Tohtoročná Nobelova cena za fyziológiu a medicínu je vedeckým pokračovaním príbehu Henryho Molaisona, s ktorým sme sa zoznámili v minulosti (.týždeň 06/2014). Chirurg mu pre ťažkú epilepsiu odstránil kúsok tkaniva v oboch polovičkách mozgu, čím mu vyrobil nepríjemnú, ale z hľadiska vedy veľmi zaujímavú poruchu učenia a pamäti. Henry Molaison si nevedel zapamätať žiadne nové udalosti, epizódy zo svojho života. Mal teda poruchu epizodickej pamäti. Jeho lekár sa musel každý deň nanovo predstaviť, pretože Henry si zoznámenie s ním dokázal udržať v pamäti len niekoľko minút. Keď mu zomrela matka, zabudol na to, a keď mu to niekto pripomenul, prežíval smútok nanovo, akoby sa to prvýkrát dozvedel. Keď si zapamätávame udalosti, súčasťou spomienky sú nielen ľudia a predmety, ale aj miesto, kde sa udalosť odohrala. Henry Molaison si nevedel spomenúť nielen na to, čo sa odohralo, ale ani na to, kde sa to odohralo. Z toho vyplýva, že časť mozgu, o ktorú prišiel, je kľúčová pre priestorovú pamäť. A to je práve téma, za ktorej objasnenie bola Johnovi O’Keefovi a manželom May-Britt a Edvardovi Moserovcom a udelená Nobelova cena.
.morský kôň a vnútorná mapa
Oblasť mozgu, ktorá Henrymu Molaisonovi chýbala, obsahuje štruktúru s názvom hipokampus. Hipokampus bola v gréckej mytológii bytosť, ktorej predná polovica vyzerala ako kôň (hippos) a zadná polovica ako morská príšera (kampos). U človeka sa hipokampus podobá na plutvy tejto bájnej bytosti (preto ten názov).
John O’Keefe poznal prípad Henryho Molaisona a iných pacientov, a preto sa v snahe poodhaliť tajomstvo priestorovej pamäti rozhodol, že bude merať elektrické výboje práve v hipokampe potkanov. Všimol si výnimočnú vec. Niektoré bunky boli aktívne práve vtedy, keď sa potkan pri pohybe po štvorcovej miestnosti dostal na určité miesto. Napríklad jedna bunka vysielala elektrické výboje v severovýchodnom rohu miestnosti, zatiaľ čo iná bunka bola aktívna v strede miestnosti.
Bunky dostali pomenovanie lokalizačné bunky (angl. place cells). Zaujímavé bolo, že bunky neprestali signalizovať polohu potkana ani pri zmenách zmyslových vnemov, napríklad potme. O’Keefe na základe tohto zistenia a ďalších experimentov usúdil, že lokalizačné bunky vytvárajú vnútornú mapu priestoru, ktorá nie je priamo závislá od zmyslov. To bolo niečo revolučné, pretože väčšina vedcov v tej dobe vyznávala behaviorizmus a myslela si, že mozog funguje ako jednoduchý vstupno-výstupný systém, premieňajúci zmyslové vstupy na pohybové výstupy, a nie ako sofistikovaný počítač na určovanie polohy.
Johnovi O’Keefovi sa podarilo ukázať, že lokalizačné bunky nekódujú iba súčasnú polohu v priestore, ale pamätajú si aj minulé polohy, a ukladajú mapu prostredia do pamäti. Hoci ešte neexistuje priamy dôkaz, že sa podieľajú na epizodickej pamäti, je veľmi pravdepodobné, že ich odstránenie vedie k príznakom poruchy pamäti, ktoré mal Henry Molaison. Ako sa tvorí pamäťová stopa? Rozoberali sme to už minule, keď sme riešili, ako sa do mozgu zapisuje Halle Berry.
Ako sa do mozgu zapisuje priestorová mapa? Je to podobné, ako u Halle Berry. Nie je to tak, že jedna bunka reprezentuje jednu polohu alebo mapu. Jednu polohu kóduje viacero podobných lokalizačných buniek a jedna mapa je zakódovaná vo forme špecifického vzorca aktivity stoviek rôznych lokalizačných buniek. Hipokampus potkana dokáže uložiť viaceré mapy z viacerých preskúmaných prostredí. V spánku sa vzorce aktivity lokalizačných buniek znovu prehrávajú (replay) a tým zosilňujú spojenia (synapsy) medzi bunkami, čím sa upevňuje pamäťová stopa danej mapy. Ktovie, možno sa potkanom pritom sníva, že znovu behajú v prostredí, ktoré skúmali v bdelosti.
