Szczury, Kant i neurony - czyli skąd mózg wie, gdzie jest

W latach 70. XX wieku naukowcy ze Stanów Zjednoczonych rozpoczęli prace nad stworzeniem innowacyjnego systemu, który miał pozwolić na precyzyjne określenie pozycji w każdym miejscu na świecie. Wszelkie dotychczasowe sposoby nawigacji miały odtąd odejść do lamusa jako przestarzałe i zawodne. Dzięki pomiarowi odległości od kilku punktów orientacyjnych zawieszonych 20 tys. km nad powierzchnią Ziemi można obecnie ustalić położenie obiektu, a nawet jego ruch na cyfrowej mapie świata, niezależnie od tego, z jaką prędkością się on porusza. Cóż za niesamowity, nowoczesny wynalazek, prawda? Tylko że ewolucja wpadła na podobny pomysł już dawno - setki milionów lat temu.

Filozoficzna przestrzeń

Może nie zdajemy sobie z tego sprawy, ale zdolność do ustalania swojej pozycji w przestrzeni oraz do wytyczania trasy, którą będziemy się poruszać, aby dotrzeć do określonego celu jest niezwykle istotna dla przetrwania pojedynczych osobników, a w konsekwencji – też całego gatunku. Przez wieki filozofów niespecjalnie interesowało, jak radzą sobie z tym zwierzęta. Co innego, jeśli chodzi o człowieka. W XVII i XVIII wieku trwał spór pomiędzy zwolennikami dwóch poglądów. Według empirystów orientacja przestrzenna była możliwa jedynie dzięki obserwacji otoczenia i zapamiętywaniu jego charakterystycznych elementów. Pewną lukę w tym rozumowaniu stanowił fakt, że osoby niewidome od urodzenia często radzą sobie całkiem dobrze mimo niemożności zobaczenia tych punktów orientacyjnych, choć sugerowano, że funkcję pełnioną normalnie przez wzrok mogą przejmować u nich inne zmysły. Nie zgadzał się z nimi słynny Immanuel Kant, który był zdania, że w ludzkim umyśle istnieje wrodzone wyobrażenie przestrzeni, jej swoista idea niezależna od zdobytych doświadczeń, i to właśnie dzięki niej jesteśmy w stanie sprawnie poruszać się po rzeczywistym świecie.

Jeszcze długo potem pojmowanie przestrzeni przez ludzki umysł zajmowało raczej filozofów niż naukowców. Dopiero w latach 30. XX wieku zainteresowano się tym, jak właściwie szczury uczą się przechodzić przez labirynt. Amerykański psycholog Edward Tolman doszedł do wniosku, że w mózgach zwierząt musi powstawać swego rodzaju mapa kognitywna, która pozwala im orientować się w położeniu kolejnych zakrętów i przeszkód. Wciąż jednak nie istniały narzędzia, które pozwoliłyby przeanalizować jej tworzenie się czy funkcjonowanie.

Mapa w hipokampie

Sprzęt, za pomocą którego można było badać aktywność pojedynczych neuronów był już dostępny w latach 60. XX wieku, kiedy profesor John O’Keefe zaczął przyglądać się aktywności szczurzego hipokampa. Nieprzypadkowo wytypował tę właśnie strukturę jako nośnik “mózgowej mapy”. Było już bowiem wówczas wiadomo, że to właśnie ona odpowiada za pamięć długotrwałą. Żywym potwierdzeniem tego faktu był choćby słynny pacjent H.M., u którego z powodu ciężkich ataków padaczki dokonano w 1953 roku chirurgicznego usunięcia części płatów skroniowych wraz z obydwoma hipokampami. Od tego czasu nie był on w stanie zapamiętać żadnego faktu. Przeżył tak ponad 50 lat, stanowiąc obiekt zainteresowania naukowców i dostarczając licznych danych na temat działania ludzkiej pamięci i innych funkcji poznawczych.

