Putina istorie
Din noaptea timpurilor omul s-a interesat de creier si de functionarea lui. In Vechiul Egipt, acum cca 5000 de ani, se gasesc deja descrieri de accidente craniene avand consecinte observabile - mers greoi, pierderea vorbirii, paralizie etc. -, care depind de partea creierului atinsa. In Grecia, acum 25 de secole, teoria atomica sustinea ca totul - materia, fiinta si gandirea – este compus din «atomi». Astfel, Democrit a scris ca «creierul este gardianul gandirii si al inteligentei», ca gandirea depinde de o varietate speciala de atomi si ca toate senzatiile sau imaginile provin dintr-o deplasare al acestor atomi (Azi am zice neuroni si impulsuri electrice…). Apoi, Hipocrat (~ 400 a.C.) a descris boli nervoase produse de leziuni cerebrale. In fine, Platon a afirmat ca partea nobila si nemuritoare a sufletului (intelectul) este situata in creier. Dupa aceea, din pacate, marele Aristotel a franat progresul cunostintelor, afirmand ca creierul este compus din «apa si pamant» si ca nu are alt rol decat cel de a «raci» organismul… Dupa el, medicina si filozofia (si mai tarziu religia) s-au dezvoltat separat, deseori in conflict una cu alta in ceeace priveste rolul creierului in general si relatia lui cu gandirea in particular.
Galian (sec. II d.C.) studiaza creierul, nu numai din punct de vedere anatomic ci si din punct de vedere fiziologic. Invatamantul lui domina in intreg Evul Mediu. Viitoarele progrese importante nu au loc decat in epoca Renasterii, atunci cand disecarea cada-vrelor este din nou tolerata. Descartes (1596-1650), om de stiinta si filozof, se revolta contra filozofiei scolastice, dominanta in acea epoca, si preconizeaza atitudinea stinti-fica moderna, bazata pe observatii, experiente si deduceri rationale. Afirma insa duali-tatea materie-spirit in care spiritul, substanta ganditoare, si materia, substanta extinsa, coexista. Astfel, organismul (materia) functioneaza ca un mecanism pe cand spiritul este supus legilor divine. Amandoua se regasesc in creier - mai exact in glanda pineala - unde fiecare o poate influenta pe cealalta.
Dupa Descartes, Willis (~1670) distinge materia cenusie a creierului de cea alba, substanta in care circula “fluidul” care transmite senzatii si care comanda muschii (prin nervi). Gall (~1800), anatomist si medic, compara creierul omului cu cel al animalelor si trage concluzia ca partea superficiala a creierului, numita cortex, este mult mai dezvoltata la om decat la mamifere si mult mai mult decat la celelalte animale verte-brate. Gall pretinde de asemeni ca facultati morale si intelectuale (nu mai putin de 27!) sunt localizate in diverse zone, bine definite, ale creierului. Desi realitatea este mult mai complexa, metoda pe care o preconizeaza permite realizarea de experiente asupra animalelor. Din contra, pentru Flourens (~1840), fiziologist, creierul participa in intre-gime la exprimarea acestor facultati. Din aceasta confruntare au rezultat progrese importante. Broca, in 1861, demonstreaza legatura intre o zona precisa a creierului si o deficienta verbala importanta a unui pacient. In 1909, Brodman imparte cortexul cerebral, la om si la animale, in 52 zone distincte - acceptate si azi - la care asociaza facultati bine definite, ca de exemplu zona 4 corespunde motricitatii. Interesanta este ideea ca in afara zonelor in care se gasesc facultati primare (senzatii si motricitate), exista si zone “asociative” unde ar fi localizate facultati mai nobile si ca aceste zone asociative sunt mult mai importante la om decat la alte animale.
Cunostintele moderne asupra creierului au trebuit sa astepte dezvoltarea aparatelor de observat celulele nervoase (microscopul optic in 1718 si microscopul electronic in 1950); sondele simple si microsondele care masoara activitatea lor electrica; aparatele de prelucrare a imaginii care observa creierul in functiune (tomografia computerizata in anii 1960-80, imagineria magnetica clasica in jurul lui 1970, tomografia pozitronica in 1973, imagineria magnetica functionala in 1990) etc. Cunostintele noastre despre creier sunt deci foarte recente.