.mriežkové súradnice
Aj manželia May-Britt a Edvard Moserovci boli fascinovaní otázkou, ako nám mozog pomáha pri navigácii v priestore. Poznali objavy O’Keefa a snažili sa zistiť, s akými ďalšími bunkami spolupracujú lokalizačné bunky hipokampu. Z anatómie, ale aj z elektofyziologických meraní sa už vedelo, že hlavný vstup do hipokampu predstavuje časť mozgu, ktorá sa nachádza v blízkosti a nazýva sa entorinálna kôra. Ento znamená vnútri a rinálny znamená čuchový. (Názov je odvodený z blízkosti tzv. čuchovej ryhy.)
Práve na synaptických spojeniach medzi entorinálnou kôrou a hipokampom bolo prvýkrát objavené, že tieto spojenia je možné ich opakovanou aktiváciou zosilniť na niekoľko hodín až dní (týždeň 06/2014). Ako sme spomenuli vyššie, takéto dlhodobé zosilnenie synáps je dôležité pre ukladanie pamäťovej stopy. Ľudia hľadali priestorové bunky v entorinálnej kôre už pred Moserovcami, ale nehľadali na správnom mieste. May-Britt a Edvard boli prví, ktorí merali elektrické výboje v ťažko dostupnej časti entorinálnej kôry, ktorá leží (u potkana) viac vzadu a bližšie k stredu mozgu. Odmenou im bol nečakaný a prekvapivo pravidelný vzorec aktivity buniek.
Bunky, ktoré objavili, boli (na rozdiel od O’Keefových lokalizačných buniek) aktívne nielen na jednom mieste, cez ktoré prebehol potkan, ale na viacerých miestach. Keď vo štvorcovej miestnosti označili, na ktorom mieste daná bunka vysielala elektrické výboje, dostali veľmi pekný geometrický obrazec – mriežku, pozostávajúcu z pravidelných šesťuholníkov. Preto dostali tieto bunky názov mriežkové bunky (grid cells). Je zaujímavé, že ak chceme uložiť okrúhle útvary čo najhustejšie vedľa seba, najlepší spôsob je uložiť ich do šesťuholníkov. Zdá sa, že u mriežkových buniek mozog používa takýto úsporný spôsob ukladania informácie. Mriežkové bunky sú v miestnosti najaktívnejšie, keď sa potkan priblíži k bodom tvoriacim šesťuholníkovú mriežku. Mriežky rôznych buniek sú však navzájom posunuté, takže rôzne bunky kódujú (pokrývajú) rôzne časti miestnosti. Navyše, pre niektoré mriežkové bunky sú typické malé rozostupy medzi bodmi mriežky a pre iné zase veľké rozostupy. To znamená, že mriežkové bunky dokážu kódovať malé, ale aj väčšie plochy, ktoré potkan preskúmal. Body mriežky sú niečo ako súradnice (zemepisná dĺžka a šírka), ktoré zvieraťu umožňujú zmapovať prostredie a odmerať prejdené vzdialenosti.
.mozgový kompas a Kant
GPS v mozgu má pri navigácii k dispozícii nielen lokalizačné a mriežkové, ale aj ďalšie typy buniek. V entorinálnej kôre a v priľahlých oblastiach boli objavené bunky, ktoré sú aktívne pri určitej orientácii hlavy potkana. Napríklad vždy, keď sa potkan otočí juhovýchodným smerom, zvýšia svoju elektrickú aktivitu. Podľa toho sa nazývajú bunkami pre smer hlavy (angl. head direction cells) a fungujú podobne ako kompas. Iné bunky, nazývané hraničné bunky (angl. boundary cells), zase svojou zvýšenou aktivitou kódujú steny a hranice. Ak vložíme do stredu štvorcovej miestnosti pozdĺžnu prekážku, hraničná bunka napríklad vysiela elektrické výboje vždy, keď sa potkan pohybuje v blízkosti severnej strany prekážky, ale tiež v blízkosti severnej strany južnej steny. Takže potkan je výborne vybavený na to, aby sa dostal z bodu A do bodu B, a zároveň spočítal súradnice, kde vlastne je a ako sa má vrátiť najkratšou cestou naspäť. Takýto výpočet nie je jednoduchý, a v navigácii sa nazýva spočítanie alebo integrácia cesty (angl. path integration). Lokalizačné bunky hovoria zvieraťu, kde je, bunky pre smer hlavy mu povedia, ktorým smerom ide, mriežkové bunky zmerajú prejdené vzdialenosti a hraničné bunky mu pomôžu vyhnúť sa prekážkam. A to všetko dokáže zviera aj spamäti a bez priamej pomoci zmyslov.
