ΓIANNHΣ KONTOΓIANNHΣ «Έτσι θα διαβάσουμε τον εγκέφαλό μας»
Ενημερώσου πρώτα από ΤΑ ΝΕΑ
5 λεπτά  |
 |
|
Τα τελευταία δύο χρόνια, ο Έλληνας καθηγητής Γιάννης Κοντογιάννης |
«Οι δύο βασικοί τομείς στους οποίους στηρίζεται η ερευνητική μου προσπάθεια»,
λέει στα «NEA» ο Γιάννης Κοντογιάννης, καθηγητής Πληροφορικής του
Πανεπιστημίου Brown των ΗΠΑ και αναπληρωτής στο Οικονομικό Πανεπιστήμιο
Αθηνών, «είναι η θεωρία των πιθανοτήτων στα Μαθηματικά και η θεωρία της
Πληροφορίας, η οποία αποτελεί τη θεωρητική επιστημονική βάση για τη μελέτης
της πληροφορίας με την ευρεία έννοια. Αποτελέσματα και ιδέες από τις εργασίες
μου σ’ αυτόν τον τομέα έχουν βρει εφαρμογές σε διάφορες περιοχές, όπως: η
στατιστική μελέτη του γονιδιώματος (DNA) διαφόρων οργανισμών, η συμπίεση
εικόνων από διαστημικούς δορυφόρους, η μελέτη του “προφορικού” τρόπου με τον
οποίο επικοινωνούν μεταξύ τους οι φάλαινες, καθώς και άλλα θηλαστικά. Τα
τελευταία δύο χρόνια έχω συνεργαστεί με συναδέλφους βιολόγους από το Τμήμα
Νευροεπιστήμης του Brown στα πλαίσια ενός προγράμματος για τη μελέτη της
λειτουργίας του εγκεφάλου. Συγκεκριμένα, έχουμε αναπτύξει μία σειρά μεθόδων
που επιτρέπουν την ακριβή μέτρηση και την ποσοτικοποίηση της πληροφορίας η
οποία μεταφέρεται μεταξύ δύο κυττάρων στον εγκέφαλο ενός πιθήκου, ενώ αυτός
εκτελεί κάποιες συγκεκριμένες διανοητικές λειτουργίες.
Από τον πρώτο καιρό που ήμουν στο Πανεπιστήμιο Brown είχαμε συνεργασίες
με συναδέλφους μαθηματικούς, με σκοπό τη δυνατότητα μέτρησης του ακριβούς
ποσού της πληροφορίας που μεταφέρεται μεταξύ δύο κυττάρων του εγκεφάλου. Είχαν
πλήθος από πειραματικά δεδομένα, τα οποία είχαν συλλέξει από τους εγκεφάλους
ζωντανών πιθήκων, αλλά δεν ήξεραν ποιος ήταν ο καταλληλότερος τρόπος (ή και αν
ακόμα υπήρχε) για να ποσοτικοποιήσουν την πληροφορία που έστελνε το ένα
κύτταρο στο άλλο».
«Θα προσπαθήσω να το εξηγήσω όσο πιο απλά είναι δυνατόν», λέει ο καθηγητής
Κοντογιάννης:
«Αυτό το πρόβλημα εμπίπτει στη θεωρία της πληροφορίας, έναν από τους
δύο τομείς – ο άλλος είναι η θεωρία των πιθανοτήτων – με τους οποίους είχα
ασχοληθεί εκτενώς στο παρελθόν και γι’ αυτόν τον λόγο στράφηκαν σ’ εμένα. H
θεωρία της πληροφορίας επιτρέπει την ακριβή μέτρηση και περιγραφή του ποσού
πληροφορίας που περιέχεται σε ένα οποιοδήποτε σήμα – είτε αυτό εκπέμπεται σε
ηλεκτρομαγνητικά κύματα, όπως της τηλεόρασης, είτε είναι γραπτός λόγος είτε
οτιδήποτε άλλο. H βασική μονάδα μέτρησης της πληροφορίας είναι το bit και η
θεμελιώδης έννοια που την περιγράφει είναι η “εντροπία”. Τα χρόνια από το 1996
μέχρι το 2000 είχα δημοσιεύσει τρεις εργασίες στις οποίες ανέπτυσσα μια σειρά
μεθόδων για την πειραματική μέτρηση της πληροφορίας (ή, όπως λέμε στα
Μαθηματικά, την “εκτίμηση της εντροπίας” σε διάφορα σήματα, ακόμα και αν το
νόημα ή το περιεχόμενο των σημάτων αυτών δεν είναι εκ των προτέρων γνωστό)».