Structura creierului
Creierul este un organ cu totul exceptional. In plus de a controla functiunile autonome ale corpului (ritmul cardiac, respiratia si digestia), creierul interpreteaza semnalele exterioare captate de simturi, este centrul emotiilor si al sentimentelor, si controleaza deasemeni activitati cerebrale mai « inalte » ca gandirea, ratiunea, imaginatia etc.). Descrierea capacitatilor acestui organ este un subiect vast din care nu voi alege decat trei aspecte: anatomia creierului, functionarea celulelor nervoase si diferentele intre creierul animalelor si cel al oamenilor.
Elemente de anatomie (Figura 1)
Intregul sistem central nervos este continut in craniu si in coloana vertebrala. In craniu se gaseste encefalul, in coloana ver-tebrala, maduva spinarii. Ence-falul, popular numit creier, este compus din doua emisfere cere-brale - separate in partea supe-riora printr-o fisura adanca dar unite, in partea inferiora, in corpul calos -, din cerebel si din trunchiul cerebral care reuneste « creierul » cu maduva spinarii. Sub trunchiul cerebral se gasesc talamusul - prin care trec marile cai senzoriale - si hipotalamusul care este centrul principalelor pulsiuni (foamea, setea si dorinta sexuala).
In medie, encefalul cantareste 1330 g si ocupa un volum de cca 1600 cm3. Cortexul cerebral masoara cca 3 mm de grosime si cca 2000 cm2 de suprafata cand este intins pe un plan. Ca aspect, cortextul este compus din patru loburi principale: lobul frontal (catre fata), lobul occipital (catre spate), lobul temporal (catre tample) si lobul parietal (partea superiora). Fiecare lob se imparte in zone numite circumvolutiuni. Ca exemplu, lobul parietal contine trei mari circumvolutiuni.
Mesajele primite din exterior si transmise de simturile noastre ajung in zone precise ale creierului. Astfel, imaginile, sunetele si senzatiile tactile ajung, respectiv, in lobul occi-pital, in partea superioara a lobului temporal si in partea anterioara a lobului parietal. Deasemeni, actiunile asupra lumii exterioare se exercita prin muschi care sunt coman-dati dintr-o zona precisa din partea posterioara a lobului frontal. Asa cum am indicat mai sus, zonele creierului direct implicate in perceptia simturilor si zona motrice sunt numite «zone primare». Alaturi de zonele primare se gasesec «zonele secundare» in care are loc «decodajul» informatilor primite in zonele primare. Restul creierului este compus din «zone asociative». Cortexul asociativ este organizatorul mintii.
Elementul constitutiv al creierului este celula nervoasa sau neuronul (Figura 2).
Creierul contine un numar impre-sionant de neuroni, cca 100 de miliarde. Ca toate celelalte celule (vezi articolul «Structura celulei vii», in Tribuna Noastra, no 53), neuronul are componentele obisnuite ale unei celule dar membrana lui are o configuratie particulara, foarte complicata : din corpul celular pleaca nenumarate ramificatii arborescente numite dendrite precum si un ele-ment extrem de lung, numit axon.
Ca dimensiuni, corpul celular are un diametru de cca 10-50 miimi de milimetru, lungimea unei dendrite este de cca 1 mm, pe cand un axon poate atinge 1000 mm. Diametrul unui axon este practic constant pana la extremitate unde axonul se imparte intr-un mare numar de ramificatii care se fixeaza pe dendritele altor celule nervoase sau pe celule musculare.
Zona de contact intre un axon si o dendrita se numeste sinapsa si masoara numai 2 milionimi de cm de latime. In medie, un neuron are 10 000 de sinapse ceea ce inseamna ca in creier pot exista cca 1000 de trilioane (1015) de zone de contact intre neuroni, o cifra fabuloasa (desi omul pierde cu timpul o buna parte din sinapse, vom vedea de ce, ii raman totusi in viata adulta intre 100 si 500 de trilioane de sinapse). Prin aceste sinapse se transmit semnalele electrice care constitue activitatea fizica (si psihica) a creierului.
