Skąd wiemy, gdzie jesteśmy

Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny w 2014 roku została przyznana za prace, które bezpośrednio nie przyczyniły się do postępów praktycznej medycyny, miały natomiast olbrzymie znaczenie poznawcze i pozwalają na lepsze rozumienie mechanizmów działania mózgu. Nagrodą Nobla zostały uhonorowane prace tłumaczące, w jaki sposób ssaki wiedzą, gdzie znajdują się w przestrzeni. Wykazano w nich, że mózg ssaków, a w szczególności formacja hipokampa i przylegająca do niej kora śródwęchowa zawierają system, w wyniku którego mózg orientuje się w przestrzeni w sposób podobny, jak kierowca posługujący się systemem GPS. Zaangażowane neurony tworzą siatkę przestrzenną, a zbliżanie się do jej granic lub podchodzenie do określonych miejsc powoduje zmianę rytmu iskrzenia szczególnych neuronów, co informuje mózg o tym, w którym miejscu się znajduje.

rys. Ania Bielawska

Zagadnienie, w jaki sposób postrzegamy przestrzeń i nasze w niej położenie zajmowało epistemologów od wieków. W XVII i XVIII wieku brytyjscy empiryści, tacy jak Locke, Berkeley i Hume, zakładali, że naszą wiedzę o świecie czerpiemy z wrażeń zmysłowych. W drugiej połowie XVIII wieku Immanuel Kant zakwestionował ten pogląd i zaproponował, że pewne idee istnieją jako wrodzone intuicje, niezależne od doświadczenia, a do takich należy przestrzeń, rozumiana przezeń jako wrodzona zasada organizująca nasz tok myślenia, narzucająca nasze pojmowanie świata.

Spór filozofów mógł się zakończyć jedynie ustaleniem protokołu rozbieżności i dopiero neurobiologia, a w szczególności psychologia doświadczalna, dzięki wprowadzaniu nowych metod doświadczalnych, umożliwiły eksperymentalne analizowanie organizacji i rozwoju zachowania i poznania przestrzennego. Wyniki badań ostatnich dziesięcioleci na tym polu podsumowali kilka lat temu Edward i Masy Britt Moserowie, obecni Nobliści¹. Badania te doprowadziły do wykrycia wrodzonego układu mózgowego dedykowanego reprezentacji i zapamiętywaniu położenia własnego ciała w stosunku do otoczenia.

Odkrycia pierwszej części „systemu pozycjonującego” 43 lata temu w Londynie dokonał jeden z tegorocznych laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny, John O’Keefe. W końcu lat 60. O’Keefe rozpoczął badania nad mechanizmami kontrolowania zachowania przez mózg za pomocą metod elektrofizjologicznych, rejestrując aktywność elektryczną pojedynczych neuronów. Badając potencjały elektryczne poszczególnych neuronów formacji hipokampa u szczurów swobodnie poruszających się po pokoju, zaobserwował, że pewne neurony stale wykazywały aktywację gdy szczur znajdował się w określonym miejscu. W pomysłowy sposób udało się wykazać, że neurony te nie są aktywowane przez wrażenia wzrokowe, ale tworzą wewnętrzną mapę otoczenia. Zyskały one nazwę „komórki miejsca” (place cells). Ostatecznie O’Keefe postawił hipotezę, że hipokamp generuje liczne mapy otoczenia, reprezentowane przez wspólną aktywność komórek miejsca, aktywowanych w różnych otoczeniach. Dzięki nim zachowujemy pamięć o środowisku jako szczególną kombinację aktywności komórek miejsca w hipokampie².

Komórki miejsca zapewniają zwierzęciu ciągłą i dynamiczną aktualizację reprezentacji otaczającej go przestrzeni i jego położenia w tej przestrzeni. Wyniki te wpisują się w naszą wiedzę o hipokampie jako o głównej strukturze związanej z pamięcią przestrzenną, której engramy są właśnie w tym elemencie układu limbicznego zachowywane. W rzeczy samej dowiedziono, że intensywny trening pamięci przestrzennej powoduje powiększenie objętości hipokampa, czego rezultatem jest na przykład fakt, że hipokampy londyńskich taksówkarzy (którzy stale muszą odnawiać skomplikowane mapy przestrzenne planu miasta) są większe niż u przeciętnego londyńczyka, i że te różnice nie zależą od wrodzonych skłonności do prowadzenia samochodu, ale od uczenia się nowych map przestrzennych³.

