Jumping Neural DNA Key to Brain Plasticity?
By Nicole Branan
In high school biology you probably learned that every one of our body’s cells contains the same genome, or pattern of DNA—but it turns out that this is not true of the brain. Researchers at the Salk Institute for Biological Studies recently found that the DNA sequence in human neurons can vary not only from that of the rest of the body but even from one brain cell to the next.
The reason is “jumping genes,” DNA elements that can copy and reinsert themselves in different places within the genome. These mutations increase the total amount of DNA in each neuron. Geneticist Fred H. Gage and his team at Salk looked at a type of mobile element called LINE-1. Although LINE-1s are present in all cells of the body, they appeared to be active only in developing brain cells, the researchers found.
The jumping genes generate neuronal diversity, which might help the brain adapt, Gage speculates. “Many of the things that we are going to be presented with throughout our lives are unanticipated,” he says. The higher the neuronal variety in the brain, the higher the chances that it contains some cells that are capable of rising to these cognitive challenges.
jueves, 18 de febrero de 2010
sábado, 6 de febrero de 2010
Transducción entre sonido e imagen... (parte 1)
Transducción entre sonido e imagen en procesos de composición
Carlos López Charles
Centro Mexicano para la Música y las Artes Sonoras
Morelos Norte No. 485, C.P. 58000 Col. Centro Morelia, Mich. México.
E-mail: carlos@cmmas.org
1. INTRODUCCIÓN
Las diferencias que existen entre los materiales sonoros y visuales han sido objeto de complejas polémicas sobre las correspondencias entre sus propiedades. Artistas y teóricos de distintos perfiles (como Wagner, Kandinsky, Eisenstein, Schoenberg, McLaren y Chion, entre otros) se han enfocado en esta situación desde diversos ángulos. Sin embargo, las relaciones que se pueden establecer entre sonido e imagen al interior de procesos creativos parecen obedecer a lógicas complejas que han sido difíciles de formalizar.
El concepto de transducción ha sido evocado en investigaciones previas en referencia a una técnica utilizada para establecer circulaciones de información entre elementos de la imagen y el sonido en la composición asistida por computadora (Sedes et al., 2003). Este artículo aborda el concepto de transducción como una herramienta para describir y analizar los mecanismos que permiten crear transferencias de elementos entre los ámbitos sonoro y visual a diferentes niveles de procesos de composición. El objetivo es establecer un marco conceptual en el que sonidos e imágenes puedan ser puestos en interacción a través de la transducción. Varias disciplinas (tales como la composición musical, las artes visuales, la musicología, las ciencias cognitivas, la arte-terapia, entre otras) podrían beneficiarse de la aplicación de este concepto.
2. DEFINICIÓN DE TRANSDUCCIÓN
Jessús G. Maestro (Maestro, 2005) señala que la palabra “transducción” deriva del latín transductio, cuyo significado original es la transmisión (ducere, “llevar”) de algo a través de (trans-) un determinado medio que actúa sobre el objeto, provocando en éste ciertas transformaciones. En este proceso, el transductor es el agente que transmite o lleva (ductor-oris) un objeto que es transformado como consecuencia de entrar en contacto o interactuar con el medio a través (trans) del cual se expresa.
Fig.1 Esquema básico de un proceso de transducción
3. SU USO EN DIFERENTES CONTEXTOS
Los campos en los que el concepto de transducción es utilizado son variados:
a) En física, el término es entendido como la conversión de una cantidad de energía de un tipo (e.g., luminosa, acústica, calorífica, etc.) en energía de otro tipo distinto.
b) En genética, esta palabra describe al mecanismo por medio del cual el DNA (código genético) es transferido de una bacteria a otra por medio de un virus (Nair, 2008). Ésta es una heramienta común utilizada por los biólogos moleculares para transferir un gen foráneo al genoma de una célula anfitriona.
c) En semiótica, la transducción es definida como la transformación de signos de un campo de conocimiento a otro que mantiene una conexión original a su nivel fenomenológico más profundo (Maestro 2005). El concepto fue introducido por L. Dolezel (Dolezel 1986) para referirse a los procesos de transmisión y transformación que las obras literarias atraviezan al ser objeto de actividades tales como la incorporación de un texto (o alguna de sus partes) en otro, cambiar de un género a otro (novela a teatro, cine, etc.), la traducción de un texto a idiomas extranjeros, etc. El concepto de transducción es entendido aquí como la transformación de signos entre un campo de conocimiento y otro que mantiene una conexión original a su nivel fenomenológico más profundo (Maestro 2005).
4. ¿QUÉ OBJETOS PODEMOS TRANSDUCIR ENTRE SONIDOS E IMÁGENES?
Los procesos de transducción pueden ser tan variados como las características de los objetos que pretendemos transferir entre dos diferentes ámbitos. Dentro de un proceso compositivo, lo primero que tendríamos que identificar para poder establecer una relación de transducción sería la naturaleza de estos objetos.
Sabemos, por ejemplo, que la percepción del sonido es posible gracias a las variaciones de presión del aire que viajan desde una fuente de emisión a sus alrededores a una velocidad de aproximadamente 345 m/s. Las imágenes, por otro lado, son producidas por ondas electromagnéticas que viajan a una velocidad de casi 300 millones de m/s. Sin embargo, estos cambios de presión y radiaciones electromagnéticas no son en sí mismos sonidos ni imágenes, sino fenómenos físicos cuyas variaciones son captadas por nuestros órganos sensoriales.
De la misma forma en la que la corriente eléctrica de un cable conectado a una bocina varía proporcionalmente con los sonidos que emanan de ella pero no guardan ninguna otra semejanza con ellos, también nuestras sensaciones varían proporcionalmente (y no necesariamente de manera directa) con aquello que las causa. Esto quiere decir que los sonidos e imágenes que percibimos son construcciones realizadas a partir de las señales sensoriales que llegan a nuestro cerebro y que los estímulos que producen nuestras sensaciones no tienen en sí ni timbre, ni color, ni textura, etc. En resumen, tanto los sonidos como las imágenes que percibimos como sus propiedades son elaboraciones subjetivas de nuestras mentes.
5. PRINCIPIOS COGNITIVOS Y SU RELEVANCIA EN PROCESOS DE TRANSDUCCIÓN
5.1 Integración de señales visuales y auditivas en el cerebro.
Alain Berthoz señala que una psicología de la percepción seria debería renunciar a separar las funciones sensoriales y, en cambio, concentrarse en su naturaleza multimodal (Berthoz 1997). Con respecto a esto, podríamos mencionar que el colículo superior es el lugar principal de convergencia de las señales visuales, auditivas y proprioceptivas (aquellas que tienen que ver con la conciencia del movimiento corporal propio) que llegan al cerebro.
Berthoz describe la manera en la que el cerebro asegura la integración temporal de estas distintas señales en el colículo a través de “ventanas temporales” de gran flexibilidad y simplicidad. Se ha constatado por medio de observaciones electrofisiológicas que un estímulo luminoso provoca una descarga en el cerebro que puede ser mantenida por más de 100 milisegundos, permitiendo al cerebro dar una respuesta integrada a éste y a otras señales sensoriales que pudieran llegar hasta varios milisegundos después.
Si escuchamos, por ejemplo, una puerta que se azota de nuestro lado derecho y volteamos nuestra cabeza para mirar hacia ella, integramos por lo menos tres modalidades sensoriales: visión, audición y movimiento. Estos ajustes entre nuestros sentidos son logrados en el colículo superior. La manera en la que el colículo trabaja nos indica que (1) la percepción de un sonido o una imagen es frecuentemente acompañada por actividad neuronal en otras modalidades sensoriales y (2) que nuestro sentido del movimiento corporal (propriocepción) está íntimamente ligado a la percepción sonora y visual.
5.2 La percepción es un acto de simulación
Schmidt (Schmidt 1975) señala que el cerebro guarda estructuras de movimiento a las que él llama “esquemas motores”. Estos esquemas pueden ser vistos como relaciones memorizadas entre varios componentes de una acción (tal como la posición de los miembros del cuerpo, la posición de un objeto en movimiento, la percepción de un sonido que se mueve en el espacio, etc.) Los esquemas motores actúan como mapas cognitivos con base en los cuales el cerebro puede predecir las consecuencias de las acciones que percibe. Estas predicciones son lograda al comparar las acciones percibidas con esquemas motores invocados a través de la memoria de acciones pasadas. Ésta es una de las razones por las cuales la Teoría Motora de la Percepción señala que la percepción no es pasiva, sino que es una simulación activa de las acciones que percibimos.
Rizzolatti (Rizolatti, G. et al. 1990) descubrió recientemente un tipo de neuronas que verifican la existencia de estos esquemas motores: las neuronas espejo. Las neuronas espejo influyen sobre el sistema motor cuando observamos la acción de otro sujeto (Delannoy, 2008). Este mecanismo no sólo nos permite entender una acción, sino también comprender las intenciones detrás de esa acción. Estas neuronas son la base de la empatía porque nos permiten mimetizarnos con (simular) la condición emocional de un individuo (humano o animal). La comunicación afectiva entre músicos y público, por ejemplo, es posible gracias a los lazos estrechos que existen entre las neuronas espejo y el sistema límbico, que es la parte del cerebro encargada de nuestra actividad emocional.
Carlos López Charles
Centro Mexicano para la Música y las Artes Sonoras
Morelos Norte No. 485, C.P. 58000 Col. Centro Morelia, Mich. México.
E-mail: carlos@cmmas.org
1. INTRODUCCIÓN
Las diferencias que existen entre los materiales sonoros y visuales han sido objeto de complejas polémicas sobre las correspondencias entre sus propiedades. Artistas y teóricos de distintos perfiles (como Wagner, Kandinsky, Eisenstein, Schoenberg, McLaren y Chion, entre otros) se han enfocado en esta situación desde diversos ángulos. Sin embargo, las relaciones que se pueden establecer entre sonido e imagen al interior de procesos creativos parecen obedecer a lógicas complejas que han sido difíciles de formalizar.