Fiecare neuron poate fi considerat ca o unitate de tratare de informatii, ca o mica cen-trala telefonica si ca un mic microprocesor, iar axonul ca un fel de cablu telefonic. Sinapsele pot fi comparate cu mici telefoane individuale prin care se transmit infor-matile. Aceste Informatii provin de la dendrite. In functie de aceste informatii, celula trimite – sau nu – «decizia» ei (sub forma de impuls electric asa cum vom vedea mai jos) la neuronii de care este legata prin axonul ei.
Un mare numar de axioni sunt inconjurati de o teaca formata din «mansoane» de 1 mm de lungime fiecare, si compusa dintr-o substanta alba numita mielina care da creierului unul din aspectele sale caracteristice (celalalt este dat de corpul celular, cenusiu). Aceasta structura particulara mareste cu mult conductanta fluxului nervos.
In ceeace priveste nervii, acestia sunt fibre compuse din celule nervoase. Exista doua feluri de fibre: motrice si senzitive. Primele sunt compuse din celule nervoase situate in maduva spinarii si a caror axioane ajung in muschi. Se numesc moto-neuroni. Celelalte, sunt compuse tot din neuroni dar acestia au o forma particulara, in forma de T: din corpul celular pleaca un sigur « brat » care se desface foarte repede in doua prelungiri, axonul ducand la maduva spinarii si o dendrita ducand la periferie (piele, retina, etc.). Astfel, informatiile exterioare ajung de la periferie la creier, via maduva osoasa, pe cand ordinele trimise muschilor parcurg drumul invers.
Functionarea celulelor nervoase
Celule nervoase, asemanatoare la toate fiintele, functioneaza, toate, dupa acelasi principiu, simplu de rezumat dar extrem de complicat de explicat in detaliu: cand o celula este “excitata”, ea produce un impuls electric (Figura 3) care se propaga de-a lungul ei, apoi, de la o celula la alta.
In repaus, exista o diferenta de potential electric de -70 milivolti (-70 mV) intre interiorul si exteriorul celulei (prin definitie, diferenta de potential este luata intre interior si membrana exteriora). Aceasta, de o grosime de cca o miime de milimetru, este patrunsa de un mare numar de «canale» sau «vane» dealungul corpului celular, axonului si dendritelor. Exista doua tipuri de canale: canale pasive, in permanent deschise, si canale active sau electroreceptoare, care se deschid numai cand trece un impuls electric. Vanele pasive nu lasa sa treaca catre membrana decat atomi ionizati pozitiv de potasium (K+) care se gasesc in concentratie mai mare in interiorul neuronului decat in exteriorul lui.
Vanele active sunt de de doua feluri: cele care lasa sa treaca numai ioni pozitivi de potasium (K+) - din interior catre exterior - sau numai ioni pozitivi de sodium (Na+), din exterior catre interior. Cand celula este excitata, se deschid in mod rapid si consecutiv intai vanele Na+ apoi vanele K+, pentru a se inchide imediat, in aceeasi ordine. Dezechilibrul chimic induce un dezechilibru electric care se manifesta sub forma unui impuls de exact 100 mV, pozitiv, independent de neuron. Ceea ce inseamna ca diferenta de potential trece de la -70 mV la + 30 mV pentru a reveni la -70 mV cca 2 milisecunde (2ms) mai tarziu atunci cand vanele se inchid din nou. Acest fenomen se propaga de-alungul neuronului cu o viteza ce poate varia intre 1m/s si 100 m/s, depinzand de tipul de axon. Excesul de Na+ indus de impulsul electric este “pompat” inapoi, din interior catre exterior, pe cand excesul de K+ se echilibreaza prin vanele pasive.
Cand un impuls electric ajunge la extremitatea unui axon, acest impuls «activeaza» cateva saculete minuscule, numite vezicule sinaptice. Acestea libereaza o infima cantitate (cateva mii de molecule) de o substanta chimica numita neuromediator, asa cum ar face un «spray». Neuromediatorii traverseaza sinapsa, patrund membrana celulei din fata - prin niste «vane» numite chimioreceptori situate in membrana si care nu se deschid decat atunci cand sunt expuse la un neuromediator - si «excita» astfel neuronul vecin (Figura 4).