Szczury profesora O’Keefe’a poruszały się swobodnie po określonej powierzchni, zaś do poszczególnych neuronów w ich hipokampach podłączone były mikroelektrody. Okazało się, że niektóre z tych komórek stawały się aktywne jedynie wówczas, gdy zwierzęta znalazły się w konkretnym miejscu. Naukowiec udowodnił, że ich pobudzenie nie jest wynikiem odbierania innych bodźców – nie miało na nie wpływu obracanie platformy (w celu sprawdzenia czy zwierzęta nie kierują się śladami zapachowymi), włączanie lub wyłączanie pracujących w pomieszczeniu urządzeń generujących szum, przyciemnianie światła czy zasłanianie części pola widzenia. Dopiero gdy usunięto zasłonę, która ograniczała pole poruszania się szczurów po platformie, neurony zaczęły pracować inaczej, a zwierzęta zachowywały się tak, jakby znalazły się w całkowicie nowym środowisku. Na tej podstawie O’Keefe wysunął hipotezę, że w hipokampie tworzone są mapy otaczającej przestrzeni, a komórki, które biorą w tym udział nazwał “neuronami miejsca”.

Punkty i sieci

Jednak za orientację w przestrzeni odpowiada nie tylko hipokamp. Gdyby tak było, wspomniany już pacjent H.M. nie byłby w stanie naszkicować planu sytuacyjnego sześciopokojowego domu, do którego przeniósł się wraz z rodzicami kilka lat po operacji. Fakt, że było to dla niego wykonalne, świadczy jednak o tym, że podczas poruszania się po danej przestrzeni jej mapa tworzy się także w innych regionach mózgu.

W pierwszym dziesięcioleciu XXI wieku May-Britt i Edvard Moserowie, małżeństwo i jednocześnie współpracownicy naukowi, prowadzili badania właśnie nad tym tematem. Odkryli oni, że można zahamować aktywność neuronów miejsca, jeśli zablokuje się sygnały przekazywane do hipokampa za pośrednictwem kory śródwęchowej. Zaczęli więc poszukiwać w obrębie tej struktury komórek pełniących podobne funkcje. Istotnie, udało im się znaleźć neurony, których pobudzenie następowało wówczas, gdy szczur znajdował się w konkretnym miejscu. Jednak w przeciwieństwie do komórek badanych przez O’Keefe’a, wydawały się one odpowiadać kilku różnym punktom w przestrzeni.

Moserowie postanowili bliżej przyjrzeć się aktywności tych neuronów. Rozsypując po klatce okruszki czekolady, zachęcili szczury do przemieszczania się i obserwowali reakcję ich kory śródwęchowej na ekranie, gdzie pobudzenie poszczególnych neuronów zapisywane było w postaci jasnych punktów. Stwierdzili, że ewidentnie układają się one w jakiś wzór, jednak jego identyfikacja stała się możliwa dopiero, gdy zwierzętom pozwolono poruszać się po większej powierzchni. Utworzyły one wówczas regularną strukturę, której sześciokątne elementy przypominały plastry miodu. Oczywistym skojarzeniem była w tym momencie tzw. sieć triangulacyjna, opracowywana przez geodetów na podstawie punktów o dokładnie wyznaczonym położeniu i służąca do wykonywania dokładnych pomiarów odległości. Dlatego też naukowcy nazwali budujące ją komórki “neuronami sieci”. Podobnie jak te odkryte przez O’Keefe’a, aktywowały się niezależnie od oświetlenia czy kierunku, w którym akurat przemieszczały się szczury.

Więcej sprzętu

Dalsze badania umożliwiły Moserom zidentyfikowanie w korze śródwęchowej jeszcze innych neuronów biorących udział w orientacji przestrzennej. Jednymi z ich rodzajów są “neurony granicy”, które uaktywniają się, gdy szczury zbliżają się do przeszkody oraz “neurony szybkości”, których pobudzenie jest tym silniejsze, im szybciej zwierzę się porusza (wygląda więc na to, że wynalazcy prędkościomierza i czujnika parkowania w samochodach jedynie naśladowali to, co ewolucja wymyśliła dawno temu). Istnieją także “neurony kierunku głowy” reagujące, jak wskazuje nazwa, gdy obróci się głowę w konkretnym kierunku. Te wprawdzie zostały odkryte już w latach 80. XX wieku, ale ostatnie badania pozwalają lepiej zrozumieć ich rolę w złożonym mózgowym systemie nawigacji.