El concepto de transducción ha sido evocado en investigaciones previas en referencia a una técnica utilizada para establecer circulaciones de información entre elementos de la imagen y el sonido en la composición asistida por computadora (Sedes et al., 2003). Este artículo aborda el concepto de transducción como una herramienta para describir y analizar los mecanismos que permiten crear transferencias de elementos entre los ámbitos sonoro y visual a diferentes niveles de procesos de composición. El objetivo es establecer un marco conceptual en el que sonidos e imágenes puedan ser puestos en interacción a través de la transducción. Varias disciplinas (tales como la composición musical, las artes visuales, la musicología, las ciencias cognitivas, la arte-terapia, entre otras) podrían beneficiarse de la aplicación de este concepto.
2. DEFINICIÓN DE TRANSDUCCIÓN
Jessús G. Maestro (Maestro, 2005) señala que la palabra “transducción” deriva del latín transductio, cuyo significado original es la transmisión (ducere, “llevar”) de algo a través de (trans-) un determinado medio que actúa sobre el objeto, provocando en éste ciertas transformaciones. En este proceso, el transductor es el agente que transmite o lleva (ductor-oris) un objeto que es transformado como consecuencia de entrar en contacto o interactuar con el medio a través (trans) del cual se expresa.
Fig.1 Esquema básico de un proceso de transducción
3. SU USO EN DIFERENTES CONTEXTOS
Los campos en los que el concepto de transducción es utilizado son variados:
a) En física, el término es entendido como la conversión de una cantidad de energía de un tipo (e.g., luminosa, acústica, calorífica, etc.) en energía de otro tipo distinto.
b) En genética, esta palabra describe al mecanismo por medio del cual el DNA (código genético) es transferido de una bacteria a otra por medio de un virus (Nair, 2008). Ésta es una heramienta común utilizada por los biólogos moleculares para transferir un gen foráneo al genoma de una célula anfitriona.
c) En semiótica, la transducción es definida como la transformación de signos de un campo de conocimiento a otro que mantiene una conexión original a su nivel fenomenológico más profundo (Maestro 2005). El concepto fue introducido por L. Dolezel (Dolezel 1986) para referirse a los procesos de transmisión y transformación que las obras literarias atraviezan al ser objeto de actividades tales como la incorporación de un texto (o alguna de sus partes) en otro, cambiar de un género a otro (novela a teatro, cine, etc.), la traducción de un texto a idiomas extranjeros, etc. El concepto de transducción es entendido aquí como la transformación de signos entre un campo de conocimiento y otro que mantiene una conexión original a su nivel fenomenológico más profundo (Maestro 2005).
4. ¿QUÉ OBJETOS PODEMOS TRANSDUCIR ENTRE SONIDOS E IMÁGENES?
Los procesos de transducción pueden ser tan variados como las características de los objetos que pretendemos transferir entre dos diferentes ámbitos. Dentro de un proceso compositivo, lo primero que tendríamos que identificar para poder establecer una relación de transducción sería la naturaleza de estos objetos.
Sabemos, por ejemplo, que la percepción del sonido es posible gracias a las variaciones de presión del aire que viajan desde una fuente de emisión a sus alrededores a una velocidad de aproximadamente 345 m/s. Las imágenes, por otro lado, son producidas por ondas electromagnéticas que viajan a una velocidad de casi 300 millones de m/s. Sin embargo, estos cambios de presión y radiaciones electromagnéticas no son en sí mismos sonidos ni imágenes, sino fenómenos físicos cuyas variaciones son captadas por nuestros órganos sensoriales.
De la misma forma en la que la corriente eléctrica de un cable conectado a una bocina varía proporcionalmente con los sonidos que emanan de ella pero no guardan ninguna otra semejanza con ellos, también nuestras sensaciones varían proporcionalmente (y no necesariamente de manera directa) con aquello que las causa. Esto quiere decir que los sonidos e imágenes que percibimos son construcciones realizadas a partir de las señales sensoriales que llegan a nuestro cerebro y que los estímulos que producen nuestras sensaciones no tienen en sí ni timbre, ni color, ni textura, etc. En resumen, tanto los sonidos como las imágenes que percibimos como sus propiedades son elaboraciones subjetivas de nuestras mentes.
5. PRINCIPIOS COGNITIVOS Y SU RELEVANCIA EN PROCESOS DE TRANSDUCCIÓN
5.1 Integración de señales visuales y auditivas en el cerebro.
Alain Berthoz señala que una psicología de la percepción seria debería renunciar a separar las funciones sensoriales y, en cambio, concentrarse en su naturaleza multimodal (Berthoz 1997). Con respecto a esto, podríamos mencionar que el colículo superior es el lugar principal de convergencia de las señales visuales, auditivas y proprioceptivas (aquellas que tienen que ver con la conciencia del movimiento corporal propio) que llegan al cerebro.
Berthoz describe la manera en la que el cerebro asegura la integración temporal de estas distintas señales en el colículo a través de “ventanas temporales” de gran flexibilidad y simplicidad. Se ha constatado por medio de observaciones electrofisiológicas que un estímulo luminoso provoca una descarga en el cerebro que puede ser mantenida por más de 100 milisegundos, permitiendo al cerebro dar una respuesta integrada a éste y a otras señales sensoriales que pudieran llegar hasta varios milisegundos después.
Si escuchamos, por ejemplo, una puerta que se azota de nuestro lado derecho y volteamos nuestra cabeza para mirar hacia ella, integramos por lo menos tres modalidades sensoriales: visión, audición y movimiento. Estos ajustes entre nuestros sentidos son logrados en el colículo superior. La manera en la que el colículo trabaja nos indica que (1) la percepción de un sonido o una imagen es frecuentemente acompañada por actividad neuronal en otras modalidades sensoriales y (2) que nuestro sentido del movimiento corporal (propriocepción) está íntimamente ligado a la percepción sonora y visual.
5.2 La percepción es un acto de simulación
Schmidt (Schmidt 1975) señala que el cerebro guarda estructuras de movimiento a las que él llama “esquemas motores”. Estos esquemas pueden ser vistos como relaciones memorizadas entre varios componentes de una acción (tal como la posición de los miembros del cuerpo, la posición de un objeto en movimiento, la percepción de un sonido que se mueve en el espacio, etc.) Los esquemas motores actúan como mapas cognitivos con base en los cuales el cerebro puede predecir las consecuencias de las acciones que percibe. Estas predicciones son lograda al comparar las acciones percibidas con esquemas motores invocados a través de la memoria de acciones pasadas. Ésta es una de las razones por las cuales la Teoría Motora de la Percepción señala que la percepción no es pasiva, sino que es una simulación activa de las acciones que percibimos.
Rizzolatti (Rizolatti, G. et al. 1990) descubrió recientemente un tipo de neuronas que verifican la existencia de estos esquemas motores: las neuronas espejo. Las neuronas espejo influyen sobre el sistema motor cuando observamos la acción de otro sujeto (Delannoy, 2008). Este mecanismo no sólo nos permite entender una acción, sino también comprender las intenciones detrás de esa acción. Estas neuronas son la base de la empatía porque nos permiten mimetizarnos con (simular) la condición emocional de un individuo (humano o animal). La comunicación afectiva entre músicos y público, por ejemplo, es posible gracias a los lazos estrechos que existen entre las neuronas espejo y el sistema límbico, que es la parte del cerebro encargada de nuestra actividad emocional.
Transducción entre sonido e imagen en procesos de creación artística (parte 2)
5.3 Isomorfismo
El concepto de isomorfismo es fundamental para poder profundizar en la idea de transducción. Este término significa literalmente igualdad (iso) de forma (morfos). En matemáticas, un isomorfismo implica una relación de correspondencia de una a uno entre los elementos de dos sistemas numéricos (Levi 1956). Esta definición expresa una igualdad estructural entre dos sistemas distintos. El isomorfismo requerido por la Teoría Gestalt, sin embargo “no es un isomorfismo estructural estricto” (Köhler 1969), sino simplemente un isomorfismo funcional que “da cuenta de las propiedades de los objetos como son percibidos subjetivamente, preservando las transformaciones funcionales observadas en la percepción”. Podríamos rebatir esta definición de isomorfismo funcional ya que todo lo que percibimos es, como hemos explicado, percibido de manera subjetiva. Es por esto que no haremos una distinción entre isomorfismo estructural y funcional.
6. TRANSDUCCIÓN COMO METÁFORA DE LA HERENCIA GENÉTICA
La posibilidad de medir la manera en la que las propiedades de los sonidos e imágenes varían en el tiempo nos permite codificar su conducta de distintas formas: por medio de gráficos, notación musical, código alfanumérico, etc. Representadas como código, las variaciones dinámicas del movimiento de un objeto en un ámbito de origen pueden ser transferidas (mapeadas) a otro ámbito, preservando así una correspondencia estructural entre el objeto original y el transformado.
Este mecanismo evoca la forma en la que la transducción es utilizada en el campo de la genética. En este campo, el DNA (código genético) es transferido de una bacteria a otra por medio de un virus (Nair 2008). La presencia de este tipo de transducción en la creación artística se refleja en el uso de conceptos para describir, analizar u operar sobre propiedades de objetos sonoros o visuales (tales como el movimiento, el crecimiento, la textura, el comportamiento, la densidad, etc.). El uso de estos términos nos muestra cómo los elementos de ambas modalidades pueden ser relacionados “genéticamente” entre ellos.
Podemos encontrar un ejemplo de transducción isomórfica en las relaciones que existen entre la partitura de la obra “Metástasis”, de Iannis Xenakis, y los planos arquitectónicos de su Pabellón Phillips. Ambas obras son isomórficas dado que sus estructuras surgen a partir de un código común: la partitura de “Metástasis”.
Hoy en día, la transducción basada en isomorfismos estructurales es ampliamente utilizada en el arte electrónico a través del uso de varias herramientas (como los programas Jitter, Praat, Spear, Soundhack, etc.) que nos permiten representar diferentes atributos del sonido y la imagen bajo forma de código. Por ejemplo, en mi obra audiovisual “Estudio Elástico, la transducción entre sonido e imagen fue establecida codificando las variaciones dinámicas de algunas propiedades del sonido (tales como nivel de ruido, intensidad y brillo perceptivo) y utilizando el código resultante para controlar la generación de objetos visuales animados por computadora, así como algunas de sus características (velocidad de movimiento, color, trayectoria, etc.). Las relaciones entre las propiedades del sonido y de la imagen fueron ajustadas en función de las necesidades expresivas de cada momento particular de la obra, pero siempre guardando un isomorfismo entre su estructura.