Exista doua feluri de sinapse: excitatoare si inhibitoare. Sinapsele excitatoare (inhibitoare) declanseaza o diferenta de potential pozitiva (negativa) de 1 mV de amplitudine si de 15 ms de durata. Pentru ca un impuls sa poata fi declansat intr-un neuron, acesta trebuie sa fie supus la o diferenta de potential de minimum 40 mV, adica membrana trebuie sa se gaseasca la -30 mV (in loc de -70mV). Ori, membrana este supusa in permanenta la diferente de potential pozitive sau negative provenind de la dendritele celorlalti neuroni. Este deci indispensabil ca cel putin 40 de sinapse excitatoare sa actioneze in acelasi timp membrana. Mai exact, diferenta intre numarul de sinapse excitatoare si inhibitoare care functioneaza concomitent trebuie sa fie de cel putin 40.
Se cunosc azi cel putin o suta de neuromediatori, fiecare mediator neputand intra decat prin chimioreceptorii care-l recunosc in mod specific, ca o cheie in broasca pentru care a fost fabricata. Printre acesti neuromediatori, cei mai raspanditi sunt glutamatul si acidul gamma-aminobutiric. Primul, cand se fixeaza pe chimioreceptorul lui, acesta nu lasa sa treaca decat ioni de sodium pozitivi (Na+) ; el este deci excitator. Al doilea, nu lasa sa treaca decat ioni de clor negativi (Cl-) : el este deci inhibitor.
Daca axonul unui neuron excita un muschi, el o face prin intermediul unei sinapse speciale numita junctiune neuromuschiulara, dar principiul este asemanator. In acest ultim caz, neuromediatorii sunt toti excitatori.
Diferentele intre creierul animalelor si cel al oamenilor
Ca orice alt organ, creierul omului este produsul evolutiei. Comparatiile anatomice intre creierul omului si cel al animalelor arata o perfecta similitudine in ceeace priveste elementele de baza (compozitia si functionarea neuronilor), o mare asemanare in ceeace priveste morfologia creierului (constructia in emisfere, loburi si circumvolutiuni) dar o diferenta sensibila in importanta acestor componente. Astfel, pe masura ce ne ridicam pe scara animalelor vertebrate - pesti, reptile, pasari si mamifere - importanta relativa a encefalului creste si, in encefal, cortexul cerebral se dezvolta in mod spectacular ajungand la om.
Pentru ca comparatile sa aibe un sens pentru animale de masa diferita (soarece, om sau elefant), se masoara masa encefalului relativ la masa organismului in intregime. Daca consideram ca acest raport - numit indice de encefalizare - este egal cu 1 pentru un animal insectivor primitiv (apropiat de soricel), el este egal cu 11,3 pentru cimpanzeu si cu 28,7 pentru om. Mai important insa este indicele de dezvoltare al cortexului cerebral, definit in termeni analogi. Acest indice, egal cu 8-25 pentru maimutele obisnuite, cu 58 pentru cimpanzee si atinge 156 la om. Diferenta este semnificativa. Dar si mai important este numarul relativ de sinapse. Daca numarul de neuroni creste de la un animal la altul in mod aritmetic (1, 2, 3, 4, 5, etc.), numarul de sinapse creste cu o viteza prodigioasa (la inceput 1, 3, 12, 60, 360, 2520 etc.) Acest numar este deci cu mult mai mare la om. In sfarsit, majoritatea acestor sinapse se gasesc in zonele asociative, cele mai «nobile» ale creierului.
Ce se poate deduce din aceste observatii? Ca omul are o mai mare capacitate de a trata informatiile primite din simturi, de a face comparatii intre aceste informatii, de a crea concepte, de a stabili corelatii intre evenimente ce se petrec in acelas timp, de a gasi o cauzalitate intre evenimente succesive si de a le ordona. El poate deci exercita o gandire logica si rationala, aplica aceste cunostiinte la activitati de prima necesitate, folosi fortele naturii pentru a produce energie, metale sau materiale noi, crea forme artistice si a-si pune intrebari filozofice. In plus, omul poate comunica si impartasi sentimentele si ideeile lui cu semenii sai.