Immanuel Kant bol presvedčený, že pojem priestoru je nám vrodený a nezískavame ho zo zmyslovej skúsenosti (empírie). Priestor podľa neho patrí k pojmom, ktoré máme a priori. Je zaujímavé, že bunky pre smer hlavy sú u mladého potkana úplne vyvinuté už v 3. týždni, keď ešte nemal skúsenosť s prehľadávaním väčšieho priestoru. Niektorí to považujú za neurovedecké potvrdenie Kantovej tézy. Aj keď je pozoruhodné, že dnes začíname niektoré filozofické názory testovať experimentálne, je predčasné dávať v prípade priestoru za pravdu Kantovi. Skúmanie vývinu GPS mechanizmov v mozgu je ešte len v plienkach, a veľa otázok je stále otvorených.
.zaslúži si GPS v mozgu Nobelovu cenu?
Objavy O’Keefa a Moserovcov sú prelomové, pretože navigácia v priestore je vďaka nim prvým prípadom vyššej mozgovej funkcie, ktorú chápeme na úrovni konkrétnych bunkových mechanizmov. Je výnimočné, že ich výskum spojil dve odlišné úrovne – správanie buniek a správanie celého organizmu. Existujú už aj prvé štúdie molekulárnych mechanizmov, ktoré prispievajú k správnej funkcii lokalizačných a mriežkových buniek. Asi nikde inde v neurovede neexistuje také úzke prepojenie výskumu molekúl, buniek, sietí buniek a správania organizmu.
Výskum GPS mechanizmov v mozgu zatiaľ nepriniesol žiadne praktické aplikácie pre medicínu. Umožňuje nám však lepšie rozumieť tomu, ako vznikajú príznaky u pacientov s Alzheimerovou chorobou. Hipokampus a entorinálna kôra patria k prvým oblastiam, ktoré sú týmto ochorením postihnuté. Nie je preto prekvapujúce, že pacienti majú často problémy s orientáciou v priestore. Porozumenie tomu, ako fungujú zdravé bunky, možno povedie k účinnej terapii postihnutých buniek. Nahradenie poškodenej entorinálnej kôry a hipokampu protézou je zatiaľ science-fiction. Odhalenie princípov fungovania zdravých častí mozgu je však prvým nevyhnutným krokom týmto smerom.
.autor skúma hipokampus na Goetheho univerzite vo Frankfurte.
.morský kôň a vnútorná mapa
Oblasť mozgu, ktorá Henrymu Molaisonovi chýbala, obsahuje štruktúru s názvom hipokampus. Hipokampus bola v gréckej mytológii bytosť, ktorej predná polovica vyzerala ako kôň (hippos) a zadná polovica ako morská príšera (kampos). U človeka sa hipokampus podobá na plutvy tejto bájnej bytosti (preto ten názov).
John O’Keefe poznal prípad Henryho Molaisona a iných pacientov, a preto sa v snahe poodhaliť tajomstvo priestorovej pamäti rozhodol, že bude merať elektrické výboje práve v hipokampe potkanov. Všimol si výnimočnú vec. Niektoré bunky boli aktívne práve vtedy, keď sa potkan pri pohybe po štvorcovej miestnosti dostal na určité miesto. Napríklad jedna bunka vysielala elektrické výboje v severovýchodnom rohu miestnosti, zatiaľ čo iná bunka bola aktívna v strede miestnosti.
Bunky dostali pomenovanie lokalizačné bunky (angl. place cells). Zaujímavé bolo, že bunky neprestali signalizovať polohu potkana ani pri zmenách zmyslových vnemov, napríklad potme. O’Keefe na základe tohto zistenia a ďalších experimentov usúdil, že lokalizačné bunky vytvárajú vnútornú mapu priestoru, ktorá nie je priamo závislá od zmyslov. To bolo niečo revolučné, pretože väčšina vedcov v tej dobe vyznávala behaviorizmus a myslela si, že mozog funguje ako jednoduchý vstupno-výstupný systém, premieňajúci zmyslové vstupy na pohybové výstupy, a nie ako sofistikovaný počítač na určovanie polohy.