Fig. 2 “Estudio Elástico”: objetos visuales resultantes de la transducción entre sonido e imagen
7. LA TRANSDUCCIÓN COMO METÁFORA DEL CUERPO
El uso del cuerpo en la música electroacústica es un factor fundamental para lograr establecer relaciones isomórficas entre imagen y sonido en la música electroacústica. Podemos encontrar ejemplos de esto en “Le repas du serpent/Rétour a la raison” de Javier Álvarez para cello, sonidos electroacústicos y video. En esta obra, la parte de video muestra una escena en la que una serpiente engulle a un conejo. Durante el transcurso de la pieza, la cellista ejecuta una serie de acciones productoras de sonido (como rotaciones, variaciones de velocidad, de presión del arco, cambios de trayectoria y de tono muscular, etc.) que son coherentes con las estructuras expresadas por el movimiento corporal de la serpiente que aparece en el video.
Fig. 3 Transducción en la obra “Le repas du serpent” de Javier Álvarez
a partir de la ejecución de acciones productoras de sonido.
En la interpretación musical, la simulación juega un papel fundamental para poder lograr establecer relaciones de transducción entre los ámbitos sonoros y visual. Un ejemplo de esto sería la dinámica de comunicación que se establece entre la expresividad visual de un director de orquesta y la expresividad musical de los intérpretes. Durante la interpretación de una obra, los músicos tienen que hacer una predicción constante de los movimientos corporales del director. Esto les permite simular sus intenciones mediante acciones productoras de sonido (transducción de imagen a sonido). De la misma forma, el director de orquesta debe desarrollar un ajuste constante de su imagen corporal dependiendo de los resultados sonoros que desea obtener de la orquesta (transducción de sonido a imagen).
8. TRANSDUCCIÓN A PARTIR DE LA IMAGINERÍA MENTAL
Dado que nuestras percepciones son elaboraciones mentales, una experiencia perceptiva puede ser real o imaginaria. Estudiar la transducción a partir de experiencias imaginarias plantea, sin embargo, problemas metodológicos por la dificultad de observar lo que ocurre en la mente durante el acto de imaginar. Sin embargo, existen hoy en día métodos de observación (como las tomografías y los encefalogramas) que nos permiten observar lo que se asume que ocurre en el cerebro durante la imaginería mental, que es el acto de imaginar experiencias perceptivas en ausencia de sus estímulos externos correspondientes (Godoy 2003). La imaginería mental puede ser activada en diferentes modalidades sensoriales simultáneamente, y sus variedades (imaginería auditiva, imaginería visual, imaginería motora, etc.) se refieren a la modalidad sensorial que predomina en la experiencia imaginada.
Un descubrimiento significativo relacionado con la imaginería mental es el de la “equivalencia funcional”. Este término se refiere al hecho de que la imaginería motora y la ejecución de acciones motoras están relacionadas a las mismas zonas cerebrales (Decety & Graces, 1999). Esto quiere decir que existe una semejanza muy estrecha entre las formas en las que el cerebro se activa cuando ejecuta o percibe acciones y cuando solamente las imagina. Un cuerpo considerable de evidencia a favor de esto ha sido provisto por el análisis de las funciones cerebrales que están activas durante los actos de imaginar y ejecutar acciones (Holmes et al. 2001).
La equivalencia funcional nos indica que una estrategia creativa basada en la imaginación de experiencias perceptivas puede ser tan efectiva para establecer relaciones de transducción entre sonidos e imágenes como una experiencia actual. Otro descubrimiento interesante es que, como todo movimiento imaginado y las acciones que le acompañan se llevan a cabo en un espacio imaginario, usualmente habrá una activación de imaginería de diferentes modalidades sensoriales durante el acto de imaginar (Decety & Graces, 1999). A este respecto, Alain Berthoz (Berthoz, 1997) señala que nuestros mecanismos neuronales de inhibición de las acciones son esenciales para poder imaginar (simular) acciones sin necesariamente ejecutarlas.
9. UN ENFOQUE SEMIÓTICO PARA LA APLICACIÓN DEL CONCEPTO DE TRANSDUCCIÓN
Como hemos mencionado, los sonidos e imágenes son elaboraciones mentales y sus relaciones con las experiencias vividas no pueden ser separadas de su percepción. La percepción es una elaboración constante de significados y es por esto que un enfoque basado en la transducción tendría que tomar en cuenta la transferencia de significados que se pueden establecer entre sonidos e imágenes al interior de un proceso compositivo.
El abordar un sistema audiovisual como un sistema de signos nos permite utilizar los conceptos analíticos existentes en los estudios sobre semiótica. Jesús González Maestro (Maestro 2005) señala que para que la transducción de significado pueda tener lugar, un agente intermediario tiene que transformar el sentido del mensaje enviado al receptor. En la creación audiovisual, este proceso sitúa al sujeto intermediario en el centro de una red en la que diferentes tipos de signos visuales y sonoros son transformados y transmitidos a través de su mediación. Factores tales como la intuición, las motivaciones personales, las experiencias previas, el contexto cultural y el conocimiento o habilidades que un individuo pueda tener en el trabajo del sonido o la imagen tienen un factor decisivo en la creación de significado a partir de objetos visuales o sonoros. En este contexto, los signos visuales y sonoros son sonidos e imágenes que pueden expresar algo, que encarnan un significado particular que cobra actualidad a través de su apropiación por parte de un receptor.
Fig. 4 Transducción de significado entre dos ámbitos distintos
En algunas formas artísticas como el teatro, la ópera, el video arte y el cine, la complejidad de la transducción de significado puede incrementar de maneras interesantes en virtud de la variedad de sistemas semióticos que entran en juego. T.Kowzan (Kowzan 1969), por ejemplo, clasifica trece sistemas de signos utilizados en la representación teatral: 1. palabra; 2. tono de voz; 3 mímica; 4. gesto; 5. movimiento; 6. maquillaje; 7. peinado; 8. atuendo; 9. accesorios; 10. decoración; 11. iluminación; 12. música; 13. efectos de sonido. A pesar de que los límites entre las categorías de Kowzan son borrosos y de que podríamos añadir fácilmente otros sistemas a su clasificación, ésta nos permite darnos una idea de la variedad de sistemas que pueden participar en la elaboración del significado de una obra. Un guiño de ojo, un color, una inflección de la voz, un ángulo de cámara, un accesorio o un sonido... en un proceso de creación cualquier cosa puede actuar como un signo (Kowzan 1965) porque los signos son creados por la actividad humana.
La riqueza de estos formatos implicaría la consideración de varios tipos de sistemas de signos sonoros y visuales que, a pesar de sus diferencias, están relacionados por un agente intermediario (un transductor). Este agente transductor se consolida a partir del momento en que su acción sobre el mensaje condiciona las posibilidades de recepción por parte del público (Maestro 2005).
10. OBSERVACIONES FINALES
Explorar los mecanismos que posibilitan la transducción entre imagen y sonido sería un paso fundamental para lograr expandir las estrategias creativas en las artes sonoras, visuales o audiovisuales. En la música electroacústica, por ejemplo, los sistemas informáticos son usados con demasiada frecuencia para transducir aspectos estructurales entre sonidos e imágenes. Sin embargo, un enfoque transductivo para el desarrollo de sistemas informáticos podría contribuir a ampliar las posibilidades de las herramientas existentes. Una técnica desarrollada en el campo de la inteligencia artificial llamada “inferencia transductiva” (Gammerman et al. 1998) sería una de las vías que más claramente podrían podrían comenzar a ser usadas para desarrollar tecnologías para establecer transferencias entre elementos de ambas modalidades. Esta técnica podría servir para “entrenar” a la computadora para generar transducciones entre imágenes y sonidos en respuesta a estímulos visuales o sonoros.
Finalmente, estoy convencido de que una teoría de la creación audiovisual que busque estudiar las relaciones entre la imagen y el sonido más allá de sus estructuras, referentes o analogías tiene que considerar el uso de una poética de intermediarios: una poética de la transducción (Maestro 2005). Esta aproximación nos permitiría comprender las relaciones entre sonido e imagen desde una perspectiva holística que abarque tanto los factores biológicos como los aspectos subjetivos con las que los intermediarios intervienen para transducir información significativa entre sistemas de signos sonoros y visuales.
REFERENCIAS
BERTHOZ, Alain, “Le sens du movement”, 1era edición, Paris, Odile Jacob, 1997 p.86-87, 229.
BRIZUELA, Mabel “Los procesos semiósicos del teatro”, 1era edition, Mungia, España, Ediciones Reichenberger, 2000, p.VIII.
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DELANNOY, Luc “El espejo: ensayos sobre la conciencia musical seguidos de la consciencia inacabada”, 1era edición, México, Centro de Investigaciones en Neuroestética y Neuromusicología A.C. (CINNE), 2008, p.139.
DOLEZEL, Lubomir “Semiotics of Literary Communication” pp. 5-48, en: Strumenti Critici, vol. 1, num. 1, 1986.
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HOLMES, Paul / COLLINS, David “The PETTLEP Approach to Motor Imagery: A Functional Equivalence Model for Sports Psychologists”, p.63, en: Journal of Applied Sport Psychology, vol. 13, num. 1, 2001.
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MAESTRO, Jesús G., “Semiotics and Transduction: Materialistic Interpretation of Human Communication”, 1era edición, Pontevedra, Mirabel Editorial, 2005, p.2, 62.