In fine, creierul se bucura de plasticitatea sistemului neuronal. Daca omul se naste cu un numar de neuroni bine determinati si cu un numar impresionant de sinapse disponibile
- determinate de genele mostenite - conectiile intre celule se pot intari sau pierde cu timpul. Ca dovada, in Figura 5 se poate observa dez-voltarea dendritelor la un copil de 3, 15 si 24 de luni. O repetitie de experiente senzoriale intareste aceste conectii, pe cand o lipsa de repetitie duce la o atrofiere de conectii. Conse-cintele acestui fenomen au o deosebita importanta in educatie. Cel mai bun exemple este faptul ca orice tanar copil este capabil sa produca fara accent strain toate sunetele limbilor vorbite. Daca aceasta capacitate nu este folosita, el o pierde si nu mai ramane decat cu sunetele limbii pe care o aude sau vorbeste acasa!
O alta consecinta pentru un tanar este invatamantul prin socializare. Obiceiurile, valorile si eventual prejudecatile familiei, apoi cele ale societatii in care s-a format, intaresc conectile nervoase asociate.
Rezumat
Viziunea moderna a creierului este aceea a unui sistem auto-adaptativ, guvernat de legi cibernetice care controleaza si optimizeaza functionarea intregului organism. El functioneaza pe baza informatilor primite din exterior, tratate in interior si organizate intre sutele de miliarde de celule nervoase ce-l compun. Astfel, creierul omului are, intre altele, capacitatea de a se intelege pe el insusi!
________________________________
Material intrebuintat din « Le cerveau » de Émile Godaux, 63 pages, Éditions Milan, 2004 si din Enciclopedia Wikipedia. Ca lectura avansata, propun “L’homme neuronal” de Jean-Pierre Changeux, 379 pagini, Editura Pluriel, 1982.
=============================================================
Legende la figuri : Fig.1: Aspectul creierului; Fig.2 :Primul neuron fotografiat (1865); Fig.3: Impulsul electric; Fig.4: Functionarea unei sinapse; Fig.5 : Dezvoltarea celulelor la om dupa nastere
NOUTATI DIN CER SI DE PE PAMANT
de Wladimir Paskievici
"Pentru tinerii interesati de dinozauri: s-au descoperit resturile unui dinozaur carnivor, mai feroce decat faimosul Tiranosaurus Rex (sau T-rex) popularizat in filmul Jurassic Park al lui Spielberg si mai mare decat Gigantonosaurul, considerat pana acum ca cel mai mare dinozaur carnivor cunoscut. Noul carnivor a fost numit Mapusaurus roseae".
-----------------------------------------------------
Pentru tinerii care se intereseaza de noile tehnologii : tehnologiile nanometrice, adica cele care intrebuinteaza materiale de dimensiuni egale cu o milionime de milimetru (sau 10-9m), sunt promise unui mare viitor in viitorii 10 ani. Dupa un inceput lent, bugetul mondial in R&D finantat de institutii guvernamentale a trecut de la 432 milione de dolari in 1997 la 4.1 miliarde de dolari in 2005, an in care investitiile private au depasit cele publice. In anul 2015 produsele intrebuintand tehnologii nanometrice vor atinge probabil suma de 1 trilion de dolari (109 $). Se prevad faze urmatoarele : nanostructuri pasive (ce schimba proprietatile materialelor cunoscute), nanostructuri active (ce pot ele insasi sa-si modifice proprietatile), sisteme de nanostructuri (circuite si aparate tridimensionale) si retele macromoleculare (cu aplicatii importante in ordinatoare si in medicina).
-----------------------------------------------
Constructorii de automobile se lanseaza cu prudenta in fabricarea de modele zise «hibride» care functioneaza cu benzina si cu electricitate. Interesul acestor vehicule este ca fac economie de benzina si contribue astfel la scaderea nivelului de gaz carbonic in atmosfera, principalul gaz responsabil de incalzirea climatica. Astazi, este compania Toyota - cu modelul sau Prius - care domina celelalte companii pana acum timide in acest domeniu. Dar situatia se va schimba. Un consortiu compus din General Motors, DaimlerChrysler si BMW are intentia sa comercializeze un model, bazat pe alt principiu decat cel utilizat de Toyota. Numit „two-mode system“, vehiculul va avea doua motoare electrice cuplate cu motorul de benzina - in loc de unul singur pentru Prius - si va produce o economie de 25% de benzina fata de un automobil obisnuit echivalent. Noul model va fi disponibil spre sfarsitul anului 2007.