Druga część systemu pozycjonującego w przestrzeni została odkryta przez Norwegów, małżeństwo Moserów, ponad 30 lat po odkryciu komórek miejsca⁴. Edvard i May-Britt Moser poznali się jako studenci w Oslo, gdzie chcąc badać w jaki sposób mózg kontroluje zachowanie zwrócili się o temat pracy do wybitnego elektrofizjologa, Pera Andersena, szczególnie zainteresowanego badaniem aktywności hipokampa. Moserowie, jeszcze będąc studentami, chcieli poprowadzić u niego projekt badawczy łączący badanie zachowania szczura z aktywnością hipokampa, na co Anderson z pewnymi oporami przystał, polecając zbadać wpływ różnych lezji hipokampa na pamięć nowego otoczenia. W tych badaniach Moserowie niespodziewanie odkryli, że hipokamp nie jest jednorodny i że uszkodzenia grzbietowego hipokampa uszkadzają pamięć, natomiast uszkodzenia części brzusznej — nie⁵. Jeszcze przed obroną doktoratów Moserowie zdecydowali się dołączyć do laboratorium O’Keefe’go. Po kilku miesiącach, nie opublikowawszy żadnej wspólnej z szefem pracy, wrócili jednak do Norwegii, aby objąć stanowiska profesorów Uniwersytetu w Trondheim. Tam kontynuowali zainspirowane pobytem w Londynie badania nad komórkami miejsca, zastanawiając się, czy nie są one sterowane z innych części mózgu. Badania wykazały, że blokując korę śródwęchową, część mózgu prowadzącą sygnały do hipokampa, hamuje się działanie komórek miejsca. Podczas poszukiwań, czy to w korze śródwęchowej znajdują się komórki aktywowane przez określone pozycje przestrzenne zwierzęcia, badacze odkryli komórki aktywujące się, gdy szczur znajdował się w pewnym określonym miejscu, ale nie tylko w nim, ale także w kilku innych. Moserowie zauważyli, że gdy szczur poruszał się po klatce (zachęcony rozsypanymi okruszkami czekolady), na ekranie, na którym aktywność neuronu pokazywała się jako punkcik, punkty te zaczęły układać się w jakiś wzór. Wzór ten był trudny do zaklasyfikowania do chwili, kiedy Moserowie wpadli na pomysł, żeby pozwolić szczurom biegać po znacznie większej powierzchni. Wówczas punkty rozluźniły się i zdumionym badaczom ukazała się regularna siatka złożona z sześciokątów, wygladajaca jak plaster miodu. Nie było wątpliwości — w korze śródwęchowej istnieje abstrakcyjna reprezentacja regularnej sieci triangulacyjnej. Neurony ją tworzące nazwano oczywiście neuronami sieci (grid cells). Badania wykazały, że neurony sieci aktywują się zarówno w świetle jak i ciemności, niezależnie od szybkości i kierunku biegu szczura. Ta stałość aktywowania się neuronów sieci odróżnia je od komórek miejsca, których aktywność zmienia się nawet przy niewielkich zmianach środowiska (na przykład koloru).

Dalsze badania wykazały, że w korze śródwęchowej istnieje wiele sieci o różnych wymiarach i kierunkach. Ostatecznie okazało się, że ta różnorodność nie jest chaotyczna, ale precyzyjnie określona i tworząca określone moduły. Nie wchodząc w detale — wydaje się, że sieci takie pozwalają nam nieświadomie zapamiętywać przebytą drogę i zachodzące w trakcie wędrówki wydarzenia.

Hipokamp jest strukturą, w której łączy się pamięć i przestrzeń. Może warto sobie przypomnieć, że najpopularniejszą metodą mnemotechniczną starożytnych oratorów rzymskich było przypominanie sobie znanej drogi (na przykład z domu na forum) i łączenie w umyśle znajdujących się tam obiektów z z punktami przemowy, którą zamierzano wygłosić. Stworzenie takiej asocjacji powodowało, że wszystko to, co miało być powiedziane, było powiedziane i to w odpowiednim porządku.

Odkrycia, które doprowadziły do przyznania O’Keefe’mu i Moserom Nagrody Nobla 2014 otwierają raczej niż zamykają nowy rozdział w neurobiologii. Teraz staje przed nami problem rozszyfrowania kodów, którymi posługują się neurony prowadząc nieustanne obliczenia pozycji ciała względem otoczenia. W przypadku komórek miejsca wydaje się, ze kodowanie opiera się na zmianach rytmu theta w aktywności elektrycznej neuronu. Gdy szczur zbliża się do znanego miejsca, rytm theta komórki miejsca zmienia się — komórka zaczyna iskrzyć w coraz wcześniejszej fazie, co stanowi informację o położeniu szczura w stosunku do tego miejsca. Zjawisko to opisał O’Keefe jako precesję fazy theta⁶.

Pozostaje jeszcze wiele punktów dotyczących wyjaśnienia mechanizmów kodowania, zmian rozwojowych sieci, ewentualnego wpływu warunków zewnętrznych na kształtowanie się sieci, relacji pomiędzy pamięcią przestrzenną a innymi rodzajami pamięci. Nie ulega jednak wątpliwości, że badania te już wywarły lub powinny wywrzeć poważny wpływ na filozofów przyrody. Dowiodły one, że metodami laboratoryjnymi można rozstrzygać spory filozoficzne, a w tym konkretnym przypadku wykazać nie tylko słuszność idei Kanta, że przestrzeń jest daną nam kategorią, według której musimy postrzegać świat, ale jeszcze podać solidne neurobiologiczne podstawy słuszności tego sądu.

Piśmiennictwo

1. Moser EI, Kropff E, Moser MB: Place cells, grid cells, and the brain’s spatial representation system. Annu Rev Neurosci. 2008; 31: 69-89.
2. O’Keefe J, Dostrovsky J. 1971. The hippocampus as a spatial map. Preliminary evidence from unit activity in the freely-moving rat. Brain Res. 34:171–175.
3. Maguire EA1, Spiers HJ, Good CD, Hartley T, Frackowiak RS, Burgess N. Navigation expertise and the human hippocampus: a structural brain imaging analysis. Hippocampus. 2003;13(2):250-259.
4. Hafting T, Fyhn M, Molden S, Moser MB, Moser EI. Microstructure of a spatial map in the entorhinal cortex. Nature. 2005;436:801-806.
5. E, Moser MB, Andersen P.Sp atial learning impairment parallels the magnitude of dorsal hippocampal lesions, but is hardly present following ventral lesions. J Neurosci. 1993;13:3916-3925.
6. O’Keefe J, Recce ML. Phase relationship between hippocampal place units and the EEG eta rhythm. Hippocampus 1993, 3:317–330.

Artykuł opublikowany oryginalnie w czasopiśmie „Medycyna Praktyczna”.

Dostępny jest również mój artykuł o Nagrodzie Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny za rok 2000 [LINK].