W 2014 roku Instytut Karolinska zdecydował o nagrodzeniu Moserów i O’Keefe’a Nagrodą Nobla z dziedziny fizjologii lub medycyny. Pominięto przy tym Jeffery’a Taube’a, który dokładnie zbadał neurony kierunku głowy, ponieważ tym prestiżowym wyróżnieniem mogą podzielić się maksymalnie trzy osoby. Bardzo dużym nietaktem byłoby, gdyby pominięto pana lub panią Moser, a oni w swoich badaniach zainspirowali się odkryciami O’Keefe’a. Tak więc wykluczony został Taube, ale o jego roli mimo wszystko należy pamiętać.

Fakt, że naukowiec otrzymał nagrodę Nobla nie oznacza, że prace badawcze w danym temacie zostały definitywnie zakończone. Tak samo było w przypadku “mózgowego GPS-u”. W trzy lata po uhonorowaniu Moserów i O’Keefe’a odkryto kolejny element tego złożonego systemu nawigacji. Naukowcy z międzynarodowego zespołu kierowanego przez Jeroena Bosa obserwowali aktywność hipokampa i kory śródwęchowej, a także sąsiadujących z nimi regionów kory mózgu, u szczurów wpuszczonych do specjalnego labiryntu. Składał się on z dwóch pętli połączonych na środku tak, że całość przypominała ósemkę.

Badacze słusznie nie ograniczyli się jedynie do znanych już elementów związanych z orientacją w przestrzeni. Okazało się bowiem, że w obrębie kory okołowęchowej – leżącej tuż przy śródwęchowej – neurony także wykazały pewien ciekawy wzorzec. Poszczególne komórki były aktywne jedynie w momencie, gdy zwierzęta znalazły się w konkretnym ramieniu (pętli) labiryntu. Ponieważ obszar powodujący ich pobudzenie była większy niż w przypadku neuronów miejsca i sieci, komórki te otrzymały nieformalną nazwę “neuronów sąsiedztwa”.

Integracja i orientacja

Jak mózg korzysta ze swojego systemu GPS? Tak do końca nie wiadomo. Właściwie dotyczy to chyba wszystkich złożonych funkcji ośrodkowego układu nerwowego. Jostein Gaarder (autor “Świata Zofii”) napisał kiedyś świetnie oddające to słowa: “gdyby ludzki mózg był tak prosty, że moglibyśmy go zrozumieć, bylibyśmy wtedy tak głupi, że nie zrozumielibyśmy go i tak”. Co oczywiście nie znaczy, że nie powinniśmy zrobić wszystkiego, żeby spróbować go zrozumieć.

O’Keefe doszedł do wniosku, że komórki miejsca komunikują się ze sobą poprzez zmiany zachodzące w rytmie wytwarzanych przez nie fal mózgowych theta i nazwał to zjawisko “precesją fazy theta”. Później podobny system wykryto też w neuronach sieci. Nie wiadomo na razie, jak to wygląda w przypadku komórek sąsiedztwa, ale skoro dwa systemy wykorzystują ten mechanizm, dlaczego nie miałby go używać też ten trzeci? Wiadomo jednak, że hipokamp otrzymuje impulsy od kory śródwęchowej i okołowęchowej.

Można wyobrazić sobie, że mózg ustala nasze położenie w przestrzeni (na swojej wewnętrznej mapie) podobnie jak my, kiedy szukamy czegoś na planie miasta. Znając dokładny adres, np. Klonowa 10, zazwyczaj postępujemy określonym porządku. Po pierwsze, znajdujemy kilka głównych punktów orientacyjnych, w stosunku do których będziemy określać ogólne położenie wszystkich elementów w przestrzeni – tak jak neurony kierunku głowy. Następnie szukamy dzielnicy, do której należy nasza ulica i to właśnie jest odpowiednik działania komórek sąsiedztwa. Komórki sieci pomagają znaleźć główne trasy, po których powinniśmy się poruszać, aby do niej dotrzeć. Gdy już zaś lokalizujemy konkretny budynek, używamy neuronów miejsca. Co ciekawe, skala, jaką posługuje się mózg zależy od przestrzeni, w jakiej się poruszamy (dlatego Moserowie początkowo mieli problem z dostrzeżeniem wzoru tworzonego przez szczurze neurony). Konkretne “miejsce” dla pojedynczego neuronu miejsca prawdopodobnie też może mieć większą powierzchnię na stadionie piłkarskim niż w przytulnym pokoiku.