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El concepto de isomorfismo es fundamental para poder profundizar en la idea de transducción. Este término significa literalmente igualdad (iso) de forma (morfos). En matemáticas, un isomorfismo implica una relación de correspondencia de una a uno entre los elementos de dos sistemas numéricos (Levi 1956). Esta definición expresa una igualdad estructural entre dos sistemas distintos. El isomorfismo requerido por la Teoría Gestalt, sin embargo “no es un isomorfismo estructural estricto” (Köhler 1969), sino simplemente un isomorfismo funcional que “da cuenta de las propiedades de los objetos como son percibidos subjetivamente, preservando las transformaciones funcionales observadas en la percepción”. Podríamos rebatir esta definición de isomorfismo funcional ya que todo lo que percibimos es, como hemos explicado, percibido de manera subjetiva. Es por esto que no haremos una distinción entre isomorfismo estructural y funcional.
6. TRANSDUCCIÓN COMO METÁFORA DE LA HERENCIA GENÉTICA
La posibilidad de medir la manera en la que las propiedades de los sonidos e imágenes varían en el tiempo nos permite codificar su conducta de distintas formas: por medio de gráficos, notación musical, código alfanumérico, etc. Representadas como código, las variaciones dinámicas del movimiento de un objeto en un ámbito de origen pueden ser transferidas (mapeadas) a otro ámbito, preservando así una correspondencia estructural entre el objeto original y el transformado.
Este mecanismo evoca la forma en la que la transducción es utilizada en el campo de la genética. En este campo, el DNA (código genético) es transferido de una bacteria a otra por medio de un virus (Nair 2008). La presencia de este tipo de transducción en la creación artística se refleja en el uso de conceptos para describir, analizar u operar sobre propiedades de objetos sonoros o visuales (tales como el movimiento, el crecimiento, la textura, el comportamiento, la densidad, etc.). El uso de estos términos nos muestra cómo los elementos de ambas modalidades pueden ser relacionados “genéticamente” entre ellos.
Podemos encontrar un ejemplo de transducción isomórfica en las relaciones que existen entre la partitura de la obra “Metástasis”, de Iannis Xenakis, y los planos arquitectónicos de su Pabellón Phillips. Ambas obras son isomórficas dado que sus estructuras surgen a partir de un código común: la partitura de “Metástasis”.
Hoy en día, la transducción basada en isomorfismos estructurales es ampliamente utilizada en el arte electrónico a través del uso de varias herramientas (como los programas Jitter, Praat, Spear, Soundhack, etc.) que nos permiten representar diferentes atributos del sonido y la imagen bajo forma de código. Por ejemplo, en mi obra audiovisual “Estudio Elástico, la transducción entre sonido e imagen fue establecida codificando las variaciones dinámicas de algunas propiedades del sonido (tales como nivel de ruido, intensidad y brillo perceptivo) y utilizando el código resultante para controlar la generación de objetos visuales animados por computadora, así como algunas de sus características (velocidad de movimiento, color, trayectoria, etc.). Las relaciones entre las propiedades del sonido y de la imagen fueron ajustadas en función de las necesidades expresivas de cada momento particular de la obra, pero siempre guardando un isomorfismo entre su estructura.
Fig. 2 “Estudio Elástico”: objetos visuales resultantes de la transducción entre sonido e imagen
7. LA TRANSDUCCIÓN COMO METÁFORA DEL CUERPO
El uso del cuerpo en la música electroacústica es un factor fundamental para lograr establecer relaciones isomórficas entre imagen y sonido en la música electroacústica. Podemos encontrar ejemplos de esto en “Le repas du serpent/Rétour a la raison” de Javier Álvarez para cello, sonidos electroacústicos y video. En esta obra, la parte de video muestra una escena en la que una serpiente engulle a un conejo. Durante el transcurso de la pieza, la cellista ejecuta una serie de acciones productoras de sonido (como rotaciones, variaciones de velocidad, de presión del arco, cambios de trayectoria y de tono muscular, etc.) que son coherentes con las estructuras expresadas por el movimiento corporal de la serpiente que aparece en el video.
Fig. 3 Transducción en la obra “Le repas du serpent” de Javier Álvarez
a partir de la ejecución de acciones productoras de sonido.
En la interpretación musical, la simulación juega un papel fundamental para poder lograr establecer relaciones de transducción entre los ámbitos sonoros y visual. Un ejemplo de esto sería la dinámica de comunicación que se establece entre la expresividad visual de un director de orquesta y la expresividad musical de los intérpretes. Durante la interpretación de una obra, los músicos tienen que hacer una predicción constante de los movimientos corporales del director. Esto les permite simular sus intenciones mediante acciones productoras de sonido (transducción de imagen a sonido). De la misma forma, el director de orquesta debe desarrollar un ajuste constante de su imagen corporal dependiendo de los resultados sonoros que desea obtener de la orquesta (transducción de sonido a imagen).
8. TRANSDUCCIÓN A PARTIR DE LA IMAGINERÍA MENTAL
Dado que nuestras percepciones son elaboraciones mentales, una experiencia perceptiva puede ser real o imaginaria. Estudiar la transducción a partir de experiencias imaginarias plantea, sin embargo, problemas metodológicos por la dificultad de observar lo que ocurre en la mente durante el acto de imaginar. Sin embargo, existen hoy en día métodos de observación (como las tomografías y los encefalogramas) que nos permiten observar lo que se asume que ocurre en el cerebro durante la imaginería mental, que es el acto de imaginar experiencias perceptivas en ausencia de sus estímulos externos correspondientes (Godoy 2003). La imaginería mental puede ser activada en diferentes modalidades sensoriales simultáneamente, y sus variedades (imaginería auditiva, imaginería visual, imaginería motora, etc.) se refieren a la modalidad sensorial que predomina en la experiencia imaginada.
Un descubrimiento significativo relacionado con la imaginería mental es el de la “equivalencia funcional”. Este término se refiere al hecho de que la imaginería motora y la ejecución de acciones motoras están relacionadas a las mismas zonas cerebrales (Decety & Graces, 1999). Esto quiere decir que existe una semejanza muy estrecha entre las formas en las que el cerebro se activa cuando ejecuta o percibe acciones y cuando solamente las imagina. Un cuerpo considerable de evidencia a favor de esto ha sido provisto por el análisis de las funciones cerebrales que están activas durante los actos de imaginar y ejecutar acciones (Holmes et al. 2001).
La equivalencia funcional nos indica que una estrategia creativa basada en la imaginación de experiencias perceptivas puede ser tan efectiva para establecer relaciones de transducción entre sonidos e imágenes como una experiencia actual. Otro descubrimiento interesante es que, como todo movimiento imaginado y las acciones que le acompañan se llevan a cabo en un espacio imaginario, usualmente habrá una activación de imaginería de diferentes modalidades sensoriales durante el acto de imaginar (Decety & Graces, 1999). A este respecto, Alain Berthoz (Berthoz, 1997) señala que nuestros mecanismos neuronales de inhibición de las acciones son esenciales para poder imaginar (simular) acciones sin necesariamente ejecutarlas.
9. UN ENFOQUE SEMIÓTICO PARA LA APLICACIÓN DEL CONCEPTO DE TRANSDUCCIÓN
Como hemos mencionado, los sonidos e imágenes son elaboraciones mentales y sus relaciones con las experiencias vividas no pueden ser separadas de su percepción. La percepción es una elaboración constante de significados y es por esto que un enfoque basado en la transducción tendría que tomar en cuenta la transferencia de significados que se pueden establecer entre sonidos e imágenes al interior de un proceso compositivo.
El abordar un sistema audiovisual como un sistema de signos nos permite utilizar los conceptos analíticos existentes en los estudios sobre semiótica. Jesús González Maestro (Maestro 2005) señala que para que la transducción de significado pueda tener lugar, un agente intermediario tiene que transformar el sentido del mensaje enviado al receptor. En la creación audiovisual, este proceso sitúa al sujeto intermediario en el centro de una red en la que diferentes tipos de signos visuales y sonoros son transformados y transmitidos a través de su mediación. Factores tales como la intuición, las motivaciones personales, las experiencias previas, el contexto cultural y el conocimiento o habilidades que un individuo pueda tener en el trabajo del sonido o la imagen tienen un factor decisivo en la creación de significado a partir de objetos visuales o sonoros. En este contexto, los signos visuales y sonoros son sonidos e imágenes que pueden expresar algo, que encarnan un significado particular que cobra actualidad a través de su apropiación por parte de un receptor.
Fig. 4 Transducción de significado entre dos ámbitos distintos
En algunas formas artísticas como el teatro, la ópera, el video arte y el cine, la complejidad de la transducción de significado puede incrementar de maneras interesantes en virtud de la variedad de sistemas semióticos que entran en juego. T.Kowzan (Kowzan 1969), por ejemplo, clasifica trece sistemas de signos utilizados en la representación teatral: 1. palabra; 2. tono de voz; 3 mímica; 4. gesto; 5. movimiento; 6. maquillaje; 7. peinado; 8. atuendo; 9. accesorios; 10. decoración; 11. iluminación; 12. música; 13. efectos de sonido. A pesar de que los límites entre las categorías de Kowzan son borrosos y de que podríamos añadir fácilmente otros sistemas a su clasificación, ésta nos permite darnos una idea de la variedad de sistemas que pueden participar en la elaboración del significado de una obra. Un guiño de ojo, un color, una inflección de la voz, un ángulo de cámara, un accesorio o un sonido... en un proceso de creación cualquier cosa puede actuar como un signo (Kowzan 1965) porque los signos son creados por la actividad humana.
La riqueza de estos formatos implicaría la consideración de varios tipos de sistemas de signos sonoros y visuales que, a pesar de sus diferencias, están relacionados por un agente intermediario (un transductor). Este agente transductor se consolida a partir del momento en que su acción sobre el mensaje condiciona las posibilidades de recepción por parte del público (Maestro 2005).
