Pierwsze medialne doniesienia dotyczące artykułu opublikowanego niedawno przez prestiżowe amerykańskie czasopismo naukowe „PNAS” („Proceedings of the National Academy of Sciences”) brzmiały tak sensacyjnie, że aż niewiarygodnie. Oto grupa szwedzkich naukowców, kierowana przez Andersa Eklunda z Uniwersytetu Linköping, miała udowodnić, iż wyniki dziesiątek tysięcy publikacji naukowych z ostatnich 15 lat powstałych dzięki użyciu skanerów mózgu fMRI (to skrót od functional Magnetic Resonance Imaging, czyli funkcjonalnego obrazowania rezonansem magnetycznym) można wyrzucić do kosza. Zawierają bowiem bardzo poważne błędy. To zaś oznaczało trudne do oszacowania konsekwencje dla wielu obszarów neuronauki, czyli szeroko rozumianych badań nad działaniem najważniejszego organu człowieka.
Co w głowie, a co na ekranie
Czym jest fMRI? Metoda ta zaczęła być powszechnie stosowana przez naukowców w latach 90. XX w., a swoją popularność zyskała dzięki możliwości bezinwazyjnego zaglądania do mózgu człowieka i przypatrywania się jego aktywności w trakcie np. rozwiązywania jakichś problemów czy oglądania zdjęć ukazujących przemoc.
Tym, co owe urządzenia bezpośrednio mierzą, nie jest jednak aktywność elektryczna komórek nerwowych, tylko sygnał zależny od poziomu nasycenia tlenem krwi (w skrócie BOLD, od blood-oxygen-level-dependent). Pomiar taki jest możliwy, gdyż utlenowana krew reaguje na silne pole magnetyczne wytwarzane przez potężne magnesy skanera.
Zasada działania jest tu stosunkowo prosta: obszary mózgu, które zaangażowane są w wykonywanie jakichś zadań, pracują intensywniej i z tego powodu zgłaszają zapotrzebowanie na więcej „paliwa”, czyli właśnie tlenu. Dlatego transportowane są do nich większe ilości tego pierwiastka niż do innych, mniej zaangażowanych obszarów mózgu. Naukowcy zakładają więc, że mapa „konsumpcji” tlenu przez komórki nerwowe pokrywa się z mapą szczególnie aktywnych struktur mózgowych. Na tej podstawie otrzymywane są zdjęcia mózgu z naniesionymi charakterystycznymi kolorowymi plamami wskazującymi bardziej aktywne obszary. Warto jednak podkreślić, iż są one w pewnym sensie sztuczne, gdyż powstają dzięki skomplikowanym procesom obliczeniowym, angażującym wyrafinowane metody statystyczne.
Oprócz nieinwazyjności metody fMRI dodatkowy powód jej popularności wśród badaczy jest dość prozaiczny – spadek kosztów urządzeń, a dzięki temu łatwość dostępu do aparatury. W Polsce godzinna sesja kosztuje dziś od kilkuset złotych, a wystarczy mieć badania przeprowadzone już na kilkunastu osobach, by opublikować je w przyzwoitym czasopiśmie naukowym.
Wracając do szwedzkiej publikacji. Anders Eklund już od 2012 r. publikował prace wskazujące, że oprogramowanie używane do analizowania danych z neuroobrazowania może generować poważne błędy – tzn. wskazywać na zwiększoną aktywność skupisk neuronów, podczas gdy struktury te wcale nie pracują na „wyższych obrotach”. Nowość w tegorocznym artykule szwedzkich naukowców stanowi podsumowanie dotychczasowych badań. Wynika z niego, że istnieje 70 proc. szans, iż komputerowe analizy danych pochodzących ze skanerów mózgu zawierają przynajmniej jeden błąd, ale zależy to od zastosowanego oprogramowania oraz warunków badania.
Druga nowość to wykrycie przez Szwedów kolejnego błędu, jednak tylko w jednym z trzech popularnych programów komputerowych. Skutki tych odkryć łagodzi na szczęście fakt, iż wyniki wielu badań opracowane zostały przy użyciu dwóch pozostałych programów.