Oczywiście, im częściej znajdujemy się w danej przestrzeni, tym lepsza jej mapa zapisuje się w mózgu. Dlatego po każdym pokoju we własnym mieszkaniu możemy sprawnie poruszać się nawet wtedy, kiedy w nocy wysiądzie prąd. Pod warunkiem, oczywiście, że nie zrobimy przemeblowania. Przestawienie mebli nawet w dzień, przy jasnym świetle powoduje na początku pewną konfuzję. Wynika to ze zmiany ustawienia punktów orientacyjnych, które wcześniej wybrały sobie neurony kierunku głowy i zmusza część część mózgowego GPS-u do zaktualizowania danych. Ciekawe jest też to, że mózgowe mapy obejmują tylko ten wycinek przestrzeni, w którym obecnie się znajdujemy – czyli np. konkretne pomieszczenie. Kiedy przejdziemy do innego pokoju, mózg natychmiast “przełączy” się na inną mapę, trochę tak, jakby przerzucał strony w atlasie samochodowym. Dzięki temu nie ma potrzeby tworzenia jednej wielkiej mapy całego zwiedzonego przez nas świata, w której konkretny neuron miejsca odpowiadałby np. krzesłu przy końcu kuchennego stołu w domu u babci na wsi. Poszczególne komórki mogą więc odpowiadać różnym punktom w przestrzeni, tak samo jak w atlasie po przekręceniu strony na tym samym fragmencie kartki pojawiają się różne ulice. W przeciwnym razie nasza wewnętrzna mapa musiałaby przypominać ogromną płachtę. W trakcie jazdy samochodem trudno byłoby się nam posługiwać takim formatem, zapewne podobne problemy miałby nasz mózg. Znacznie łatwiej jest po prostu przenieść się na nową stronę atlasu w formie książki.

Nawigacja po wspomnieniach

Osobie niezorientowanej w budowie i ewolucji ośrodkowego układu nerwowego może wydawać się dziwne, że zarówno wspomnienia, jak i orientacja w przestrzeni zależne są od części mózgu, która – przynajmniej z nazwy – związana jest ze zmysłem węchu. Ma to jednak głęboki sens, ale żeby go zrozumieć, musimy cofnąć się do czasów pierwszych kręgowców (i pierwszych mózgów). Wówczas bardzo ważny był dla nich zmysł węchu, który pozwalał zidentyfikować pokarm, partnerów i wrogów. Struktury służące do jego przetwarzania pojawiły się bardzo wcześnie, nawet wcześniej niż wzgórze, które przeprowadza niejako wstępną obróbkę danych z narządów zmysłów, jeszcze zanim trafią one do odpowiednich fragmentów kory mózgu. Świadczy o tym fakt, że informacje o bodźcach zapachowych jako jedyne omijają tę “rozdzielnię” i podążają wprost do kory węchowej znajdującej się w hipokampie. Równie ważna była (i dalej jest) zdolność ogarnięcia otaczającej przestrzeni oraz zapamiętania, w których miejscach można coś zjeść, a w które lepiej się nie zapuszczać. Wygląda na to, że bardzo dobrze radziły sobie z tym struktury, które w toku ewolucji stały się imponującym rozmiarami ludzkim kresomózgowiem, składającym się głównie z kory nowej. Ich pozostałości określamy obecnie jako węchomózgowie i hipokamp. Razem z innymi strukturami, których działanie jest całkowicie automatyczne i niezależne od naszej woli, kontrolują m.in. emocje, ale również pamięć długotrwałą i właśnie orientację w przestrzeni.

