| Mozek a otisky paměti |
|
Eva Bobůrková |
| SANQUIS č.95/2011, str. 70 |
| Vědci zkoumají paměť doslova od nepaměti. Moderní éra výzkumu přinesla mnohé poznání, ale fenomén paměti zůstává dál v mnohém nepoznaný. Pomocí moderních metod se jí zabývá také neurofyziolog Karel Ježek, který působí ve Fyziologickém ústavu Akademie věd.
|
|
Kdy začali vědci zkoumat paměť?
Tou se zabýval – a obdivuhodně moderně – již svatý Augustin nebo Aristoteles. Psychologie byla nejprve filozofickou disciplínou. Základy vědecké psychologie byly položeny až koncem 19. stol. (např. W. James). Experimentální přístup nebyl obvyklý jako dnes a většina poznatků vycházela z klinických studií pacientů s nějakým mozkovým postižením. Například pozorování, že po úrazu hlavy si pacienti kromě průběhu nehody často nepamatovali ani to, co jí předcházelo, zatímco starší vzpomínky byly netknuté, odkazovalo na nutnou existenci procesu upevnění paměti. Vznikla tak dodnes platná „konsolidační hypotéza“, která tvrdí, že krátce poté, co se vzpomínka zformuje, je ještě nestabilní a je možné ji nevratně poškodit. Během několika hodin či dnů se ale upevní natolik, že se jí mozkové trauma již netkne. Současně se rozvíjel experimentální přístup ke studiu paměti (I. P. Pavlov), později začala éra hledání místa v mozku, kde je paměť uložena a jakým způsobem je vlastně zapsána.
S uchováním vzpomínek souvisí zapomínání. Co o tom víme?
Zapomínání je zapeklitá věc – přísně vzato jde o vymazání vzpomínky. Ale jak prokázat její neexistenci? Co když je někde v mozku stále uložená a postižený je pouze přístup k ní – proces vybavování? Přestože v experimentech máme metody, jak to poodhalit, stále nevíme, do jaké míry vzpomínky, které člověk „zapomene“, jsou skutečně ztracené. Určitě to ale nebude tak zlé – čas od času si přece vzpomeneme na věci, o kterých jsme ani netušili, že si je ještě pamatujeme. Proto si myslím, že bychom měli napřít úsilí do schopnosti účinně se pohybovat v rámci vlastních vzpomínek. Jsou zásadní pro vytváření naší identity, radosti ze života i jeho smysluplného naplnění. Stejně jako se snažíme nezanášet škodlivinami naše tělo, neměli bychom zanášet balastem naši mysl.
Člověk přijde o paměť, neví, jak se jmenuje, odkud přišel, nepoznává blízké – takhle to známe z filmů. Může být paměť zcela a navždy vymazána?
Paměť může být celoživotně postižená, otázka je, jak dlouho trvá ono „okno“. Vrátím se k jednomu slavnému pacientovi, který odstartoval moderní koncept klasifikace lidské paměti. V padesátých letech Henry Molaison pro neléčitelnou epilepsii podstoupil operaci, při které mu byly odebrány části spánkového laloku, mezi nimi struktura zvaná hipokampus, ze kterých se záchvaty šířily. Operace měla neočekávaně fatální důsledky: způsobila ztrátu paměti sahající zpět až několik let – taková amnézie nenastane po otřesu mozku. Jemu byla skutečně mozku část vyňata, ale jak říkám, nevíme, zda ji lékaři vyňali i se vzpomínkami, nebo se narušil mechanismus, který by zpřístupnil vzpomínky jinde uložené. Dalším, mnohem zajímavějším postižením pana Molaisona byla rozsáhlá porucha formování vzpomínek nových. Nebyl si totiž schopen zapamatovat nové prožitky a fakta, zatímco neměl problém naučit se mnohé dovednosti. Takže se třeba bez větších potíží během několika hodin naučil číst pozpátku, ale nebyl si vědom, že by tím kdy trávil čas. Stejně tak mohl každý den číst ty samé noviny, aniž by mu připadalo, že je již někdy viděl.
|
|
|
Tehdy se zjistilo, kde paměť sídlí.