Problem jednak istnieje i to nie tylko z oprogramowaniem. W 2012 r. Edward Vul oraz Harold Pashler z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego wskazali bowiem na jeszcze inny kłopot z wynikami neuroobrazowania. Otóż podczas każdego eksperymentu powinno się sprawdzić, czy obszary mózgu wyglądające na szczególnie aktywne, np. w trakcie wykonywania jakiegoś zadania, nie „zapalają się” również w sytuacjach zupełnie losowych. Dlatego należy korzystać z dwóch zbiorów danych, które odejmuje się od siebie (stąd mówi się o technice odejmowania). Amerykańscy naukowcy „przyłapali” jednak wielu uczonych – analizując ich publikacje – na opieraniu wyników tylko na jednym zbiorze danych i jak łatwo się domyślić tym „nielosowym”.
W tym samym 2012 r. kilku innych amerykańskich naukowców otrzymało nagrodę Ig Nobla (potocznie nazywaną „antynoblem”) za eksperyment, który na pierwszy rzut oka może śmieszyć, ale de facto okazuje się jak najbardziej poważny. Otóż uczeni kupili w sklepie spożywczym martwego atlantyckiego łososia, umieścili w skanerze fMRI i prezentowali mu fotografie ludzi w różnych sytuacjach społecznych. Okazało się, że niektóre rejony martwego mózgu ryby czasami wykazywały aktywność. Jak to możliwe? Naukowcy chcieli w ten sposób dobitnie pokazać trudności związane z fMRI. W bardzo dużym skrócie wynikają one z faktu, że komputerowa statystyczna obróbka dużej liczby danych (w tym wypadku małych fragmentów – tzw. wokseli – na które komputer dzieli trójwymiarowy obraz mózgu) może przynieść fałszywe wyniki w postaci wskazań aktywności grup neuronów.
Do powyższych problemów naukowcy, traktujący z rezerwą wyniki uzyskiwane za pomocą fMRI, dodają całą listę wątpliwości. Na przykład: czy same warunki przeprowadzania badań nie zafałszowują rezultatów, gdyż ludzie muszą leżeć nieruchomo w ciasnym skanerze, na dodatek pracującym bardzo głośno. Po drugie, nie wiadomo, do jakiego stopnia mózg człowieka ma modularną budowę, czyli czy konkretne jego obszary odpowiadają za specyficzne funkcje umysłowe, np. rozumowanie logiczne lub rozpoznawanie twarzy. Część naukowców sądzi, że raczej nie, tzn. owe funkcje rzadko umiejscowione są w konkretnym rejonie mózgu, a jeśli już moduły są wykrywane (np. odpowiedzialne za wzrok czy ruch), to ich działanie nawzajem się przenika.
Ponadto mózg cały czas się zmienia, tworząc nowe połączenia, np. podczas zapamiętywania informacji czy uczenia się nowych umiejętności. Plastyczność mózgu przejawia się także w tym, że zdrowe obszary mogą przejmować zadania uszkodzonych struktur. Dzięki temu rehabilitacja osób po udarach ma szanse powodzenia (oczywiście do pewnego stopnia, bo plastyczność mózgu jest ograniczona). W kontekście badań fMRI wskazuje się również na fakt, że aktywność neuronalna – mierzona elektrodą wprowadzaną bezpośrednio do tkanki mózgowej – nie zawsze koreluje ze zwiększonym zapotrzebowaniem na tlen (badania takie przeprowadzono na małpach).
No i jeszcze zarzut z metodologii nauki: to, że coś się w mózgu „zapala” mniej więcej w trakcie wykonywania jakiegoś zadania, jest wyłącznie stwierdzeniem korelacji, czyli współwystępowania w czasie, a nie dowodem na istnienie związku przyczynowo-skutkowego, czyli że np. dany fragment mózgu odpowiada za daną funkcję umysłową.
Zamach na wolną wolę
Czy to znaczy, że metoda fMRI i badania prowadzone z jej użyciem są ślepą uliczką, w którą zabrnęła neuronauka? Nie. Upowszechnienie neuroobrazowania w latach 90. ubiegłego wieku przyczyniło się do poszerzenia wiedzy o ludzkim mózgu w kilku aspektach. Po pierwsze, dzięki fMRI możliwe stało się testowanie w odniesieniu do ludzi teorii, które w neurobiologii obecne były od dawna, ale opracowane zostały dzięki eksperymentom na zwierzętach. W szczególności możliwe okazało się badanie strukturalnych oraz funkcjonalnych zmian, jakie zachodzą w ludzkim mózgu dzięki uczeniu się i nabywaniu nowych umiejętności.
