Więcej

    Mapa przestrzeni w hipokampie

    John O’Keefe oraz Maj-Britt i Edvard Moser – tegoroczni laureaci Nagrody Nobla odkryli, w jaki sposób komórki mózgowe odpowiadają za system orientacji w przestrzeni.

    Skąd mamy wiedzieć, gdzie jesteśmy? W jaki sposób znajdujemy drogę z jednego miejsca do drugiego? Jak możemy przechowywać informacje o naszym położeniu i co umożliwia nam wybór właściwej drogi, kiedy następnym razem podążamy tą samą trasą? Tegoroczni laureaci Nagrody Nobla odkryli wewnętrzny system pozycjonowania mózgu, wykazując podstawę komórkową do wyższych funkcji poznawczych.

    Jak postrzegamy świat?

    Poczucie miejsca i zdolność do poruszania się, są podstawą naszego istnienia umożliwiając nam postrzeganie naszej pozycji w środowisku. Podczas nawigacji, poczucie miejsca jest powiązane z poczuciem dystansu, który z kolei opiera się na ruchu i znajomości poprzednich pozycji.

    Przez setki lat, pytania na temat, jak ludzie rozumieją swoją lokalizację w otoczeniu i jak rozwijają poczucie odległości, intrygowały zarówno naukowców, jak i filozofów. Ponad 200 lat temu niemiecki filozof Immanuel Kant twierdził, że istnieją pewne wrodzone zdolności umysłowe, niezależne od doświadczenia. Uważał, że pojęcie przestrzeni jest wypadkową wbudowanych zasad umysłu, dzięki którym świat jest i musi być postrzegany. Dopiero postęp w dziedzinach psychologii behawioralnej i neurologii w połowie XX wieku, pozwolił naukowcom poszukiwać odpowiedzi na swoje pytania doświadczalnie.

    Kiedy Edward C. Tolman, psycholog amerykański i twórca koncepcji behawioryzmu celowościowego, badał szczury przechodzące przez labirynty, okazało się, że po pewnym czasie same odnajdują drogę. Tolman uznał, że to formująca się „mapa poznawcza” pozwoliła im trafiać do celu. Jednak pytanie: jak taka mapa jest reprezentowana w mózgu, pozostawało bez odpowiedzi…

    Badania na szczurach

    John O’Keefe, amerykańsko-brytyjski neurobiolog z University College w Londynie, był zafascynowany problemem, w jaki sposób mózg kontroluje zachowanie. Pod koniec 1960 roku postanowił zmierzyć się z tym pytaniem opierając swoje badania na neurofizjologii. Podczas rejestracji sygnałów z pojedynczych komórek nerwowych części mózgu, zwanej hipokampem, u szczurów przemieszczających się swobodnie w pomieszczeniu O’Keefe odkrył, że niektóre komórki nerwowe są aktywowane, gdy zwierzę napotyka na szczególne miejsce w środowisku. Inne komórki były aktywowane, gdy szczur był w innych miejscach. W ten sposób udało mu się wykazać, że komórki te nie tylko rejestrują miejsce w oparciu o informację wizualną, ale też budowały wewnętrzną mapę otoczenia.

    O’Keefe stwierdził, że hipokamp generuje liczne mapy, reprezentowane jako miejsca zbiorowej aktywności komórek, które następnie są aktywowane w różnych środowiskach. Dlatego też pamięć o środowisku może być przechowywana jako specyficzna kombinacja działania „komórek miejsca” w hipokampie. Praca O’Keefe otworzyła zupełnie nowe pole badań nad rolą hipokampu w budowaniu szlaków pamięciowych.

    Fascynacja neurofizjologią

    Od czasu odkryć Johna O’Keefe opisano wiele innych połączeń neuronalnych związanych z nawigacją – odpowiadających za ruch głowy w określonym kierunku, lub uaktywniających się, gdy w zasięgu wzroku pojawiała się długa granica przestrzeni – np. koniec klatki. Temat wydawał się wyjątkowo interesujący, więc małżeństwo Maj-Britt i Edvarda Moserów z Norwegii poświęciło się zgłębieniu tego zagadnienia.

    Obydwoje urodzili się w rodzinach bez tradycji akademickich, dorastali na wyspach norweskich na północy kraju i chodzili do tej samej szkoły. Poznali się jednak dopiero na Uniwersytecie w Oslo, gdzie ich romans towarzyszył wspólnej fascynacji neurofizjologią.

