdziwe zasady i jak sądzą fizycy są one związane z fizykalną teorią przestrzeni i czasu oraz z mechaniką kwantową. I rzeczywiście mechanika kwantowa wykazuje silne związki z teorią informacji i pomiaru, a więc w pewnym sensie z zagadnieniami percepcji. teoretycy fizyki podobnie jak próbują sformułować funkcję falową dla całego wszechświata, tak usiłują też sformułować kwantowo-mechaniczny model umysłu. Mechanika kwantowa ma kilka zaskakujących cech, które przypominają "zjawiska paranormalne" lub "podróże w czasie".
Mózg jako komputer kwantowy
Na początku lat osiemdziesiątych wybitny fizyk Richard Feynman sformułował koncepcję komputera kwantowego. jest to urządzenie przetwarzania danych które wykorzystuje zagadkowe
obecnie własności mechaniki kwantowej takie jak paradoks Einsteina-Podolskiego-Rosena (kwantowa nielokalnosć), możliwość zachodzenia jednoczesnego różnych historii zdarzenia (kwantowy paralelizm) oraz kwantowa komplementarność.
Najciekawszy jest fakt, że wysunięto postulat, iż mózg jest kwantowym komputerem. konkretnie postulat dotyczył pewnej własności styków synaptycznych między neuronami. Wewnątrz synaps
neuronów znajdują się tzw. mikrotubule, - rurki zbudowane z białka zwanego tubuliną. Rurki te kończą się w kolbach synaps. Herbert Frolich, a potem Roger Penrose wysunęli koncepcję, że w mikrotubulach, które z biochemicznego punktu widzenia uczestniczą w transporcie neurotransmiterów zachodzą koherentne procesy kwantowe odizolowane od reszty środowiska za pomocą tzw. filmu wodnego. procesy te miałyby być synchronizowane przez białka zwane klatrynami lub inne. Zdarzenia uświadamiane miałyby się wiązać z kwantową redukcją wektora stanu w mikrotubulach. Oprócz tego kwantowa redukcja stanu miałaby charakter globalny podobnie jak globalny charakter ma to co nazywamy świadomością. Gdyby więc ta koncepcja okazała się słuszna to świadomość miałaby charakter zjawiska kwantowego związanego z paradoksem EPR i kwantową nielokalnoscią.
Mierzenie potencjału elektrycznego mózgu
Potencjał elektryczny mózgu można mierzyć. Słudzy do tego EEG. W badaniach nad elektroencefalografią mają swój udział także Polacy. Adam Beck i prof. Nikodem Cybulski byli pionierami w tej dziedzinie. Niestety jednak brak funduszy na sprzęt pozbawił ich palmy pierwszeństwa.
Aparat do elektroencefalografii jest to zestaw elektrod (obecnie około 128) zakładanych na głowę pacjenta. Sygnały odbierane przez elektrody są wzmacniane i przedstawiane w postaci wykresu zaburzeń
Znaczenie praktyczne EEG
EEG może służyć na przykład do badania snu człowieka. Całonocny zapis EEG jest nie tylko obiektywnym wskaźnikiem jakości snu, ale służyć może również diagnozowaniu jego zaburzeń i badaniom podstawowym. Tradycyjnie sen przedstawiany jest w formie hipnogramu , przedstawiającego podział na stadia snu. Przypisanie odcinka zapisu do określonego stadium odbywa się m. in. w oparciu o takie parametry sygnału, jak amplituda, przewaga określonych częstości czy wreszcie obecność wyróżnionych grafoelementów (struktur), jak np. wrzeciona snu.
Fazy snu i ich „objawy” na EEG
Fale emitowane przez mózg zmieniają się co do częstotliwości i amplitudy w charakterystyczny sposób. W interesującym nas zakresie dotyczącym snu, zapis EEG został dla wygody podzielony przez badaczy na cztery fazy. Mózg osoby znajdującej się w stanie głębokiego relaksu emituje fale alfa (8 - 12 drgań/sek.)
Po zapadnięciu w sen częstotliwość drgań spada. Jest to faza 1, tzw. lekki sen. Charakteryzuje się ona niskonapięciową asynchroniczną, chwilami regularną aktywnością o częstotliwości ok. 4 - 6 drgań/sek.
Faza 2 zaczyna się po upływie stosunkowo krótkiego czasu - od kilku sekund do kilku minut. Na wykresie pojawiają się wrzecionowate fragmenty o częstotliwości 13 - 15 drgań/sek. i pojedyncze piki o dość wysokiej amplitudzie. zwane K - complex. Wraz z pojawieniem się fal delta ( wysokonapięciowa aktywność o częstotliwości
0.5 - 2.5 drgań/sek. ) następuje faza 3.
W fazie 4 fale delta zajmują większą część zapisu EEG. Te cztery fazy obejmują to, co nazywa się snem głębokim lub fazą NREM (z angielskiego : Non Rapid Eye Movement).
W ciągu nocy około czterech, pięciu razy następuje tzw. „wynurzenie" z fazy 2, 3, 4 do stanu podobnego do fazy 1. Osoby budzone w tym czasie w 60 - 90 % oświadczają, że właśnie coś im się śniło. Stan ten różni się od pozostałych faz tak znacznie, że traktuje się go odrębnie od reszty snu i określa jako fazę REM. Jest to skrót od angielskiej nazwy Rapid Eye Movement, co oznacza szybkie ruchy gałek ocznych, które to zjawisko ma miejsce w tej właśnie fazie.
Amplituda obrazu graficznego ruchów gałek ocznych zapisywanego przy pomocy EOG (elektrookulogram) wskazuje czy śniący bierze czynny udział w akcji snu ( wysoka amplituda), czy też jest tylko „obserwatorem" (niska amplituda). Najczęściej śpiący wchodzi w tę fazę 4 - 5 razy w ciągu nocy niezależnie od tego, czy pamięta potem treść snu czy nie. Zajmuje ona nieco ponad 20 % ogólnego czasu snu (u niemowląt
ok. 50 %, z wiekiem czas ten się zmniejsza). W czasie jej trwania występują znaczne nieregularności pulsu, ciśnienia, rytmu pracy serca, wzrasta aktywność autonomicznego układu nerwowego, oddech jest nierówny, obserwuje się skurcze niektórych grup mięśni. Wykres EEG oprócz podobieństwa do fazy 1 NREM, rejestruje fale beta, które są charakterystyczne dla okresu czuwania. Stąd fazę REM nazywa się również snem paradoksalnym. Pierwsze „wynurzenie" pojawia się ok. 70 - 120 min po zaśnięciu.
Magnetyzm w mózgu
Kryształy biogenicznego magnetytu znaleziono we wszystkich tkankach mózgu. Nie zidentyfikowano jeszcze magnetoreceptorów w mózgu człowieka ani ich funkcji. U współczesnych ludzi żyjących w sztucznym środowisku biologiczna rola magnetorecepcji została osłabiona. O orientacji przestrzennej decydują takie zmysły jak wzrok i słuch, ale u ludzi skazanych tylko na własne zmysły (np. polinezyjscy żeglarze), przy braku wizualnych sygnałów (gwiazdy, słońce, księżyc), magnetorecepcja może być zaostrzona i pomagać w orientacji przestrzennej.