Mózg potrzebuje hamulców, żeby się uczyć. Naukowcy UMW badają mechanizmy pamięci

Praca mózgu opiera się na nieustannym współdziałaniu dwóch procesów: pobudzania i hamowania aktywności neuronów. Przez dziesięciolecia naukowcy koncentrowali się przede wszystkim na połączeniach pobudzających, uznając zachodzące w nich zmiany za podstawę uczenia się i zapamiętywania. Synapsy hamujące traktowano natomiast głównie jako mechanizm zabezpieczający mózg przed nadmierną aktywnością.

Dziś wiadomo, że ich rola jest znacznie bardziej złożona. Nie tylko regulują pracę sieci neuronalnych, ale same mogą zmieniać siłę swojego działania, uczestnicząc w tworzeniu i utrwalaniu śladów pamięciowych.

– Hamowanie to druga strona medalu aktywności mózgu. Większość neuronów działa pobudzająco, ale ich aktywność musi być precyzyjnie regulowana – wyjaśnia prof. Jerzy Mozrzymas, kierownik Katedry i Zakładu Biofizyki i Neurobiologii UMW. – Co więcej, połączenia między neuronami nie są dane raz na zawsze. Te, które ze sobą współpracują, mogą się wzmacniać, inne słabnąć, a cała sieć nieustannie dostosowuje się do napływających informacji. Dzieci mają znacznie więcej synaps niż dorośli, a jednak dojrzała sieć neuronalna, mimo mniejszej liczby połączeń, działa sprawniej.

Zjawisko to nazywane jest plastycznością synaptyczną. Dzięki niemu mózg może zmieniać sposób przetwarzania informacji pod wpływem doświadczeń. Właśnie mechanizmy plastyczności synaps hamujących są przedmiotem dwóch projektów OPUS finansowanych przez Narodowe Centrum Nauki i realizowanych w Katedrze i Zakładzie Biofizyki i Neurobiologii UMW.

Hamowanie, które potrafi się zmieniać

Jednym z głównych obszarów zainteresowania naukowców jest hipokamp – struktura mózgu odgrywająca kluczową rolę w uczeniu się i pamięci, zwłaszcza przestrzennej. Występuje w nim wiele rodzajów neuronów hamujących, różniących się sposobem działania oraz funkcją w sieci neuronalnej. W samym tylko obszarze hipokampa wyróżnia się ponad 20 typów takich komórek.

Neurony te wykorzystują do komunikacji między innymi neuroprzekaźnik GABA, który najczęściej ogranicza aktywność innych komórek nerwowych. Tworzone przez nie połączenia nazywa się synapsami GABAergicznymi.

W dobiegającym końca projekcie kierowanym przez prof. Mozrzymasa naukowcy próbują ustalić, od czego zależy plastyczność tych połączeń. Jednym z kluczowych pytań jest to, czy sposób, w jaki synapsa zmienia swoją siłę, zależy od rodzaju komunikujących się neuronów – a więc od tego, kto wysyła sygnał i kto go odbiera.

– Przez wiele lat uważano, że główną rolę w plastyczności mózgu odgrywają synapsy pobudzające, których jest znacznie więcej. Dopiero od około dwóch dekad wiemy, że również hamowanie może podlegać długotrwałym zmianom – mówi prof. Jerzy Mozrzymas. – Co ciekawe, zmieniać może się nie tylko siła pojedynczych połączeń hamujących, ale również stały poziom hamowania całych sieci neuronów. Wygląda na to, że w mózgu niemal wszystko jest plastyczne. Dzięki temu potrafimy nie tylko przyswajać nowe informacje, ale też dokładać je do tego, co już wiemy, i tworzyć coraz bogatszy obraz świata.

Ważną częścią projektu jest także zrozumienie, w jaki sposób zmiany zachodzące w synapsach zostają utrwalone. Plastyczność mózgu wiąże się bowiem nie tylko z bieżącą aktywnością neuronów, ale również z procesami zachodzącymi wewnątrz komórek, w tym z wytwarzaniem nowych białek.

– Żeby zmiana w działaniu połączenia nerwowego mogła się utrwalić, potrzebne są odpowiednie mechanizmy molekularne – tłumaczy prof. Jerzy Mozrzymas. – W naszych badaniach wykazaliśmy, że farmakologiczne ograniczenie syntezy białek upośledza plastyczność. To jeden z ważnych wyników projektu, który pozwala nam lepiej rozumieć, jak zmiany w komunikacji między neuronami mogą być podtrzymywane w czasie.

