Što je svijest? Stoljećima su filozofi, znanstvenici i pisci razmišljali o tom pitanju. Pojam pa čak i samu riječ teško je definirati i zbog toga je jedan od najtežih predmeta za znanstveno proučavanje.

Jedno od najčešćih tumačenja svijesti je svjesnost ili budnost, ali čak je i to usko isprepleteno s drugim aspektima svijesti kao što je samosvijest. Dok metafizički odgovor ostaje nedostižan, grupa psihologa iz Francuske zauzela je nešto drugačiji pristup - je li moguće izmjeriti svijest bez potpunog razumijevanja?

Potječući sa Sveučilišta prikladno nazvanog Paris Descartes, istraživači su koristili koncept entropije kako bi istražili spektar od nesvijesti do svijesti. Da biste razumjeli što to znači, prvo morate razumjeti dvije stvari - složenost ljudskog mozga i moć statističke mehanike.

"Najsloženiji objekt u svemiru"

Ljudski mozak je nevjerojatno složen, i to ne samo zbog svoje fizičke složenosti, već i zbog promjenjivih načina kombiniranja neuronskih sinapsi. Zamislite špil od 52 igraće karte - postoji više načina da ih rasporedite nego što je umnožak 10 pomnožen sam sa sobom 67 puta. Kada bi svaka pojedinačna osoba na zemlji promiješala špil svake sekunde bez ponavljanja iste kombinacije, bilo bi potrebno više od 300 bilijuna bilijuna bilijuna bilijuna trilijuna godina da prođe kroz sve moguće aranžmane.

Sada umjesto 52 karte u špilu, prosječni ljudski mozak ima otprilike 86 milijardi neurona, od kojih svaki ima oko 7000 sinaptičkih veza s drugim neuronom. Dakle, umjesto 52 karte, imamo stotine trilijuna neuralnih sinapsi koje se mogu miješati i koje čine "špil" našeg mozga.

Matematički gledano, broj mogućih kombinacija je veći od 10, nakon čega slijedi 5 trilijuna nula. Za usporedbu, broj atoma u cijelom poznatom svemiru je 10 pomnožen sam sa sobom 80 puta.

Gotovo je nemoguće ispitati sve ove kombinacije jednu po jednu - mora postojati način za izdvajanje značajnih parametara iz ovog nevjerojatno složenog sustava. Srećom, statistički fizičari i matematičari dugo su se bavili iznimno složenim sustavima, poput difuzije čestica plina ili propagacije elektrona. Studij statističke mehanike specijaliziran je za kvantificiranje složenih sustava koristeći dobro definirane parametre.

Ljudski mozak naspram računala

"Jedan od ključnih nalaza u posljednjem desetljeću ili tako nešto, iz mog proučavanja informacijskih sustava, jest da oni teže stanjima koje maksimiziraju njihovu buduću slobodu djelovanja", rekao je Alexander Wissner-Gross, fizičar i informatičar povezan sa Sveučilištem Harvard i MIT, oba u Cambridgeu, Massachusetts.

Računalo slabije reagira kada je u stanju mirovanja ili ima maksimalne resurse, a više reagira tijekom umjerene upotrebe. Iako je to intuitivno i lako se može dokazati za računalo - kako se ovo može usporediti s ljudskim mozgom? Uostalom, ne postoji program "Task Manager" za ljudski mozak.

"Prirodno je postaviti pitanje kako bi trebao izgledati ljudski mozak ako također pokušava učiniti istu stvar", dodao je Wissner-Gross.

Trenutno, istraživači koji gledaju na svijest obično koriste "pristup crne kutije, u smislu da imate neki signal iz mozga, a zatim pokušavate pogoditi koliko je subjekt svjestan", objasnio je Ramon Erra, glavni autor istraživačkog rada napisan od strane Descartes grupe i objavljen u časopisu Physical Review E. "Ovdje umjesto toga imamo način da interpretiramo te signale na temelju nečega što razumijemo, a to je informacijska entropija."