10. OBSERVACIONES FINALES
Explorar los mecanismos que posibilitan la transducción entre imagen y sonido sería un paso fundamental para lograr expandir las estrategias creativas en las artes sonoras, visuales o audiovisuales. En la música electroacústica, por ejemplo, los sistemas informáticos son usados con demasiada frecuencia para transducir aspectos estructurales entre sonidos e imágenes. Sin embargo, un enfoque transductivo para el desarrollo de sistemas informáticos podría contribuir a ampliar las posibilidades de las herramientas existentes. Una técnica desarrollada en el campo de la inteligencia artificial llamada “inferencia transductiva” (Gammerman et al. 1998) sería una de las vías que más claramente podrían podrían comenzar a ser usadas para desarrollar tecnologías para establecer transferencias entre elementos de ambas modalidades. Esta técnica podría servir para “entrenar” a la computadora para generar transducciones entre imágenes y sonidos en respuesta a estímulos visuales o sonoros.
Finalmente, estoy convencido de que una teoría de la creación audiovisual que busque estudiar las relaciones entre la imagen y el sonido más allá de sus estructuras, referentes o analogías tiene que considerar el uso de una poética de intermediarios: una poética de la transducción (Maestro 2005). Esta aproximación nos permitiría comprender las relaciones entre sonido e imagen desde una perspectiva holística que abarque tanto los factores biológicos como los aspectos subjetivos con las que los intermediarios intervienen para transducir información significativa entre sistemas de signos sonoros y visuales.
REFERENCIAS
BERTHOZ, Alain, “Le sens du movement”, 1era edición, Paris, Odile Jacob, 1997 p.86-87, 229.
BRIZUELA, Mabel “Los procesos semiósicos del teatro”, 1era edition, Mungia, España, Ediciones Reichenberger, 2000, p.VIII.
DECETY, J., & GRÈZES, J. (1999). “Neural Mechanisms Subserving the Perception of Human Actions”, pp.172-178, en: Trends in Cognitive Science, vol.3, 1999.
DELANNOY, Luc “El espejo: ensayos sobre la conciencia musical seguidos de la consciencia inacabada”, 1era edición, México, Centro de Investigaciones en Neuroestética y Neuromusicología A.C. (CINNE), 2008, p.139.
DOLEZEL, Lubomir “Semiotics of Literary Communication” pp. 5-48, en: Strumenti Critici, vol. 1, num. 1, 1986.
GAMMERMAN A., VOVK V., VAPNIK, V., “Learning by transduction”, en: F. Cooper and S. Moral, Proceedings of Uncertainty in Artificial Intelligence, San Francisco, California, Eds. Morgan Kaufmann, 1998, pp. 148–155.
GODOY. Rolf Inge “Gestural Imagery in the Service of Musical Imagery” en: A. Camurri and G.Volpe (Eds.), Gesture-Based Communication in Human-Computer Interaction, Berlin, Springer Berlin / Heidelberg, 2004, p. 56.
HOLMES, Paul / COLLINS, David “The PETTLEP Approach to Motor Imagery: A Functional Equivalence Model for Sports Psychologists”, p.63, en: Journal of Applied Sport Psychology, vol. 13, num. 1, 2001.
KOWZAN T. (1969) “El signo en el teatro”, en: T. Adorno et al., “El teatro y su crisis actual”, Caracas, Monte Ávila 1992, p.45.
LEHAR, Steven, “Gestalt Isomorphism and the Primacy of Subjective Conscious Experience: A Gestalt Bubble Model” en: Behavioral & Brain Sciences, vol.26, num. 4, 1999, p.11.
LEVI, Howard “Elements of Algebra”, 1era edición, Nueva York, Chelsea Publishing Company, 1956, p.96.
MAESTRO, Jesús G., “Semiotics and Transduction: Materialistic Interpretation of Human Communication”, 1era edición, Pontevedra, Mirabel Editorial, 2005, p.2, 62.
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SCHMIDT, R.A., “A schema theory of discrete motor skill learning”, pp. 225-260, en: Psychological Review, vol. 82, num. 1, 1975.
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VAGGIONE, Horacio “Symboles, signaux, opérations musicales” Paris, MSH/Paris Nord, Université Paris VIII, 2006, p. 20.
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martes, 5 de enero de 2010
VS Ramachandran: The neurons that shaped civilization
Neuroscientist Vilayanur Ramachandran outlines the fascinating functions of mirror neurons. Only recently discovered, these neurons allow us to learn complex social behaviors, some of which formed the foundations of human civilization as we know it.
jueves, 17 de diciembre de 2009
Expanding the Human Mind: The Future of the Brain: Neurobiology, Electronics, and Other Tools Part 2
Why Pursue Brain/Mind Enhancement?
Why might we wish to move in this direction? One reason is simply to restore damaged brains. Physical injuries, strokes, tumors, and neuro-degenerative diseases in the brain cause heartbreaking disabilities. The afflicted individual may live a much reduced life for many years. What a tragedy to lie paralyzed, or to live among family and friends without comprehending their words.
Another motivation is personal development. We are not born equal. Our society is gradually acknowledging that many are born with strong propensities for mental illness such as depression or addiction, difficult or impossible to combat by pure mental effort--i.e., by a "strong will." Thus medicinal remedies are now accepted, which in reality are molecular probes that attach to selected neurons in the brain. Besides problems of outright disease, some of us are much smarter, happier, more confidant, fearless, and likeable than others. If we understand the basis for such differences, why should less-favored individuals not overcome their weaknesses, rather than struggle for a lifetime with their suboptimal neural constitution?
It is important to realize that most long-term mental changes will take considerable time to achieve, both to change the quantity and quality of the neurons involved and to create the more subtle modifications that will come with use. For example, instilling the qualities of pitch discernment, timing, and finger agility of skilled musicians would undoubtedly require the modification and growth of many auditory and motor circuits, plus much practice to develop their potential.
In general, the scope for quick, effortless change by taking a pill will be quite limited. This is fortunate, since human relationships, both personal and societal, depend on predictability. Rapid changes in personality, motivations, habits, and skills could produce social chaos.
Building Better Brains
Looking further ahead, can human beings add useful new capabilities to their minds? For example, a method of directly sensing by touch or sight the entire three-dimensional constitution of an object would be a giant mental leap, bringing to our mind the ability to directly observe the patterns of forces, motions, heat, and fluid flowing in our environment. You could be simultaneously aware of the actions and activities of all parts of your body, inside and out. Three-dimensional sensing would bring solutions at a glance to many practical problems that now require extensive training and computer aids to solve.
A personal digital assistant placed on or within your body could make comparable three-dimensional calculations, but the assistant would always be an outsider, integrating with your brain only as a little voice whispering in your ear or a screen holding up pictures to view. Integrating at a deeper level than the senses will require complex connections--and vastly more of them--as well as coping with the far greater speed of electronic pulses compared with neural pulses. Still, as we will see below, the digital assistant and the brain may eventually get together.
Our conscious mental sensations define us as humans and individuals. They are clearly associated with structures in the brain, which leads us to wonder if new neural structures supporting new mental powers will lead to new mental sensations.
It is certainly not clear what neural structures might support the three-dimensional sense I have just described. But we do have two existing senses to guide us. First, our bifocal vision is a partial sense of a three-dimensional surface. Second, our senses of touch, physical position, and motion combine to provide us with a crude three-dimensional sense of our body in space. When we learn how the neural structures supporting these senses function, they may guide us in designing and integrating into the brain comprehensive three-dimensional senses.
There are further possibilities--novel emotions, novel modes of sensing. Such explorations will take much effort, their purpose not pursuit of novelty for its own sake, but rather an attempt to explore the possibilities, to discover if there is a systematic world of mental sensations as real and extensive as the material world we perceive with our present senses.
Longer-Term Futures: Mind and Mental Function
In time, we will accumulate detailed functional descriptions of the brains of large numbers of individuals. Many will contribute all or part of their personal information to a common pool, sharing with the world how their individual differences in brain structure and function contribute to differences in mental characteristics, from personality to talents. The information will point in two directions. Just as today we acknowledge that some of us are especially susceptible to mental illness, tomorrow's vastly deeper knowledge of the functional differences in brains will foster greater understanding and acceptance of people as they are, how their lives are constrained by the physical constitution of their brains.
However, we will no longer be resigned to living with what we began life with. We can move to change our mental makeup by modifying our brain's functional structure, to enhance what we like and diminish what we don't, proceeding on the assumption that all normal human brains, free of major mutations or accidents of development, have the same complement of neural structures, just as we all have the same set of muscles, bones, and ligaments. Our physical individuality comes from the differences in their size, length, and shape.
At its simplest, functional differences in the same neural group will depend on the number of neurons in the group. We can place modified neurons within the group to send inhibitory signals that effectively decrease the number of neurons. To effectively increase their number, we can send stimulating signals that lower their firing threshold, thus making fewer neurons do more work. Over the long term, stimulation may also increase the number of neuron branches, further enhancing the neuron's effectiveness.
There is surely some limit to enhancing the existing neuron supply. When we need more neurons, we can place modified neurons within the group and induce them to form connections.
A far more formidable challenge will be to connect neuron groups to distant parts of the brain and body. One approach is to place a line of "beacon" cells to guide the growth of new branches along the desired path. Another, more radical way is to connect the neurons to an electronic interface, which would convert the neuron's signals to electronic signals and relay them directly to the target neuron group.
The electronic interface can be upgraded to make arbitrary connections by adding digital switching circuits. Additional circuits could turn the interface into a computational facility to aid memory or make instant simulations. The interface would become the digital assistant described earlier, with the potential to connect naturally to any portion of the brain rather than only to the sensory inputs. Of course, we would need a deep knowledge of brain function to make useful connections rather than creating chaos.
A New Brain, and What We Might Do with It
If we can systematically add (and subtract) neurons from functional groups, where can it all end? Can we effectively transmute one brain into another?
There are several qualifiers. First, we are dealing with actual growth, which takes time. Second, genes will vary between individuals, creating variations in each of the neuron types. While we can try to compensate for genetic variability by using modified neurons to administer neurotransmitters, inhibitors, enhancers, growth factors, etc., we would really need to modify each neuron's genetic complement to transmute its function completely. And third, brains have a lifetime of experience, which will impose biochemical adaptations on each neuron, reflected in its pattern of branching and its patterns of stimulation and response. Experience will still count. Nevertheless, biological inequality will no longer seem inevitable.