Mapa pomieszczenia powstaje w kilka sekund

Drugi projekt, kierowany przez dr. Grzegorza Wierę, prof. UMW, dotyczy mechanizmu, który pozwala mózgowi łączyć informacje napływające w odstępach kilku sekund. Choć wydaje się to bardzo krótkim czasem, z punktu widzenia komunikacji między neuronami jest to ogromna różnica. Sygnały w synapsach przekazywane są bowiem w czasie liczonym nawet w milisekundach.

Tymczasem nasze doświadczenia nie składają się z pojedynczych, idealnie zsynchronizowanych impulsów. Kiedy poznajemy nowe otoczenie, kolejne informacje docierają do mózgu jedna po drugiej. Muszą jednak zostać połączone w spójne wspomnienie.

– Kiedy wchodzimy do nieznanego pomieszczenia, nasz mózg potrafi w ciągu zaledwie kilku sekund stworzyć jego mapę przestrzenną. Później możemy ją przywołać z pamięci – opowiada dr Grzegorz Wiera, prof. UMW. – W tym krótkim czasie zmienia się aktywność całych grup neuronów, a w połączeniach między nimi zachodzą zmiany, które pozwalają zapisać nowe doświadczenie. Wiemy już sporo o tym, jak powstaje taka reprezentacja przestrzeni na poziomie komórek. Nas interesuje, co dokładnie dzieje się wtedy w synapsach, zwłaszcza tych odpowiedzialnych za hamowanie.

Badany mechanizm nosi nazwę plastyczności w behawioralnej skali czasu (BTSP). Pozwala on zmienić siłę połączenia między neuronami, które były aktywne nawet kilka sekund przed określonym zdarzeniem lub po nim. Dzięki temu mózg może powiązać ze sobą informacje rozdzielone w czasie, ale należące do jednego doświadczenia.

Mechanizm ten wiąże się między innymi z powstawaniem tzw. komórek miejsca w hipokampie. Są to neurony, których aktywność odpowiada określonym lokalizacjom w przestrzeni. Umożliwiają one mózgowi tworzenie wewnętrznej reprezentacji otoczenia, pomocnej w orientacji i zapamiętywaniu miejsc. Badania zespołu UMW łączą więc dwa nagrodzone Noblem obszary: wykorzystują optogenetykę, by sprawdzić, jak powstają mapy przestrzeni, nasz „wewnętrzny GPS” mózgu, za którego odkrycie przyznano nagrodę Nobla dekadę wcześniej.

Dotychczas BTSP badano przede wszystkim w synapsach pobudzających. Zespół dr. Wiery chce sprawdzić, jak na takie zmiany reagują sąsiednie połączenia hamujące. Czy również ulegają wzmocnieniu lub osłabieniu? Czy różne typy neuronów hamujących zachowują się podobnie? I w jaki sposób współdziałanie pobudzania i hamowania pozwala zapisać nowe doświadczenie?

Projekt jest realizowany od około roku i zaplanowany na trzy lata. Jego celem jest wyjaśnienie mechanizmów, które dotychczas pozostawały poza głównym nurtem badań nad plastycznością w behawioralnej skali czasu.

Neurony sterowane światłem

W obu projektach naukowcy wykorzystują optogenetykę, stosowaną w laboratorium UMW od blisko pięciu lat. Pozwala ona precyzyjnie wybierać i pobudzać określone typy neuronów, co ma szczególne znaczenie w badaniach nad hamowaniem. Poszczególne rodzaje komórek hamujących mogą bowiem pełnić odmienne funkcje, a ich jednoczesna aktywacja utrudnia ustalenie, które z nich odpowiadają za obserwowane zmiany.

Badania prowadzone są między innymi na skrawkach mózgów myszy zmodyfikowanych genetycznie. Ich wybrane typy neuronów zawierają białka wrażliwe na światło. Skrawki utrzymywane są w sztucznym płynie mózgowo-rdzeniowym, dzięki któremu komórki nerwowe pozostają aktywne i mogą przekazywać sygnały.

– Optogenetyka daje nam coś w rodzaju bardzo precyzyjnego włącznika. Możemy wybrać konkretny rodzaj neuronów, pobudzić go światłem i obserwować, co dzieje się w połączeniach z innymi komórkami – wyjaśnia prof. Jerzy Mozrzymas. – To ogromna przewaga, bo mózg jest siecią miliardów neuronów, które nieustannie się ze sobą komunikują. Dzięki tej metodzie możemy sprawdzić, jaką rolę odgrywa jeden wybrany uczestnik tej skomplikowanej współpracy.

W praktyce naukowcy mogą więc obserwować, jak synapsy reagują na określone wzorce pobudzenia, kiedy ich działanie się wzmacnia, a kiedy słabnie. Dzięki temu próbują odkryć reguły, według których mózg dostosowuje swoją aktywność do napływających informacji.