Po drugie, choć dzięki eksperymentom nad uszkodzeniami mózgu człowieka zidentyfikowano wcześniej szereg obszarów funkcjonalnych – wiadomo np., że ciało migdałowate specjalizuje się w emocji strachu – dzięki technikom neuroobrazowania udało się przeanalizować, jak różne struktury mózgowe komunikują się ze sobą. Naukowcy dowiedzieli się np., jak ciało migdałowate skomunikowane jest ze strukturami korowymi mózgu.
Wreszcie, dzięki fMRI dokonano szeregu szczegółowych odkryć – byłyby one niemożliwe bez tej metody – które rzuciły nowe światło na toczące się od dawna spory. Spektakularnego przykładu dostarcza opublikowany na łamach tygodnika „Science” w 2006 r. przez Adriana Owena i jego zespół artykuł, wskazujący, że nieprzytomni pacjenci w stanie wegetatywnym mogą być świadomi. Badane za pomocą fMRI osoby proszono np. o wyobrażanie sobie, że grają w tenisa. Zarówno u nieprzytomnych pacjentów, jak i u przytomnych osób z grupy kontrolnej wykryto aktywacje tzw. dodatkowego pola ruchowego (SMA). Odkrycie to wzbudziło duże nadzieje na możliwość komunikacji z nieprzytomnymi pacjentami, ale również potwierdziło intuicje teoretyków, którzy od dawna rozróżniali przytomność i świadomość.
Ale, paradoksalnie, te niewątpliwe osiągnięcia spowodowały również kłopoty, gdyż zrodziły nadmierne oczekiwania i sensacyjne interpretacje wyników badań. Mocno przyczyniły się do tego media, chętnie pokazujące zdjęcia mózgu z kolorowymi plamami i przechodzące do łatwych konkluzji: oto naukowcom udało się wykazać, że kiedy np. przeżywamy orgazm, to zapala się nam struktura X, stara ewolucyjnie, a więc „zwierzęca”, i odpowiedzialna za przeżywanie silnych doznań.
Sporo owego sensacyjnego paliwa dostarczali zresztą niektórzy naukowcy. Jak grzyby po deszczu zaczęły bowiem pojawiać się nowe dziedziny wiedzy i dziś liczba projektów naukowych z przedrostkiem „neuro-” w nazwie (a więc sugerujących, że opierają się nie na spekulacjach, tylko twardych dowodach zdobytych dzięki obserwacji działania mózgu na żywo m.in. za pomocą fMRI) może wręcz przyprawić o zawrót głowy. Mamy już bowiem nie tylko neuropsychologię, ale także m.in. neuroestetykę, neuroprawo czy nawet neuroteologię.
Stąd też pytanie, czy ta „neurorewolucja”, która dokonuje się od dwóch dekad, nie przeistacza się trochę w neuromanię, w której zamiast o szczegóły i rzetelność bardziej dba się o sensację przyciągającą uwagę mediów. A niekiedy wręcz zmienia się w „neurościemę”, niebezpiecznie balansującą na granicy naukowego oszustwa. W tym kontekście można wymienić neuromarketing, który m.in. obiecuje firmom dotarcie bezpośrednio do mózgów klientów dzięki podglądaniu ich działania.
Przed czymś takim przestrzega m.in. znany amerykański psycholog i sceptyk Scott Lilienfeld z Emory University, który wraz z psychiatrą Sally Satel opublikował trzy lata temu książkę zatytułowaną „Brainwashed: The Seductive Appeal of Mindless Neuroscience” (w wolnym tłumaczeniu: „Neurościema: Uwodzicielski urok bezmyślnej neuronauki”). Na ponad 250 stronach autorzy m.in. wyjaśniają, na czym polegają ograniczenia technik obrazowania mózgu, szczególnie fMRI. Pokazują również, jak firmy dały się nabić w butelkę neuromarketingu, w jaki sposób prawnicy próbują wykorzystać neuronaukę w trakcie rozpraw. Dokładnie tłumaczą, dlaczego to nie jest jeszcze moment, by obrazy ze skanerów fMRI mogły stanowić dowód na sali sądowej. Odnoszą się także do takich kwestii, jak przedwczesne podważanie przez niektórych badaczy istnienia wolnej woli czy analizowanie problemu dobra i zła wyłącznie w oparciu o neuronaukę.