Ano, šlo o paměť pro fakta a události. Studie pacientů s postižením hipokampu leccos napověděly, ale těch je velice málo. Navíc se rozsah jejich postižení dá přesně zjistit až po smrti nemocného, což zase znepřístupňuje exaktní informace. Naprostá většina poznatků o paměti pochází z pokusů na zvířatech, když se experimentálně vyřadí nebo stimuluje část mozku. Právě kombinace pokusů na zvířatech a pozorování na lidech umožnila vědcům zjistit, že existuje paměť krátkodobá a dlouhodobá – a u dlouhodobé dále paměť deklarativní a nedeklarativní. Deklarativní zahrnuje události – co jsem tehdy dělal, kdy a kde to bylo, a pak fakta, jako například kolik měsíců má Jupiter. Tyto informace lze takřka v úplnosti předat verbálně. Paměť nedeklarativní je naopak slovně nepřenositelná, protože zjednodušeně řečeno spočívá v učení dovednostem. Představte si hru na klavír, vy mi popíšete, jak hrát, ale já stejně nemohu ukázat totéž – u tohoto druhu paměti je třeba mozkové okruhy trénovat, a tak vytvořit paměťovou stopu, zatímco když někdo poprvé v životě uslyší, že hlavní město Francie je Paříž, tak to dokáže zreprodukovat okamžitě.
Ucítím vůni listí a hned se mi vybaví dětství, procházky kolem Vltavy, kterou lemovaly topoly. Jak funguje mozek při sáhnutí do paměti?
Zrovna čichové vjemy jsou skutečně snad nejsilnějším stimulem pro vybavení epizodických vzpomínek, často hluboko zasutých. Obecně platí, že veškeré smyslové vjemy vstupují do tzv. primárních korových center, to je první oblast, kde se informace v kůře zpracovává. Pak se šíří do takzvaných asociačních oblastí, kam vstupují rozdílné signály z různých primárních center, a takto se dají smyslové informace kombinovat. Zde vznikají asociace – mezi vůní růže a tím, jak růže vypadá. Napříč celým mozkem se kombinují informace z různých oblastí – zrakových, čichových či hmatových, ale jen tehdy, pokud přicházejí víceméně současně. Jen tak se může spojit obraz růže s její vůní, aniž by se do toho pletl třeba česnek, který jsme cítili hodinu předtím. Když pak později vidíme růži na obrázku, vybaví se nám i její vůně a okolnosti s květinou spojené.
Donedávna se zkoumal mozek a paměť na nemocných pacientech a na zvířatech, ale dnes už se vědci dostali až na úroveň molekul. Co jsme se tady dozvěděli?
Smyslem paměti je, abychom se vyhnuli něčemu, co bylo dříve nepříjemné, nebo udělali něco, co bylo příjemné, či nezbytné. Paměť se v biologii definuje jako změna chování na základě předchozí zkušenosti, a tato změna se musí odrazit i ve struktuře mozku. Ať je mozek jak chce komplexní, jsme schopni jej rozebrat až na úroveň buněk. A jsou na řadě otázky: jaká změna se v mozku odehrává, jaké veličiny se proměňují, když se paměť zapisuje? Jak se mění aktivita buněk? K jakým chemickým změnám dochází uvnitř neuronů? Odpovědi nalézáme již mnoho let, ale nejprve bylo klíčové se podívat na úplný počátek. Vědci museli zapomenout na člověka i na savce a vrátit se k extrémně jednoduchým organismům s jednoduše organizovaným mozkem, nebo ještě lépe bez mozku.
Zkoumali tedy, co si pamatuje žížala?
Nejslavnější organismus, který se stal modelem pro zkoumání, byl mořský plž, latinsky „aplysia“, česky „zej“. Když jej začal Eric Kandel studovat, některým kolegům byl pro legraci, že zkoumá paměť u slimáků. Ale v roce 2000 za své objevy dostal Nobelovu cenu. Zredukovat objekt studia na plže byla geniální myšlenka. I zejové mají totiž paměť. Když se jich dotknete, stahují se. Když to uděláte víckrát, ale nic horšího nenásleduje, plž se přestane stahovat, ale snaží se dostat pryč. Takže paměť, změna chování na základě zkušenosti, přizpůsobení se, habitace. My lidé to máme také, vejdeme do místnosti, zprvu silně vnímáme tikot hodin, ale pak potlačíme onen nepodstatný stimul stejně jako zej. Jenže na rozdíl od miliard neuronů u savců jich má zej jen asi dvacet tisíc a některé jsou tak velké, že je lze vidět pouhým okem. Kandel u zeje sledoval změny na synapsích neuronů v souvislosti s učením a objevil tak základní molekulární mechanismy krátkodobé a dlouhodobé paměti. Zatímco krátkodobá paměť spočívá v modifikaci existujících spojení mezi neurony, při dlouhodobé paměti jde o vznik spojení nových. Zásadní regulační roli zde mají proteiny, které Kandel s kolegy identifikovali. Mohl to objevit právě jen díky naprostému zjednodušení jak organismu, tak i druhu zkoumané paměti.