Co pomaga nam się skuteczniej uczyć?

Plastyczność mózgu nie jest wyłącznie zagadnieniem laboratoryjnym. To dzięki niej zdobywamy nowe umiejętności, zapamiętujemy doświadczenia i dostosowujemy się do zmieniającego się otoczenia. Wiedza o mechanizmach jej działania pomaga również zrozumieć, dlaczego pewne warunki sprzyjają uczeniu się bardziej niż inne.

– Jednym z najważniejszych czynników jest powtarzanie. Mamy stosunkowo niewiele rodzajów pamięci, które mogą powstać po jednorazowym zetknięciu z informacją. Najczęściej potrzebujemy powtórzeń, aby odpowiednie zmiany w połączeniach między neuronami mogły się utrwalić – tłumaczy dr Grzegorz Wiera, prof. UMW. – Bardzo ważny jest także sen. W jego głębokich fazach odtwarzane są pewne wzorce aktywności neuronów, co sprzyja utrwalaniu śladów pamięciowych. Dlatego sen nie jest przerwą w procesie uczenia się, lecz jednym z jego istotnych elementów.

Na plastyczność mózgu wpływa również aktywność fizyczna. Ruch sprzyja procesom, dzięki którym sieci neuronalne mogą dostosowywać się do nowych doświadczeń. Znaczenie mają także nowe bodźce i emocje towarzyszące zdobywaniu wiedzy.

– Kiedy spotyka nas coś nowego, nieoczekiwanego lub ekscytującego, aktywuje się między innymi układ dopaminowy. Dopamina może zwiększać podatność określonych obszarów mózgu na zmiany, a więc sprzyjać uczeniu się – mówi dr Grzegorz Wiera. – Dlatego nowe doświadczenia są tak ważne. Rutyna angażuje te mechanizmy w mniejszym stopniu. Również niewielki, mobilizujący stres może wspierać uczenie się, choć jednocześnie zbyt duży stres przynosi efekt odwrotny.

Naukowcy zwracają jednak uwagę, że dopamina nie jest po prostu substancją, której działanie należy jak najsilniej pobudzać. Odgrywa bowiem ważną rolę także w mechanizmach uzależnienia.

Zdolność mózgu do zmian ma jeszcze inne znaczenie. Plastyczność daje nadzieję, że nawet po utracie części funkcji układu nerwowego możliwe jest przynajmniej częściowe ich odzyskanie dzięki reorganizacji istniejących połączeń. Nie jest to proces nieograniczony, ale stanowi jeden z fundamentów współczesnego rozumienia uczenia się i rehabilitacji neurologicznej.

Dlaczego badania nad hamowaniem są ważne dla medycyny?

Oba projekty realizowane na UMW mają charakter badań podstawowych. Ich celem jest poznanie mechanizmów, dzięki którym mózg reguluje własną aktywność, przetwarza informacje i zapisuje wspomnienia. Hamowanie aktywności neuronów od dawna ma jednak ogromne znaczenie w medycynie. Zaburzenie równowagi między pobudzaniem a hamowaniem jest jednym z mechanizmów prowadzących do napadów padaczkowych. Z kolei na układy odpowiedzialne za hamowanie działają liczne leki, między innymi uspokajające, nasenne i stosowane w znieczuleniu ogólnym.

– Trudno przecenić rolę hamowania w funkcjonowaniu mózgu. To jeden z dwóch podstawowych mechanizmów regulujących aktywność neuronów, a jednocześnie punkt uchwytu bardzo wielu stosowanych dziś leków – podkreśla prof. Jerzy Mozrzymas. – Nas interesuje przede wszystkim to, jak te mechanizmy działają i jak zmieniają się pod wpływem aktywności mózgu.

Choć współczesna neurobiologia pozwala coraz precyzyjniej badać pojedyncze neurony i ich połączenia, wciąż daleko nam do pełnego zrozumienia pracy mózgu.

– Sukcesy współczesnej neurobiologii mogą wprawić nas w nieuprawniony optymizm na temat naszej wiedzy o mózgu. Tymczasem wciąż więcej nie wiemy, niż wiemy – podsumowuje prof. Jerzy Mozrzymas. – Coraz lepiej rozumiemy podstawowe mechanizmy jego działania, ale nadal nie potrafimy wyjaśnić, w jaki sposób powstają nasze wyższe funkcje poznawcze, a przede wszystkim czym jest samoświadomość. Neurobiologia robi ogromne postępy, jednak do pełnego zrozumienia mózgu wciąż przed nami bardzo długa droga. Najciekawsze odkrycia mogą być jeszcze przed nami.


inf pras