What about capabilities we have yet to conceive? Can we add a genuinely new capability to the human mind, complete with never-experienced mental sensations in our consciousness? For example, the light-detecting cells in the eye sense only three colors--red, green, and blue. Their signals are sent to the brain and combined to produce the perceptions of the thousands of colors we "see." In the future, can we examine the neural structures that produce color vision so as to design and grow neural structures that support vision that senses four primary colors and perceives millions?
If we can grow a neural structure that supports new mental sensations, we may be able to substitute other constituents for neurons while still producing the same results. For example, electronic circuits connected in the same manner as the neurons could potentially simulate the actions of neurotransmitters and receptors. Perhaps the circuits need only reproduce the vast complexity of electric field changes that accompany neuron action.
What are the advantages of replacing neurons? First, the circuits might be more compact, allowing us to stuff more brain power into our skulls; or perhaps they might speed up our mental powers to match the electronic speeds of the digital world.
More profoundly, extending our mental powers by engineered changes would allow us to systematically explore a potential world of mental sensations far beyond those we know today. Thus we might find that all our emotions are combinations of a few basic emotional "atoms." By studying the way the basic emotions combine to produce our present emotions, we could combine them in new ways to create emotions never before experienced. An enormous world of mental sensations awaits our exploration, analogous to the immense number and variety of biological species.
About the Author
William Holmes has a Ph.D. in biophysics and advanced training in artificial intelligence. His major activities have been in the fields of laboratory automation and computerized radiotherapy planning. He was for many years a faculty member in the Biochemistry Department and the Biomedical Computer Laboratory at the Washington University School of Medicine. He presents a detailed exposition on building neural structures in his forthcoming book, Mind over Matter: Building a Limitless Future through Biological Design. His address is 2335 East Seneca Street, Tucson, Arizona 85719. E-mail bholmes2@mindspring.com.
Article Title: Expanding the Human Mind: The Future of the Brain Neurobiology, Electronics, and Other Tools May Give Us Mental Powers That Are Truly Mind-Boggling. Contributors: William Holmes - author. Magazine Title: The Futurist. Volume: 41. Issue: 4. Publication Date: July-August 2007. Page Number: 41+. COPYRIGHT 2007 World Future Society; COPYRIGHT 2007 Gale Group
Why might we wish to move in this direction? One reason is simply to restore damaged brains. Physical injuries, strokes, tumors, and neuro-degenerative diseases in the brain cause heartbreaking disabilities. The afflicted individual may live a much reduced life for many years. What a tragedy to lie paralyzed, or to live among family and friends without comprehending their words.
Another motivation is personal development. We are not born equal. Our society is gradually acknowledging that many are born with strong propensities for mental illness such as depression or addiction, difficult or impossible to combat by pure mental effort--i.e., by a "strong will." Thus medicinal remedies are now accepted, which in reality are molecular probes that attach to selected neurons in the brain. Besides problems of outright disease, some of us are much smarter, happier, more confidant, fearless, and likeable than others. If we understand the basis for such differences, why should less-favored individuals not overcome their weaknesses, rather than struggle for a lifetime with their suboptimal neural constitution?
It is important to realize that most long-term mental changes will take considerable time to achieve, both to change the quantity and quality of the neurons involved and to create the more subtle modifications that will come with use. For example, instilling the qualities of pitch discernment, timing, and finger agility of skilled musicians would undoubtedly require the modification and growth of many auditory and motor circuits, plus much practice to develop their potential.
In general, the scope for quick, effortless change by taking a pill will be quite limited. This is fortunate, since human relationships, both personal and societal, depend on predictability. Rapid changes in personality, motivations, habits, and skills could produce social chaos.
Building Better Brains
Looking further ahead, can human beings add useful new capabilities to their minds? For example, a method of directly sensing by touch or sight the entire three-dimensional constitution of an object would be a giant mental leap, bringing to our mind the ability to directly observe the patterns of forces, motions, heat, and fluid flowing in our environment. You could be simultaneously aware of the actions and activities of all parts of your body, inside and out. Three-dimensional sensing would bring solutions at a glance to many practical problems that now require extensive training and computer aids to solve.
A personal digital assistant placed on or within your body could make comparable three-dimensional calculations, but the assistant would always be an outsider, integrating with your brain only as a little voice whispering in your ear or a screen holding up pictures to view. Integrating at a deeper level than the senses will require complex connections--and vastly more of them--as well as coping with the far greater speed of electronic pulses compared with neural pulses. Still, as we will see below, the digital assistant and the brain may eventually get together.
Our conscious mental sensations define us as humans and individuals. They are clearly associated with structures in the brain, which leads us to wonder if new neural structures supporting new mental powers will lead to new mental sensations.
It is certainly not clear what neural structures might support the three-dimensional sense I have just described. But we do have two existing senses to guide us. First, our bifocal vision is a partial sense of a three-dimensional surface. Second, our senses of touch, physical position, and motion combine to provide us with a crude three-dimensional sense of our body in space. When we learn how the neural structures supporting these senses function, they may guide us in designing and integrating into the brain comprehensive three-dimensional senses.
There are further possibilities--novel emotions, novel modes of sensing. Such explorations will take much effort, their purpose not pursuit of novelty for its own sake, but rather an attempt to explore the possibilities, to discover if there is a systematic world of mental sensations as real and extensive as the material world we perceive with our present senses.
Longer-Term Futures: Mind and Mental Function
In time, we will accumulate detailed functional descriptions of the brains of large numbers of individuals. Many will contribute all or part of their personal information to a common pool, sharing with the world how their individual differences in brain structure and function contribute to differences in mental characteristics, from personality to talents. The information will point in two directions. Just as today we acknowledge that some of us are especially susceptible to mental illness, tomorrow's vastly deeper knowledge of the functional differences in brains will foster greater understanding and acceptance of people as they are, how their lives are constrained by the physical constitution of their brains.
However, we will no longer be resigned to living with what we began life with. We can move to change our mental makeup by modifying our brain's functional structure, to enhance what we like and diminish what we don't, proceeding on the assumption that all normal human brains, free of major mutations or accidents of development, have the same complement of neural structures, just as we all have the same set of muscles, bones, and ligaments. Our physical individuality comes from the differences in their size, length, and shape.
At its simplest, functional differences in the same neural group will depend on the number of neurons in the group. We can place modified neurons within the group to send inhibitory signals that effectively decrease the number of neurons. To effectively increase their number, we can send stimulating signals that lower their firing threshold, thus making fewer neurons do more work. Over the long term, stimulation may also increase the number of neuron branches, further enhancing the neuron's effectiveness.
There is surely some limit to enhancing the existing neuron supply. When we need more neurons, we can place modified neurons within the group and induce them to form connections.
A far more formidable challenge will be to connect neuron groups to distant parts of the brain and body. One approach is to place a line of "beacon" cells to guide the growth of new branches along the desired path. Another, more radical way is to connect the neurons to an electronic interface, which would convert the neuron's signals to electronic signals and relay them directly to the target neuron group.
The electronic interface can be upgraded to make arbitrary connections by adding digital switching circuits. Additional circuits could turn the interface into a computational facility to aid memory or make instant simulations. The interface would become the digital assistant described earlier, with the potential to connect naturally to any portion of the brain rather than only to the sensory inputs. Of course, we would need a deep knowledge of brain function to make useful connections rather than creating chaos.
A New Brain, and What We Might Do with It
If we can systematically add (and subtract) neurons from functional groups, where can it all end? Can we effectively transmute one brain into another?
There are several qualifiers. First, we are dealing with actual growth, which takes time. Second, genes will vary between individuals, creating variations in each of the neuron types. While we can try to compensate for genetic variability by using modified neurons to administer neurotransmitters, inhibitors, enhancers, growth factors, etc., we would really need to modify each neuron's genetic complement to transmute its function completely. And third, brains have a lifetime of experience, which will impose biochemical adaptations on each neuron, reflected in its pattern of branching and its patterns of stimulation and response. Experience will still count. Nevertheless, biological inequality will no longer seem inevitable.
What about capabilities we have yet to conceive? Can we add a genuinely new capability to the human mind, complete with never-experienced mental sensations in our consciousness? For example, the light-detecting cells in the eye sense only three colors--red, green, and blue. Their signals are sent to the brain and combined to produce the perceptions of the thousands of colors we "see." In the future, can we examine the neural structures that produce color vision so as to design and grow neural structures that support vision that senses four primary colors and perceives millions?
If we can grow a neural structure that supports new mental sensations, we may be able to substitute other constituents for neurons while still producing the same results. For example, electronic circuits connected in the same manner as the neurons could potentially simulate the actions of neurotransmitters and receptors. Perhaps the circuits need only reproduce the vast complexity of electric field changes that accompany neuron action.
What are the advantages of replacing neurons? First, the circuits might be more compact, allowing us to stuff more brain power into our skulls; or perhaps they might speed up our mental powers to match the electronic speeds of the digital world.
More profoundly, extending our mental powers by engineered changes would allow us to systematically explore a potential world of mental sensations far beyond those we know today. Thus we might find that all our emotions are combinations of a few basic emotional "atoms." By studying the way the basic emotions combine to produce our present emotions, we could combine them in new ways to create emotions never before experienced. An enormous world of mental sensations awaits our exploration, analogous to the immense number and variety of biological species.
About the Author
William Holmes has a Ph.D. in biophysics and advanced training in artificial intelligence. His major activities have been in the fields of laboratory automation and computerized radiotherapy planning. He was for many years a faculty member in the Biochemistry Department and the Biomedical Computer Laboratory at the Washington University School of Medicine. He presents a detailed exposition on building neural structures in his forthcoming book, Mind over Matter: Building a Limitless Future through Biological Design. His address is 2335 East Seneca Street, Tucson, Arizona 85719. E-mail bholmes2@mindspring.com.
Article Title: Expanding the Human Mind: The Future of the Brain Neurobiology, Electronics, and Other Tools May Give Us Mental Powers That Are Truly Mind-Boggling. Contributors: William Holmes - author. Magazine Title: The Futurist. Volume: 41. Issue: 4. Publication Date: July-August 2007. Page Number: 41+. COPYRIGHT 2007 World Future Society; COPYRIGHT 2007 Gale Group
Expanding the Human Mind: The Future of the Brain: Neurobiology, Electronics, and Other Tools Part 1
by William Holmes
We have the power to enhance our minds by three very different approaches: by education, by computers, and by the techniques of neurobiology. While education dates back to prehistoric times, computers are a modern invention barely a half century old. Neurobiology is only now beginning to realize its potential for expanding our minds.