    W 1996 roku, tuż przed ukończeniem prac habilitacyjnych swoich doktoratów, otrzymali zaskakującą propozycję wspólnego objęcia stanowisk profesorskich w Norweskim Uniwersytecie Nauki i Technologii w Trondheim. Początkowo wahali się z podjęciem decyzji. Akceptacja oznaczałaby podjęcie pracy na własną rękę, na małym uniwersytecie, w kraju odizolowanym od wiodących centrów naukowych na świecie. Jednak oferta dwóch stanowisk, w tym samym miejscu i w tym samym obszarze badań okazała się bardzo kusząca. Początki nie były łatwe. Swoje laboratorium budowali od podstaw, w małej piwnicy bez wcześniejszego zaplecza naukowego. Jednak w ciągu kilku lat udało im się otrzymać liczne granty na prowadzone przez siebie badania i wtedy zaczęli zbliżać się do wyznaczonego celu.

    Znalezione współrzędne

    Na początku Maj-Britt i Edvard Moser starali się zlokalizować źródło sygnału kontrolującego komórki hipokampa. Mogło się okazać, że o ile „komórki miejsca” są zlokalizowane w hipokampie, to sygnał z innego ośrodka w mózgu aktywuje przechowywaną przez nie informację. W laboratorium adaptowali standardową technikę eksperymentalną stosowaną w lokalizacji położenia komórek: implantowali elektrody bezpośrednio do hipokampu szczura i rejestrowali jego czynność elektryczną podczas swobodnego przemieszczania się po klatce. Efekt aktywności komórki był zapisywany na ekranie komputera jako kropki. Upewniali się, że szczur przemierzy całą powierzchnię klatki posypując ją wiórkami czekolady. Chemicznie wyłączając określone regiony hipokampa ustalili, że sygnał nie jest generowany bezpośrednio w nim, ale biegnie z regionu nazywanego korą śródwęchową. Nikt przed nimi nie zwrócił szczególnej uwagi na tę strukturę, a jej funkcja była przedmiotem licznych domysłów i przypuszczeń.

    Powtórzyli swoje badania, tym razem monitorując jednak funkcję pojedynczych neuronów kory śródwęchowej, i w tym właśnie momencie spotkali się z czymś niezwykłym. Neurony szczurów były aktywowane nie tylko w obecności szczególnego punktu w przestrzeni, ale również w wielu innych miejscach. Początkowo nie mogli rozszyfrować tego schematu. Dopiero później uzmysłowili sobie, że neurony kory śródwęchowej szczurów tworzyły mapę przestrzeni, której podstawowym elementem był sześciokąt foremny nałożony na środowisko. Dopiero na tę mapę były nakładane elementy z innych ośrodków mózgu. Chwilę tego odkrycia wspomina Edvard: „To było tak niespodziewane, że mózg używa tych samych struktur geometrycznych do opisywania przestrzeni, których ludzie używali w matematyce od tysiącleci”.

    Odkrycie ważne dla pacjnetów

    Ostatnie badania z wykorzystaniem technik obrazowania mózgu, jak również badania u chorych poddawanych operacjom neurochirurgicznym, dostarczyły dowodów, że opisywane komórki istnieją również u ludzi. U pacjentów z rozwijającą się chorobą Alzheimera, hipokamp i kora śródwęchowa są często zmienione i wpływają na rozwój choroby na jej wczesnym etapie. Pacjenci tracą swoją zdolność orientacji w przestrzeni i nie mogą rozpoznać otoczenia.

    Wiedza na temat systemu pozycjonowania mózgu może więc pomóc nam zrozumieć mechanizm leżący u podstaw chorób związanych z utratą pamięci przestrzennej. Odkrycie systemu pozycjonowania mózgu stanowi rewolucyjny krok w rozumieniu, jak zespoły złożone z wyspecjalizowanych komórek wspólnie mogą wykonać wyższe funkcje poznawcze. To z kolei otwiera nowe możliwości dla badania innych procesów poznawczych, takich jak pamięć, myślenie i planowanie.

    Poprzedni artykułInfekcje górnych dróg oddechowych.
    Następny artykułProf. Jan Tatoń

    Więcej od autora

    Podobne artykuły

    ŚWIAT LEKARZA 3D

    Najnowsze artykuły

    Kiedy każda minuta ma znaczenie

    W drobnokomórkowym raku płuca czas płynie inaczej. Dla tych chorych ważna jest każda minuta. Rusza kolejna odsłona kampanii „Liczy się czas w...

    „Razem zadbajmy o piękno i zdrowie„

    Różowa wstążeczka to symbol profilaktyki raka piersi, jednej z najbardziej znanych na świecie kampanii związanych ze zdrowiem. Jak ocenia jej potrzebę i...

    Sztuczna inteligencja może zrewolucjonizować diagnostykę i leczenie raka. Polska onkologia staje się coraz bardziej innowacyjna

    Każdego roku nowotwór jest diagnozowany u ponad 160 tys. Polaków, z których około 100 tys. umiera. Prognozy wskazują, że w ciągu 10 lat liczba...

    Chcesz być na bieżąco z informacjami ze świata medycyny?

    Zaprenumeruj bezpłatnie ŚWIAT LEKARZA 3D