Przykłady tego, o czym pisze Lilienfeld i Satel, mamy również w Polsce, gdzie niektórzy chcieliby już teraz oprzeć nauczanie w szkołach wprost na wynikach badań mózgu. W 2013 r. ukazała się książka Marzeny Żylińskiej zatytułowana „Neurodydaktyka”, zaś dwa lata później „Neuroedukacja” będąca pracą zbiorową pod redakcją Wiesława Sikorskiego z Uniwersytetu Opolskiego.
Mity neurodydaktyki
Choć pierwsza z książek jest wartościową pracą naukową, autorka dużą jej część poświęca roli tzw. neuronów lustrzanych w edukacji – komórek, które aktywują się zarówno w trakcie naszego własnego działania, jak i obserwacji analogicznej czynności wykonywanej przez inną osobę. Ostatnimi laty powstało wiele hipotez wiążących te komórki m.in. ze zdolnością do rozumienia działań i języka czy empatią. Jak jednak pokazuje książka „The Myth of the Mirror Neurons” („Mit neuronów lustrzanych”) autorstwa Gregory’ego Hickoka z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine, hipotezy te posiadają słabe ugruntowanie empiryczne. A co za tym idzie, na włączanie wyników badań nad neuronami lustrzanymi do teorii dydaktyki jest zdecydowanie zbyt wcześnie.
Znacznie większe wątpliwości budzi „Neuroedukacja”. W pracy tej nierzadko tezy z teorii edukacji łączone są – dość przypadkowo – z popularnonaukowymi wyobrażeniami na temat neuronauki i działania mózgu. Nie ma natomiast zbyt wielu odniesień do oryginalnych prac z zakresu neuronauki, za to można znaleźć wiele nonsensów i fałszywych informacji. Ograniczając się tylko do wspomnianych neuronów lustrzanych, w „Neuroedukacji” przeczytamy, że „najistotniejszy rozwój neuronów lustrzanych przypada na okres średniego i późnego dzieciństwa, dlatego też od najmłodszych lat należy dostarczać dzieciom odpowiednią ilość bodźców, które umożliwią rozwój właściwych wzorów zachowań i relacji poprzez wchodzenie w różne role”. Niezastosowanie się do tej rady – zdaniem autorki rozdziału – „(…) zatrzymuje rozwój komórek lustrzanych (…)”. Teza ta nie znajduje potwierdzenia w żadnych badaniach naukowych (w istocie neuronaukowcy spierają się o to, czy neurony lustrzane są obecne w mózgu od urodzenia, czy też kształtują się w pierwszych miesiącach życia jako efekt asocjacji percepcji i działania).
Co gorsza, „Neuroedukacja” pełna jest praktycznych rad dla nauczycieli. Czytelnik może spotkać się z mitem, że uczniowie dzielą się na wzrokowców, słuchowców i kinestetyków, a najlepsze efekty nauczyciel odniesie, dostosowując metody dydaktyczne do indywidualnych stylów uczenia się dzieci. Pomijając kontrowersje metodologiczne związane ze sposobem diagnozy, do jakiej grupy należy dany uczeń, opublikowane w 2006 r. badania jasno wskazują, że deklarowane przez ucznia preferencje nie są odzwierciedlane w rezultatach uczenia się. Nie jest więc tak, że osoby określające się np. jako wzrokowcy radzą sobie lepiej z przyswajaniem materiału wzrokowego niż słuchowego. Powielanie takich mitów prowadzić może do negatywnych konsekwencji praktycznych w szkole.
Postępy czynione przez neuronaukowców są bez wątpienia ogromne, niemniej dane z zakresu neuronauki powinny być interpretowane i odnoszone do innych dziedzin wiedzy bardzo ostrożnie. I warto w tym kontekście pamiętać, że mózg zaczął odsłaniać przed nami swoje tajemnice całkiem niedawno. Postęp wiedzy jest niezwykle szybki, jednak ta niespełna półtorakilogramowa maszyneria okazuje się wyjątkowo wyrafinowanym tworem ewolucji.
***
Dr Mateusz Hohol jest kognitywistą, adiunktem w IFiS i członkiem Centrum Kopernika Badań Interdyscyplinarnych.