Johnovi O’Keefovi sa podarilo ukázať, že lokalizačné bunky nekódujú iba súčasnú polohu v priestore, ale pamätajú si aj minulé polohy, a ukladajú mapu prostredia do pamäti. Hoci ešte neexistuje priamy dôkaz, že sa podieľajú na epizodickej pamäti, je veľmi pravdepodobné, že ich odstránenie vedie k príznakom poruchy pamäti, ktoré mal Henry Molaison. Ako sa tvorí pamäťová stopa? Rozoberali sme to už minule, keď sme riešili, ako sa do mozgu zapisuje Halle Berry.
Ako sa do mozgu zapisuje priestorová mapa? Je to podobné, ako u Halle Berry. Nie je to tak, že jedna bunka reprezentuje jednu polohu alebo mapu. Jednu polohu kóduje viacero podobných lokalizačných buniek a jedna mapa je zakódovaná vo forme špecifického vzorca aktivity stoviek rôznych lokalizačných buniek. Hipokampus potkana dokáže uložiť viaceré mapy z viacerých preskúmaných prostredí. V spánku sa vzorce aktivity lokalizačných buniek znovu prehrávajú (replay) a tým zosilňujú spojenia (synapsy) medzi bunkami, čím sa upevňuje pamäťová stopa danej mapy. Ktovie, možno sa potkanom pritom sníva, že znovu behajú v prostredí, ktoré skúmali v bdelosti.
.mriežkové súradnice
Aj manželia May-Britt a Edvard Moserovci boli fascinovaní otázkou, ako nám mozog pomáha pri navigácii v priestore. Poznali objavy O’Keefa a snažili sa zistiť, s akými ďalšími bunkami spolupracujú lokalizačné bunky hipokampu. Z anatómie, ale aj z elektofyziologických meraní sa už vedelo, že hlavný vstup do hipokampu predstavuje časť mozgu, ktorá sa nachádza v blízkosti a nazýva sa entorinálna kôra. Ento znamená vnútri a rinálny znamená čuchový. (Názov je odvodený z blízkosti tzv. čuchovej ryhy.)
Práve na synaptických spojeniach medzi entorinálnou kôrou a hipokampom bolo prvýkrát objavené, že tieto spojenia je možné ich opakovanou aktiváciou zosilniť na niekoľko hodín až dní (týždeň 06/2014). Ako sme spomenuli vyššie, takéto dlhodobé zosilnenie synáps je dôležité pre ukladanie pamäťovej stopy. Ľudia hľadali priestorové bunky v entorinálnej kôre už pred Moserovcami, ale nehľadali na správnom mieste. May-Britt a Edvard boli prví, ktorí merali elektrické výboje v ťažko dostupnej časti entorinálnej kôry, ktorá leží (u potkana) viac vzadu a bližšie k stredu mozgu. Odmenou im bol nečakaný a prekvapivo pravidelný vzorec aktivity buniek.
Bunky, ktoré objavili, boli (na rozdiel od O’Keefových lokalizačných buniek) aktívne nielen na jednom mieste, cez ktoré prebehol potkan, ale na viacerých miestach. Keď vo štvorcovej miestnosti označili, na ktorom mieste daná bunka vysielala elektrické výboje, dostali veľmi pekný geometrický obrazec – mriežku, pozostávajúcu z pravidelných šesťuholníkov. Preto dostali tieto bunky názov mriežkové bunky (grid cells). Je zaujímavé, že ak chceme uložiť okrúhle útvary čo najhustejšie vedľa seba, najlepší spôsob je uložiť ich do šesťuholníkov. Zdá sa, že u mriežkových buniek mozog používa takýto úsporný spôsob ukladania informácie. Mriežkové bunky sú v miestnosti najaktívnejšie, keď sa potkan priblíži k bodom tvoriacim šesťuholníkovú mriežku. Mriežky rôznych buniek sú však navzájom posunuté, takže rôzne bunky kódujú (pokrývajú) rôzne časti miestnosti. Navyše, pre niektoré mriežkové bunky sú typické malé rozostupy medzi bodmi mriežky a pre iné zase veľké rozostupy. To znamená, že mriežkové bunky dokážu kódovať malé, ale aj väčšie plochy, ktoré potkan preskúmal. Body mriežky sú niečo ako súradnice (zemepisná dĺžka a šírka), ktoré zvieraťu umožňujú zmapovať prostredie a odmerať prejdené vzdialenosti.