Education has gradually become a formal process for passing on knowledge as cultures have grown more complex and opportunities for adults have multiplied. Education is still our best hope for productive, prosperous individuals and nations, but the speed and learning capacity of the human mind is reaching its limits. Formal education and training for doctors, lawyers, and Ph.D.'s takes up to 20 years.
Computers provide one path toward overcoming the speed and capacity limitations of the human mind. The programmed electronic computer was first conceived as a successor to mechanical calculators, then adapted to record keeping in the business world. It was soon apparent that any mental task reducible to a set of written rules can be reduced to a computer program. This realization has led to continuing optimism that practically any task the mind performs can be analyzed in detail and programmed. The remarkable technical achievements of the electronic industry in doubling computer capacity and speed at the same cost every two or three years has fueled this optimism. If the problem is too difficult to solve today, more computer power will surely come to the rescue before long.
One should not belittle the accomplishments of computer programs. Inexpensive computers with quality graphics will bring universal education and specialized training to even the most impoverished countries. Their schools will need little more than electric generators for the computers and local teachers for guidance. A world of less formal information is at our fingertips through the Internet, fostering all kinds of informal self-education. Practically all records are on computers, and one can increasingly pose simple questions in natural language and hope to receive a useful response. There are "expert programs" for solving a large range of specialized problems, from the best mix of crops for the family farm to the material requirements and assembly instructions for building a house. Computers with TV cameras are learning to recognize faces and common objects by sight. Adding mechanized appendages to a computer lets it grasp, recognize, and manipulate objects, and to move through a cluttered environment. Even simple forms of true robots are appearing, with facial expressions and simulated emotions.
Some prognosticators have extrapolated the steady advance of intellectual and robotlike computer programs to the extreme, predicting computers of superhuman mental powers along with superhuman speed. These predictions rely on extrapolating the past and present exponential increase in computer power for decades into the future. Such predictions also assume that the hard, unsolved problems of understanding how the human mind works will rapidly yield to sustained effort.
But even if computers do become comparable to humans for performing common intellectual and physical tasks, they will still be outsiders. We will have created independent creatures with minds of sorts, but no more a part of ourselves than the aliens of science fiction. Such computers/robots will at best be capable assistants. We must look inward in order to enhance our own minds and explore their potential. We need the science and techniques of biology, more specifically human neurobiology.
Advancing the Power of the Mind
Neurobiology is the science of the nervous system, and it can be approached from many directions. Neuroanatomy studies the physical structure of the brain and how brain cells (neurons) are organized and connected. The connections themselves are quite complex. Electric pulses from a neuron travel down a branching axon fiber to destinations on other neurons. The ends of the fibers secrete nanosize packets of neurotransmitters that bind to receptors on the destination neuron, either stimulating or inhibiting it. Thousands of axons from other neurons may impinge on a single neuron, each capable of secreting neurotransmitter packets. The neurotransmitters combine to cause the neuron to either generate electric pulses or suppress them. Neurotransmitters may also interact in more complex ways, providing the neuron much flexibility in response to its many inputs.
Unraveling the complexities of neurotransmitters is a major focus of neurobiology research. It is the foundation for the rational design of medicines for treating depression, mania, schizophrenia, Parkinson's disease, and other mental and physical disorders of the brain. In brief, current medicines interact with specific neurotransmitter receptors on certain classes of neurons, altering the effects of a natural deficiency or excess in neurotransmitter action.
Over the past 150 years we have accumulated a significant body of knowledge relating higher brain functions, such as language, to specific areas of the brain. Much of this knowledge has come from observing individuals with brain damage, using magnetic resonance imaging (MRI) or in some cases autopsies. Many strange deficits have been observed, such as inability to recognize spoken words, the loss of color vision, loss of the sense of humor, and the inability to visualize or draw one side of the body.
Today we can even peer inside the human brain to some degree, primarily by functional MRI, which allows researchers to observe those areas of the brain that become more active while performing such ordinary activities as reading or solving simple problems. The most detailed view of all comes from electrodes placed in the brain to measure the activity of individual neurons. Though largely limited to primate brain research, we have found such astonishing entities as "mirror neurons." These neurons respond to an action such as grasping an object both when the subject does the grasping and when the subject sees another individual grasping the object. We are watching some innate capacity of the brain to imitate the action of others. Unfortunately, researchers' inability to instruct nonhuman test subjects--or to question them about their mental states--limits these studies' potential for applying the findings to humans. So we must fall back on the methods of experimental animal psychology to pose the problem and analyze the results.
It is awesome to contemplate the full complexity of the brain, tens of billions of neurons connected through literally trillions of branches acting through complex patterns of neurotransmitters. It will take many decades to learn in detail how activities at the neurotransmitter level result in the conscious activities we experience and the subconscious activities we can measure by electrodes, MRI, and other methods.
In this light, proposals to simulate the entire brain in molecular detail on a computer seem presumptuous. Proponents believe that such a simulation will produce a functioning inorganic brain. Presumably these simulations will produce numerous high-speed geniuses to simultaneously work on our most difficult problems.
A Piece of Your Mind?
Clearly, we must study in great detail the characteristics of individual neurons. The cell is the fundamental structural and functional unit of biological organisms. Thus, studies of the brain and the rest of the nervous system ultimately depend on our knowledge of its neurons. Can they be classified into a reasonable number of types? What is the molecular biology of each type, its neurotransmitters, receptors, pattern of axon branching, modes of modification, and propensity for growth?
With this information, we could identify specific neuron cell types within the brain, recording their locations and connections to other neurons. It should also become possible to isolate neuron stem cells and stimulate them to differentiate into the variety of neuron types found in the brain and peripheral nervous system. Repairing and modifying the nervous system will depend on a supply of the appropriate neurons.
We can analyze--either in vivo or in cell culture--the specific factors guiding the growth of connections from one neuron to another. Such knowledge will become vital when we try to build or rebuild neural structures in the brain and peripheral nervous system, leading to desperately needed techniques to restore severed nerves in the limbs and spinal cord. Such needs will drive research and development of new applications.
Finally, we are learning to make long-term connections between neurons and electronic circuits, two very different entities. Neurons can be grown on thin, biologically friendly films that keep the cells separate from the circuits. Each remains in its preferred environment, but they are so close that a circuit can either detect electric pulses in an adjacent neuron, or alternatively, generate an electric pulse strong enough to stimulate the neuron to fire. Simple arrays of electrodes are already used to detect neuromuscular signals generated by the shortened nerves in a severed limb and translate them to useful movements of an artificial limb attached to the stump.
Near-Term Brain Research
Given the pace of molecular biology in unraveling the genome, its controls, and the proteins it generates, we can expect to learn within the next 10 years much of what we need to describe and classify neuron types, to locate them in the embryonic and mature brain, to grow them in cell culture, and connect them with distant neurons, guiding the growth of their axons along pathways marked with biomolecules.
Progress will be slower in creating a "circuit diagram" of the brain--that is, a compendium of the pattern of connections made by the (still unknown) number of neuron groups in the brain. Identification of cell types, embryology, and genetics will speed the process, but it will probably still be somewhat fragmentary 10 years from now.
In the next decade, we still may not completely understand how the neuron "circuits" cooperate to bring about conscious and unconscious mental action, or discover exactly how the mind understands language and music or how it forms and retrieves memories. However, we should learn enough to develop better treatments for mental problems such as bipolar disorder, depression, schizophrenia, obsessive compulsive disorders, and panic attacks. We may understand neurodegenerative diseases, such as Alzheimer's, Huntington's, and Parkinson's, well enough to at least design remedies to slow their progress. Possibly we will find compounds to improve our memory, and others more potent than caffeine yet safer than amphetamines to improve our ability to concentrate.
We should also expect significant progress in the next 10 years toward repairing injuries to the nervous system, especially in the limbs and spinal cord. We will know how to stimulate severed axon and dendrite branches to re-extend themselves toward their original terminations, as well as how to stimulate actual cell division to replace neurons. We will be learning to grow more complicated neural structures with several cell types, looking toward repair and replacement of accessible structures, such as the retina of the eye. Interfacing neurons with electronic circuits will have evolved beyond the "Bionic Man" stage to micro packages that are physically unobtrusive.
Ten years from now, we will be poised to look beyond these simpler applications toward the prospect of direct neural connections to the brain. What will we be looking for? The four key areas of our pursuits will be:
1. Understanding the mind: How does our brain support a mind that lets us see, hear, move, talk, solve problems, fall in love, and develop a sense of identity?
2. Understanding consciousness: What is the physical basis in the brain for the mental sensations of consciousness that accompany such brain activity as seeing, hearing, walking, talking, acting, and the feelings of egotism, fear, pride, love, and beauty?
3. Developing existing human potential: Wherein lie the differences among such diverse individuals as Mozart, Einstein, and the Buddha? Can an individual attain some of their extraordinary powers by focused training and perhaps by stimulated growth of selected neural circuits?
4. Exploring beyond existing limits: Are the mental sensations that we experience all that there can be? Is there a whole world of completely new sensations with associated mental powers that we can explore in some rational way?
We have the power to enhance our minds by three very different approaches: by education, by computers, and by the techniques of neurobiology. While education dates back to prehistoric times, computers are a modern invention barely a half century old. Neurobiology is only now beginning to realize its potential for expanding our minds.
Education has gradually become a formal process for passing on knowledge as cultures have grown more complex and opportunities for adults have multiplied. Education is still our best hope for productive, prosperous individuals and nations, but the speed and learning capacity of the human mind is reaching its limits. Formal education and training for doctors, lawyers, and Ph.D.'s takes up to 20 years.