------------------------------------------------------
Vesti ingrijoratoare relativ la finantarea Internetului. Sistemul Internet, care s-a dezvoltat in mod fulgurant in ultimii ani si de care nu ne mai putem lipsi, risca sa-si piarda “neutralitatea” adica un tratament egal pentru toti clientii companiilor care le ofera acces pe retea. Sub pretextul ca companiile ce gereaza infrastructura sistemului (ca de ex. AT&T) trebuie sa investeasca masiv in noi echipamente, atat pentru expansiunea cantitativa a retelii cat si pentru a oferi un serviciu de mai mare calitate - necesar pentru aplicatii mai sofisticate -, aceste companii vor sa taxeze clentii (servers) nu in functie de numarul de biti vehiculati ci in functie de « calitatea serviciul oferit ». Echivalentul in trafic ar fi taxa pentru autostrazi. Subiectul este in mana legislatorilor americani.
-----------------------------------------------------------
De ce curcubeul are forma unui arc de cerc ce atinge pamantul? Curcubeul provine din refractia luminii in picaturile de ploaie. Cum refractia este diferita pentru frecvente diferite, culorile primitive ale luminii - cele 7 culori bine cunoscute - se separa pentru a da coloratura caracteristica a curcubeului. Pe de alta parte, cum picaturile de ploaie sunt sferice, fenomenul este simetric in jurul unui ax imaginar ce uneste soarele de centrul picaturii. Pentru un observator care nu se gaseste pe acest ax, numai o parte din cerc este vizibil. El nu vede decat arcul de cerc situat in jurul punctului «antisolar» adica a punctului diametralmente opus soarelui. Arcul de cerc este deci maximal, de 180 de grade, atunci cand soarele se gaseste la orizont. Curcubeul atinge atunci o inaltime situata la 42o deasupra horizontului.
-----------------------------------------------------------
De ce pamantul necultivat, asa cum se vede bine din avion, are in general o culoare bruna? Pentru ca solul contine mult carbon organic care absoarbe celelalte culori ale spectrului solar. Acest carbon provine din molecule polimere complexe ce rezista la atacurile bacteriilor ce se gasesc in sol.
------------------------------------------------------------
Daca luati o galeata de apa, gauriti galeata la mijloc in partea ei inferioara si lasati apa sa se scurga fara sa miscati galeata, se va crea un vartej, rotund, simetric. Acest fenomen, ce ni se pare cu totul normal si fara interes deosebit, a fost studiat in detaliu si explicat de marele Newton. Dar ce se intampla daca invartiti galeata in acelasi timp? Depinzand de viteza, vartejul ia alte forme geometrice : triunghi, patrat, pentagon, hexagon, etc.! Aceasta curiozitate a fost recent observata de Tomas Bohr, nepotul faimosului fizician Niels Bohr, parintele atomului ce-i poarta numele.
--------------------------------------------------------------
Cate «luni» exista in sistemul solar? Mai precis, cati sateliti au planetele sistemului solar? Intai trebue precizata definitia de satelit : un astru care are un diametru de cel putin 1 km si care orbiteaza in jurul unei planete. Orbitele pot fi «regulate» adica apropiate de planeta, practic circulare si pe planul ecuatorial al planetei sau «nere-gulate», in caz contrar. Pana azi s-au descoperit 153 de sateliti, distribuiti astfel : Pamantul : 1 (regulata, Luna); Martie: 2 (regulate); Jupiter: 63 (8 regulate, 55 neregu-late); Saturn: 47 (21 regulate si 26 neregulate); Uranus: 27 (18 regulate si 9 neregu-late); Neptun: 13 (6 regulate si 7 neregulate). Studiul satelitilor cu orbite neregulate este complex si n-a fost fost abordat in mod sistematic decat in ultimii 5 ani.