.mozgový kompas a Kant
GPS v mozgu má pri navigácii k dispozícii nielen lokalizačné a mriežkové, ale aj ďalšie typy buniek. V entorinálnej kôre a v priľahlých oblastiach boli objavené bunky, ktoré sú aktívne pri určitej orientácii hlavy potkana. Napríklad vždy, keď sa potkan otočí juhovýchodným smerom, zvýšia svoju elektrickú aktivitu. Podľa toho sa nazývajú bunkami pre smer hlavy (angl. head direction cells) a fungujú podobne ako kompas. Iné bunky, nazývané hraničné bunky (angl. boundary cells), zase svojou zvýšenou aktivitou kódujú steny a hranice. Ak vložíme do stredu štvorcovej miestnosti pozdĺžnu prekážku, hraničná bunka napríklad vysiela elektrické výboje vždy, keď sa potkan pohybuje v blízkosti severnej strany prekážky, ale tiež v blízkosti severnej strany južnej steny. Takže potkan je výborne vybavený na to, aby sa dostal z bodu A do bodu B, a zároveň spočítal súradnice, kde vlastne je a ako sa má vrátiť najkratšou cestou naspäť. Takýto výpočet nie je jednoduchý, a v navigácii sa nazýva spočítanie alebo integrácia cesty (angl. path integration). Lokalizačné bunky hovoria zvieraťu, kde je, bunky pre smer hlavy mu povedia, ktorým smerom ide, mriežkové bunky zmerajú prejdené vzdialenosti a hraničné bunky mu pomôžu vyhnúť sa prekážkam. A to všetko dokáže zviera aj spamäti a bez priamej pomoci zmyslov.
Immanuel Kant bol presvedčený, že pojem priestoru je nám vrodený a nezískavame ho zo zmyslovej skúsenosti (empírie). Priestor podľa neho patrí k pojmom, ktoré máme a priori. Je zaujímavé, že bunky pre smer hlavy sú u mladého potkana úplne vyvinuté už v 3. týždni, keď ešte nemal skúsenosť s prehľadávaním väčšieho priestoru. Niektorí to považujú za neurovedecké potvrdenie Kantovej tézy. Aj keď je pozoruhodné, že dnes začíname niektoré filozofické názory testovať experimentálne, je predčasné dávať v prípade priestoru za pravdu Kantovi. Skúmanie vývinu GPS mechanizmov v mozgu je ešte len v plienkach, a veľa otázok je stále otvorených.
.zaslúži si GPS v mozgu Nobelovu cenu?
Objavy O’Keefa a Moserovcov sú prelomové, pretože navigácia v priestore je vďaka nim prvým prípadom vyššej mozgovej funkcie, ktorú chápeme na úrovni konkrétnych bunkových mechanizmov. Je výnimočné, že ich výskum spojil dve odlišné úrovne – správanie buniek a správanie celého organizmu. Existujú už aj prvé štúdie molekulárnych mechanizmov, ktoré prispievajú k správnej funkcii lokalizačných a mriežkových buniek. Asi nikde inde v neurovede neexistuje také úzke prepojenie výskumu molekúl, buniek, sietí buniek a správania organizmu.
Výskum GPS mechanizmov v mozgu zatiaľ nepriniesol žiadne praktické aplikácie pre medicínu. Umožňuje nám však lepšie rozumieť tomu, ako vznikajú príznaky u pacientov s Alzheimerovou chorobou. Hipokampus a entorinálna kôra patria k prvým oblastiam, ktoré sú týmto ochorením postihnuté. Nie je preto prekvapujúce, že pacienti majú často problémy s orientáciou v priestore. Porozumenie tomu, ako fungujú zdravé bunky, možno povedie k účinnej terapii postihnutých buniek. Nahradenie poškodenej entorinálnej kôry a hipokampu protézou je zatiaľ science-fiction. Odhalenie princípov fungovania zdravých častí mozgu je však prvým nevyhnutným krokom týmto smerom.
.autor skúma hipokampus na Goetheho univerzite vo Frankfurte.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.