Za razliku od fizičke entropije, koja opisuje poremećaj fizičkog sustava, kao što je način na koji se kap tinte raspršuje u bazenu vode, koncept entropije se također može koristiti kao matematički model za opisivanje poremećaja informacijskog sustava.

To se možda najbolje objašnjava dijagramom. Pogledajmo krajnje pojednostavljenu verziju ljudskog mozga - jednu sa samo 4 stanice, predstavljene narančastim točkama, svaka s 3 moguće veze, predstavljene plavim linijama.

Kao što je prikazano na dijagramu, postoji samo 1 mogući način da imate 0 veza, a također samo 1 mogući način da imate 6 veza. Ali za srednje stanje, kao što je s 3 veze, sustav je mnogo fleksibilniji, ili jezikom statističke mehanike, sadrži više entropije.

Kao što je ranije spomenuto, budući da je ljudski mozak nevjerojatno složen, nemoguće je proučavati sve te veze jednu po jednu. Međutim, korištenjem statističke mehanike za svođenje detalja na jednu metriku - količinu entropije u mozgu - znanstvenici mogu početi otkrivati složene mehanizme ljudskog mozga.

Erranova grupa tvrdila je da je prva dobila kliničke podatke koji podržavaju hipotezu da su entropija i svijest usko povezane. Praćenjem moždane aktivnosti zdravih osoba, kao i osoba s epilepsijom, Erranova grupa je bilježila moždanu aktivnost pojedinaca dok spavaju, budni, kao i tijekom epizoda epileptičkog napadaja.

Kao što se i očekivalo, postoji minimalna aktivnost tijekom sna bez snova, srednja aktivnost tijekom svjesnog stanja i obilna aktivnost tijekom napadaja. Iako je većina toga već bila poznata, njihov je proboj bila sposobnost tumačenja ovih signala.

Kao što se vidi iz gornjeg dijagrama, minimalne i maksimalne aktivnosti tijekom stanja spavanja i napadaja sadrže mnogo nižu entropiju od međuaktivnosti tijekom svjesnog stanja.

Koristeći koncept entropije, istraživači su mogli pružiti kontekst i relativno dobro definiranu metriku za mjerenje svijesti.

"U kliničkom okruženju želite imati uređaj koji vam može reći je li osoba pri svijesti ili ne. Ovo je velika stvar jer trenutno nije tako lako reći koliko je pacijent zapravo pri svijesti - kao što je koliko boli osjećaju tijekom operacija", rekao je Erra. "Postoje i druga praktična pitanja, kao što je kako napraviti uređaj koji može pratiti komu i napadaje."

Sposobnost mjerenja i definiranja svijesti nije samo znanstvena zanimljivost, već i ona s golemim praktičnim implikacijama, kao što je razlučivanje je li osoba zapravo pri svijesti dok njezin izgled ukazuje na komu ili čak osjeća bol u anesteziji. Stalni je izazov razumjeti budnost i svijest. Korištene su i druge metode za praćenje svjesnosti, ali koncept primjene teorije entropije za razumijevanje ljudskog mozga relativno je nov. Znanstvenici su od tada koristili koncept za proučavanje mnogih neuroloških stanja, od ADHD-a do starenja ljudskog mozga.

Znanstvenici i liječnici već koriste mnoge metode za praćenje moždane aktivnosti pacijenta. Među kojima je najpopularnija elektroencefalografija, poznatija kao EEG, gdje pacijent nosi kapu s nekoliko desetaka elektroda koje koriste vodljivi gel da pokupe sićušne električne signale koje emitira mozak.

Ako se veza između svijesti i entropije pokaže čvrstom, implementacija metode bit će relativno jeftina, jer će uglavnom ovisiti o softveru umjesto o skupom novom hardveru.

Ljudski mozak je nevjerojatno složen, ali s ovim novim otkrićem, znanstvenici bi mogli započeti s razumjevanjem prirode svijesti.