Computers provide one path toward overcoming the speed and capacity limitations of the human mind. The programmed electronic computer was first conceived as a successor to mechanical calculators, then adapted to record keeping in the business world. It was soon apparent that any mental task reducible to a set of written rules can be reduced to a computer program. This realization has led to continuing optimism that practically any task the mind performs can be analyzed in detail and programmed. The remarkable technical achievements of the electronic industry in doubling computer capacity and speed at the same cost every two or three years has fueled this optimism. If the problem is too difficult to solve today, more computer power will surely come to the rescue before long.
One should not belittle the accomplishments of computer programs. Inexpensive computers with quality graphics will bring universal education and specialized training to even the most impoverished countries. Their schools will need little more than electric generators for the computers and local teachers for guidance. A world of less formal information is at our fingertips through the Internet, fostering all kinds of informal self-education. Practically all records are on computers, and one can increasingly pose simple questions in natural language and hope to receive a useful response. There are "expert programs" for solving a large range of specialized problems, from the best mix of crops for the family farm to the material requirements and assembly instructions for building a house. Computers with TV cameras are learning to recognize faces and common objects by sight. Adding mechanized appendages to a computer lets it grasp, recognize, and manipulate objects, and to move through a cluttered environment. Even simple forms of true robots are appearing, with facial expressions and simulated emotions.
Some prognosticators have extrapolated the steady advance of intellectual and robotlike computer programs to the extreme, predicting computers of superhuman mental powers along with superhuman speed. These predictions rely on extrapolating the past and present exponential increase in computer power for decades into the future. Such predictions also assume that the hard, unsolved problems of understanding how the human mind works will rapidly yield to sustained effort.
But even if computers do become comparable to humans for performing common intellectual and physical tasks, they will still be outsiders. We will have created independent creatures with minds of sorts, but no more a part of ourselves than the aliens of science fiction. Such computers/robots will at best be capable assistants. We must look inward in order to enhance our own minds and explore their potential. We need the science and techniques of biology, more specifically human neurobiology.
Advancing the Power of the Mind
Neurobiology is the science of the nervous system, and it can be approached from many directions. Neuroanatomy studies the physical structure of the brain and how brain cells (neurons) are organized and connected. The connections themselves are quite complex. Electric pulses from a neuron travel down a branching axon fiber to destinations on other neurons. The ends of the fibers secrete nanosize packets of neurotransmitters that bind to receptors on the destination neuron, either stimulating or inhibiting it. Thousands of axons from other neurons may impinge on a single neuron, each capable of secreting neurotransmitter packets. The neurotransmitters combine to cause the neuron to either generate electric pulses or suppress them. Neurotransmitters may also interact in more complex ways, providing the neuron much flexibility in response to its many inputs.
Unraveling the complexities of neurotransmitters is a major focus of neurobiology research. It is the foundation for the rational design of medicines for treating depression, mania, schizophrenia, Parkinson's disease, and other mental and physical disorders of the brain. In brief, current medicines interact with specific neurotransmitter receptors on certain classes of neurons, altering the effects of a natural deficiency or excess in neurotransmitter action.
Over the past 150 years we have accumulated a significant body of knowledge relating higher brain functions, such as language, to specific areas of the brain. Much of this knowledge has come from observing individuals with brain damage, using magnetic resonance imaging (MRI) or in some cases autopsies. Many strange deficits have been observed, such as inability to recognize spoken words, the loss of color vision, loss of the sense of humor, and the inability to visualize or draw one side of the body.
Today we can even peer inside the human brain to some degree, primarily by functional MRI, which allows researchers to observe those areas of the brain that become more active while performing such ordinary activities as reading or solving simple problems. The most detailed view of all comes from electrodes placed in the brain to measure the activity of individual neurons. Though largely limited to primate brain research, we have found such astonishing entities as "mirror neurons." These neurons respond to an action such as grasping an object both when the subject does the grasping and when the subject sees another individual grasping the object. We are watching some innate capacity of the brain to imitate the action of others. Unfortunately, researchers' inability to instruct nonhuman test subjects--or to question them about their mental states--limits these studies' potential for applying the findings to humans. So we must fall back on the methods of experimental animal psychology to pose the problem and analyze the results.
It is awesome to contemplate the full complexity of the brain, tens of billions of neurons connected through literally trillions of branches acting through complex patterns of neurotransmitters. It will take many decades to learn in detail how activities at the neurotransmitter level result in the conscious activities we experience and the subconscious activities we can measure by electrodes, MRI, and other methods.
In this light, proposals to simulate the entire brain in molecular detail on a computer seem presumptuous. Proponents believe that such a simulation will produce a functioning inorganic brain. Presumably these simulations will produce numerous high-speed geniuses to simultaneously work on our most difficult problems.
A Piece of Your Mind?
Clearly, we must study in great detail the characteristics of individual neurons. The cell is the fundamental structural and functional unit of biological organisms. Thus, studies of the brain and the rest of the nervous system ultimately depend on our knowledge of its neurons. Can they be classified into a reasonable number of types? What is the molecular biology of each type, its neurotransmitters, receptors, pattern of axon branching, modes of modification, and propensity for growth?
With this information, we could identify specific neuron cell types within the brain, recording their locations and connections to other neurons. It should also become possible to isolate neuron stem cells and stimulate them to differentiate into the variety of neuron types found in the brain and peripheral nervous system. Repairing and modifying the nervous system will depend on a supply of the appropriate neurons.
We can analyze--either in vivo or in cell culture--the specific factors guiding the growth of connections from one neuron to another. Such knowledge will become vital when we try to build or rebuild neural structures in the brain and peripheral nervous system, leading to desperately needed techniques to restore severed nerves in the limbs and spinal cord. Such needs will drive research and development of new applications.
Finally, we are learning to make long-term connections between neurons and electronic circuits, two very different entities. Neurons can be grown on thin, biologically friendly films that keep the cells separate from the circuits. Each remains in its preferred environment, but they are so close that a circuit can either detect electric pulses in an adjacent neuron, or alternatively, generate an electric pulse strong enough to stimulate the neuron to fire. Simple arrays of electrodes are already used to detect neuromuscular signals generated by the shortened nerves in a severed limb and translate them to useful movements of an artificial limb attached to the stump.
Near-Term Brain Research
Given the pace of molecular biology in unraveling the genome, its controls, and the proteins it generates, we can expect to learn within the next 10 years much of what we need to describe and classify neuron types, to locate them in the embryonic and mature brain, to grow them in cell culture, and connect them with distant neurons, guiding the growth of their axons along pathways marked with biomolecules.
Progress will be slower in creating a "circuit diagram" of the brain--that is, a compendium of the pattern of connections made by the (still unknown) number of neuron groups in the brain. Identification of cell types, embryology, and genetics will speed the process, but it will probably still be somewhat fragmentary 10 years from now.
In the next decade, we still may not completely understand how the neuron "circuits" cooperate to bring about conscious and unconscious mental action, or discover exactly how the mind understands language and music or how it forms and retrieves memories. However, we should learn enough to develop better treatments for mental problems such as bipolar disorder, depression, schizophrenia, obsessive compulsive disorders, and panic attacks. We may understand neurodegenerative diseases, such as Alzheimer's, Huntington's, and Parkinson's, well enough to at least design remedies to slow their progress. Possibly we will find compounds to improve our memory, and others more potent than caffeine yet safer than amphetamines to improve our ability to concentrate.
We should also expect significant progress in the next 10 years toward repairing injuries to the nervous system, especially in the limbs and spinal cord. We will know how to stimulate severed axon and dendrite branches to re-extend themselves toward their original terminations, as well as how to stimulate actual cell division to replace neurons. We will be learning to grow more complicated neural structures with several cell types, looking toward repair and replacement of accessible structures, such as the retina of the eye. Interfacing neurons with electronic circuits will have evolved beyond the "Bionic Man" stage to micro packages that are physically unobtrusive.
Ten years from now, we will be poised to look beyond these simpler applications toward the prospect of direct neural connections to the brain. What will we be looking for? The four key areas of our pursuits will be:
1. Understanding the mind: How does our brain support a mind that lets us see, hear, move, talk, solve problems, fall in love, and develop a sense of identity?
2. Understanding consciousness: What is the physical basis in the brain for the mental sensations of consciousness that accompany such brain activity as seeing, hearing, walking, talking, acting, and the feelings of egotism, fear, pride, love, and beauty?
3. Developing existing human potential: Wherein lie the differences among such diverse individuals as Mozart, Einstein, and the Buddha? Can an individual attain some of their extraordinary powers by focused training and perhaps by stimulated growth of selected neural circuits?
4. Exploring beyond existing limits: Are the mental sensations that we experience all that there can be? Is there a whole world of completely new sensations with associated mental powers that we can explore in some rational way?
miércoles, 16 de diciembre de 2009
Mallika Sarabhai (India): Danza para cambiar al mundo
At TEDIndia, Mallika Sarabhai, a dancer/actor/politician, tells a transformative story in dance -- and argues that the arts may be the most powerful way to effect change, whether political, social or personal.
Mallika Sarabhai is a powerhouse of communication and the arts in India. Educated in business, she now leads the Darpana dance company, which works in the Bharatanatyam and Kuchipudi forms. She's also a writer, publisher, actor, producer, anchorwoman ... and all her varied forms of artistic engagement are wrapped around a deep social conscience.
Mallika Sarabhai is a powerhouse of communication and the arts in India. Educated in business, she now leads the Darpana dance company, which works in the Bharatanatyam and Kuchipudi forms. She's also a writer, publisher, actor, producer, anchorwoman ... and all her varied forms of artistic engagement are wrapped around a deep social conscience.
In the mid-1980s, she spent five years playing the lead character Draupadi in Peter Brook's Mahabharata in venues around the world. Returning to India, she entered a fertile period of choreography and creativity, starting with the dance Shakti: The Power of Women. She has founded a TV production company that produces activist programming in Gujarati, and runs Mapin, a publisher of books on art and design.
This spring, she made a run for the Lok Sabha, campaigning on a platform of social responsibility, and focusing on the problems of average people in India regardless of caste or language. She came third in her district, Gandhinagar, in Gujarat, but she has continued her campaign to promote social justice there and in the rest of India.
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