Termin “sieci neuronowe” odnosi się do złożonych struktur układu nerwowego, które współpracują ze sobą w celu przetwarzania informacji i wykonywania skomplikowanych czynności. Składają się one z miliardów neuronów połączonych za pomocą synaps i tworzących rozbudowany układ połączeń. Sieci neuronowe w ludzkim układzie nerwowym odpowiadają za przesyłanie sygnałów i umożliwiają skomplikowane operacje przetwarzania informacji. Każda z nich odpowiada za daną funkcję, np. percepcję wzrokową, słuchową czy dotykową. Sieci funkcjonalne konsolidują informacje z wielu mniejszych sieci i integrującą dane w spójny obraz, który w świadomości człowieka jest odbiciem świata zewnętrznego i docierających z niego bodźców.
1. Mechanizm działania
Sieci neuronowe aktywują się w trakcie wykonywania konkretnych zadań. Proces ten rozpoczyna się, gdy pojedyncze neurony mózgu łączą się w zespoły (tzw. obwody neuronowe), które wykonują mniej złożone operacje procesów poznawczych. Aktywacja obwodów umożliwia np. zobaczenie lub usłyszenie bodźca, oszacowanie jego istotności i skierowanie na niego uwagi. Kiedy kilka obwodów neuronowych zostaje aktywowanych w tym samym czasie, dochodzi do ich funkcjonalnego połączenia. Funkcjonalne sieci mózgu powstają w wyniku równoczesnej aktywacji kilku obwodów. Dzieje się to podczas wykonywania różnych zadań, które wymagają zaangażowania uwagi (np. sieć kontroli poznawczej, sieć uwagowa) lub w momencie, gdy umysł jest w stanie spoczynku (sieć domyślna).
2. Funkcje sieci neuronowych
Głównym i podstawowym założeniem wszystkich modeli sieci neuronowych jest równoległe przetwarzanie informacji przez mózg. Biorą one udział w funkcjonowaniu poznawczym i są odpowiedzialne m.in. za percepcję, pamięć, uczenie się, koordynację ruchową i regulację emocji. Przykładem sieci neuronowej o znaczącej roli jest sieć kory mózgowej, która odpowiada za wyższe funkcje poznawcze, takie jak myślenie, rozumienie, planowanie i podejmowanie decyzji. Kora mózgowa składa się z wielu warstw neuronów o złożonej strukturze, umożliwiając przetwarzanie informacji na kilku poziomach i realizację różnorodnych zadań równocześnie.
Sieci neuronowe służą kategoryzacji bodźców. Biorą udział w podejmowaniu decyzji, przywoływaniu wspomnień i nadawaniu tym informacjom tła emocjonalnego. Są także odpowiedzialne za motorykę ciała i działanie narządów zmysłów. Nieprawidłowe działanie sieci neuronowych związane jest z powstawaniem chorób neurologicznych i neurodegeneracyjnych, zaburzeń psychicznych oraz chorób narządu wzroku.
Ważne jest również zrozumienie plastyczności sieci neuronowych w ludzkim mózgu. Plastyczność oznacza zdolność sieci neuronowych do reorganizacji, adaptacji i modyfikacji połączeń synaptycznych w odpowiedzi na doświadczenia, uczenie się i zmieniające się warunki. To umożliwia mózgowi dostosowanie się do nowych sytuacji, nabywanie nowych umiejętności i zapamiętywanie informacji.
3. Funkcjonalne sieci mózgu
Sieci funkcjonalne to zbiór wielu obszarów mózgu, niekoniecznie sąsiadujących ze sobą, które aktywują się w trakcie wykonywania konkretnego zadania. Wyróżnia się kilka podstawowych sieci odpowiadających za najważniejsze funkcje poznawcze. Są to:
- sieć domyślna mózgu – obszar umysłu pozbawiony konkretnego zadania; aktywuje się, gdy mózg nie jest obarczony wysiłkiem, a myśli krążą swobodnie
- sieć uwagowa – odpowiedzialna za świadome kierowanie uwagi na bodźce wewnętrzne i zewnętrzne w celu dokładnego ich przetworzenia
- sieć istotności – odgrywa kluczową rolę w monitorowaniu bodźców napływających ze środowiska
- sieć kontroli poznawczej – kontroluje działanie pozostałych sieci i wymianę informacji pomiędzy nimi, odpowiada za inicjowanie zadań
- sieć sensomotoryczna – umożliwia integrację bodźców sensorycznych i czynności motorycznych
- sieć wzrokowa – odpowiada za percepcję wzrokową
- sieć limbiczna – zaangażowana w przetwarzanie emocji
- sieć słuchowa – odpowiedzialna za przetwarzanie bodźców słuchowych
- sieć móżdżka – odpowiedzialna za koordynację czynności motorycznych oraz procesy uczenia się
- sieć mowy – odpowiedzialna za komunikację werbalną
- sieć wyobraźni – determinuje zdolność do przywoływania i tworzenia wyobrażeń w myślach
Nazewnictwo dużych sieci neuronalnych ma dwojakie pochodzenie – część z nich ma źródło w konstruktach psychologicznych (np. sieć istotności), reszta zaś wywodzi się od rozumienia budowy i funkcji mózgu (np. sieć mowy). Inne zaś pochodzą zarówno od konstruktów psychologicznych, jak i anatomicznych. Wyodrębnienie sieci funkcjonalnych znajduje zastosowanie np. w badaniach dotyczących cech osobowości czy inteligencji. Aktywność sieci i stopień ich wzajemnego skomunikowania sprzyja rozwojowi poznawczemu i adaptowaniu się do nowych zadań.
Techniki neuroobrazowania pozwalają także na analizę zmian w aktywności sieci w stosunku do starzenia się mózgu i patologii w strukturze psychicznej. Wraz z wiekiem powiązanie pomiędzy różnymi sieciami funkcjonalnymi zmniejsza się. Towarzyszą temu zmiany neurodegeneracyjne. Zmniejszona selektywność obszarów funkcjonalnych w starzejącym się mózgu może wiązać się z mechanizmami kompensacyjnymi, które pozwalają na zachowanie ważnych funkcji poznawczych mimo kumulujących się uszkodzeń.
Wzorce sieci funkcjonalnych ujawniają również zmiany związane z zaburzeniami psychicznymi. Analiza właściwości sieci pozwoliła na zdobycie nowych informacji o powstawaniu schizofrenii, choroby Alzheimera, ADHD, autyzmu, zaburzeń afektywnych i chorób neuroruchowych. Patologie dotykają najczęściej sieci centralnych o największej liczbie połączeń. Efekt ten jest najbardziej widoczny w chorobie Alzheimera i schizofrenii. Poznanie sieci funkcjonalnych i możliwość ich wyodrębnienia ma więc potencjalnie duże znaczenie w diagnozach klinicznych.