«Με αφετηρία την παλαιότερη δουλειά μου», αναφέρει ο Γιάννης Κοντογιάννης,
«και έπειτα από περίπου δύο χρόνια στενής συνεργασίας με βιολόγους και άλλους
νευροεπιστήμονες – κι αφού εκείνοι αναγκάστηκαν να μάθουν πολλά Μαθηματικά κι
εγώ πολλή Βιολογία -, γράψαμε μια σειρά από εργασίες στις οποίες προτείναμε
κάποιες μεθόδους ειδικά σχεδιασμένες για τη μέτρηση της πληροφορίας σε σήματα
που προκύπτουν από το νευρικό σύστημα όπως τα δεδομένα που είχαν καταγραφεί
στο Brown από τους εγκεφάλους πιθήκων.
Αναλύσαμε τη συμπεριφορά αυτών των μεθόδων με μαθηματικό τρόπο και τις
εφαρμόσαμε με μεγάλη επιτυχία σε πολλών ειδών πειραματικά δεδομένα. Ενδεικτικά
αναφέρουμε ότι, κατά μέσο όρο, ένας νευρώνας στο μέρος του εγκεφάλου ενός
πιθήκου που ελέγχει την κίνηση των άκρων παράγει ένα ποσό πληροφορίας μεταξύ
10 και 100 bits το δευτερόλεπτο. Αυτό το νούμερο δεν είναι και τόσο
εντυπωσιακό αν θυμηθούμε ότι ένα απλό τηλεφωνικό modem της τρέχουσας
τεχνολογίας μεταφέρει περίπου 50.000 bits το δευτερόλεπτο, αλλά από την άλλη
μεριά στον ανθρώπινο εγκέφαλο υπάρχουν περίπου 1.000 τρισεκατομμύρια τέτοια modem!».
Πληροφορίες και «παράσιτα»
«Ο εγκέφαλος των περισσοτέρων θηλαστικών είναι ένα εξαιρετικά πολύπλοκο δίκτυο
αλληλοσυνδεδεμένων εγκεφαλικών κυττάρων που ονομάζονται νευρώνες – ο
ανθρώπινος εγκέφαλος, για παράδειγμα, αποτελείται από περίπου 100
δισεκατομμύρια νευρώνες. Μία από τις ιδιομορφίες του εγκεφάλου είναι το ότι
όλα τα στοιχεία που τον συνθέτουν, όλοι δηλαδή οι νευρώνες λειτουργούν με τον
ίδιο ακριβώς τρόπο και συνεπώς η καταπληκτικά σύνθετη λειτουργία του προκύπτει
από τον τρόπο με τον οποίο οι νευρώνες είναι συνδεδεμένοι μεταξύ τους.
Υπολογίζεται (αν και παραμένει υπό συζήτηση) ότι κατά μέσο όρο ο καθένας
συνδέεται με περίπου δέκα χιλιάδες άλλους, με τους οποίους επικοινωνεί
στέλνοντας και λαμβάνοντας μια σειρά από ηλεκτρικές εκκενώσεις, τα λεγόμενα
“spike trains”. Στα εργαστήρια του Brown λοιπόν, είχαν τοποθετηθεί στους
εγκεφάλους ζωντανών πιθήκων πλακέτες με εξαιρετικά λεπτά ηλεκτρόδια που
μπορούσαν να καταγράφουν τις εκκενώσεις που παρήγαγαν κάποια μεμονωμένα
κύτταρα, ενώ ο πίθηκος εκτελούσε κάποια συγκεκριμένη νοητική λειτουργία. Για
παράδειγμα, την ώρα που παρακολουθούσε μια ταινία με απλές εναλλασσόμενες
εικόνες, καταγραφόταν η λειτουργία μερικών από τα κύτταρα που βρίσκονταν στο
μέρος του εγκεφάλου που επεξεργάζεται οπτικά σήματα. (Ας σημειωθεί πως μετά
την τοποθέτησή τους αυτά τα ηλεκτρόδια όχι μόνο δεν πονάνε, αλλά ο πίθηκος δεν
τα αισθάνεται καθόλου).
Τα δεδομένα που προκύπτουν από αυτά τα πειράματα είναι τρομερά σημαντικά, αλλά
εκ πρώτης όψεως δεν είναι καθόλου σαφές με ποιο τρόπο θα μπορούσαν να
αναλυθούν και να ερμηνευθούν. Κάποια από τα πιο προφανή αλλά και θεμελιώδη
ερωτήματα που αναδύονται είναι τα εξής: Πόση πληροφορία περιέχεται στις
ηλεκτρικές εκκενώσεις ενός οπτικού νευρώνα όταν ο πίθηκος παρακολουθεί αυτήν
την απλή ταινία; Πώς αυξομειώνεται το ποσό της πληροφορίας ανάλογα με το είδος
της εικόνας; Ποιο ποσοστό αυτής της πληροφορίας είναι χρήσιμο και πόσο είναι
απλώς “παράσιτα”;».
INFO
Το βραβείο Sloan, το οποίο συνοδεύεται από αμοιβή 40.000 δολαρίων, απονέμεται
κάθε χρόνο στους τομείς της Φυσικής, των Υπολογιστών, Εξελικτικής Μοριακής
Βιολογίας, Οικονομικών, Μαθηματικών, Νευροεπιστήμης.
Google news