Tak naprawdę nie wiadomo, kto pierwszy zauważył, że poruszanie się w przestrzeni i pamięć w pewien sposób łączą się ze sobą. W pewien sposób rozumiano to już w starożytnym Rzymie. Tamtejsi wybitni mówcy stosowali ciekawą mnemotechnikę, dzięki której zapamiętywali, co i kiedy mają powiedzieć podczas swojego wystąpienia: kojarzyli poszczególne punkty przemowy z kolejnymi punktami orientacyjnymi na jakiejś dobrze sobie znanej trasie. Dzięki temu przywołanie odpowiedniego wspomnienia pomagało im przypomnieć sobie to, co mieli powiedzieć. Co jeszcze ciekawsze, tę samą metodę stosował Sołomon Szereszewski, rosyjski dziennikarz znany ze swojej fenomenalnej pamięci. Potrafił bezbłędnie powtórzyć ciągi kilkudziesięciu liczb i to nie tylko od pierwszej do ostatniej, ale także od tyłu, przeskakując co drugą i w różnych innych konfiguracjach. Zapytany jak to robi, odpowiadał, że podczas zapamiętywania wyobraża sobie, że idzie drogą i rozkłada poszczególne cyfry w różnych miejscach. Kiedy chce je sobie przypomnieć, wystarczy, że znów przejdzie się tą samą trasą. Jeśli zaś ma powtórzyć je od tyłu, po prostu zaczyna swoją “wycieczkę” od końca. Czasem zdarzyło mu się pominąć któreś elementy ze skomplikowanych ciągów znaków. Tłumaczył to tym, że umieścił je w ciemnym zaułku i nie udało mu się później ich zauważyć.

W tym miejscu warto wspomnieć też o taksówkarzach z Londynu. Zanim zaczną pracę, przechodzą bardzo intensywne szkolenie, które trwa dwa lata i podczas którego muszą poznać na wylot wszystkie ulice miasta. Zadania tego nie ułatwia fakt, że ich układ, zwłaszcza w centrum, należy do najbardziej skomplikowanych na świecie. Konieczność płynnego poruszania się po nich sprawia, że hipokampy taksówkarzy rosną do ponadprzeciętnych rozmiarów (dla wyjaśnienia: hipokamp to prawdopodobnie jedyne miejsce w mózgu dorosłego człowieka, w którym wciąż zachodzi proces neurogenezy, czyli powstawania nowych komórek nerwowych). Udowodniły to wyniki badań przeprowadzonych przy udziale naukowca polskiego pochodzenia, Richarda Frackowiaka. Struktury te u przedstawicieli tej grupy zawodowej były większe nie tylko niż u przeciętnych mieszkańców Londynu, ale przewyższały także te znajdujące się u kierowców autobusów. Co więcej, u taksówkarzy z długoletnim stażem hipokampy były większe niż u tych, którzy dopiero rozpoczynali pracę.

Łatwo więc wyobrazić sobie dramat doświadczonego kierowcy londyńskiej taksówki, który doznał uszkodzeń w tym właśnie obszarze mózgu. Choć wciąż był w stanie poruszać się po mieście, nie mógł już pracować w swoim zawodzie. Dlaczego? Jego orientacja opierała się później właściwie tylko na głównych arteriach. Gdy więc wjeżdżał w mniejsze uliczki, miał ogromne problemy z odnalezieniem drogi. Podobnych objawów doznają osoby z chorobą Alzheimera, gdyż w przebiegu tego schorzenia właśnie w obrębie hipokampa pojawiają się najbardziej dramatyczne zmiany.

Dalsze perspektywy

Oczywiście, wszystko to, co obecnie wiemy na temat tego, jak mózg orientuje się w przestrzeni i odnajduje drogę do celu, to jedynie ogólny zarys niezwykle skomplikowanego systemu. Naukowców czeka jeszcze wiele pracy, zanim uda im się wyjaśnić, jak poszczególne neurony współpracują ze sobą i jak dokładnie proces ten wygląda u ludzi. Należy też odpowiedzieć na pytanie jak ma się pamięć przestrzenna do innych rodzajów pamięci. No i czy uda się wykorzystać zdobyte informacje, aby poprawić los osób, które cierpią z powodu różnego rodzaju otępienia.