|
|
|
MUDr. Karel Ježek (1973)
Neurofyziolog, po studiu na lékařské fakultě se začal věnovat základnímu výzkumu. Mechanismy paměti zkoumal v laboratořích v Čechách, Německu, USA a Norsku. Nyní působí ve Fyziologickém ústavu AV ČR
|
|
Jak jste přispěl k poznání paměti vy? Výsledky jste publikoval v prestižním vědeckém časopise Nature…
Mne a mé norské kolegy nezajímalo to, co se odehrává uvnitř buňky, ale jak spolu neurony komunikují. Jak vypadá paměťová stopa a jak vypadá přechod z jedné aktivní vzpomínky do druhé. Jak vypadá detailně aktivace, vybavení vzpomínky. Aby se to dalo zkoumat, zase bylo nutné najít vhodný model. A tím se nám stali potkani se svou prostorovou pamětí, která je ostatně velice výrazná napříč živočišnými druhy, člověka počítaje. Už od počátku 70. let se vědělo, že mozek obsahuje otisk okolního prostoru a že tuto prostorovou mapu vytváří aktivita hipokampových neuronů. Bylo zjištěno, že hipokampus obsahuje řádově miliony neuronů a zhruba necelá desetina z nich je aktivní na místě, kde se v danou chvíli nacházíme, jako by mozku signalizovaly, kde jsme. Když se přesunete o kousek vedle, tak se probudí zase jiná skupina buněk.
Mimochodem, kolik takových map v mozku máme?
Kolegové, kteří se zabývají matematickým modelováním, zjistili, že to mohou být až tisíce map. Každá je jiná, ale u podobných prostředí se může použít stejná, trochu pozměněná, a mozku to stačí, aby efektivně rozlišoval mezi těmi dvěma místy, zbytek si dopočítá. Než se informace dostane do hipokampu, projde mnoha stupni zpracování, podle toho, co vidíme, podle pohybů našeho těla. Informace se tak zpracují v různých částech mozku, a přestože byste mohli čekat, že do hipokampu už dojde úplný šum, který nebude možné rozkódovat, tak najednou vidíte naprosto čistou funkční reprezentaci místa – buňka je aktivní, jen když je potkan v jednom místě prostředí. To je skutečně fascinující.
A vy jste začal zkoumat, kudy se ubírají informace v mozku potkana, když se pohybuje z místa na místo.
Ano, do hipokampu potkanů jsme zanořili soustavu mikroelektrod, které jsou tak malé, že buňky neponičí, a mohli jsme sledovat, které buňky jsou aktivní. Tak jsme přečetli, co hipokampus zbytku mozku říká o místě, ve kterém se zvíře v danou chvíli nalézá. Právě jedinečnost prostorového kódu – identita mapy – nám umožňuje se dozvědět, v jakém paměťovém stavu se mozek nalézá. A pokud potkana přimějete k tomu, aby vyměnil mapu jedné místnosti za mapu jinou, vidíte, jak vlastně vypadá přechod z jedné vzpomínky do druhé. Vtip byl ten, že jsme prostě jen místnost A proměnili v místnost B tím, že jsme náhle změnili světelné orientační body místnosti A na B a takto jsme zvířata „teleportovali“. Tato v podstatě kuriózní situace nám pomohla odhalit princip časové organizace paměťových procesů. Zjistili jsme, že neurony zpracovávají informace ze smyslů, tedy hledají k nim odpovídající vzpomínku, v krátkých opakujících se cyklech, které odpovídají 6–11 Hz rytmu. Tento rytmus, nazývaný „theta“, je jedním z dominantních rytmů mozku. Cyklický, neustále se opakující proces aktivace paměti umožňuje mozku několikrát za vteřinu upravovat nepřesnosti ve vybavování vzpomínek. Paměťová mašinerie v hipokampu se tímto způsobem v čase strukturuje do řetězce jakýchsi kvant, která představují časové elementy ve vybavení paměťové stopy.
Přinesli jste důležitý kamínek do mozaiky poznání paměti. Co ještě naopak nevíme? Na čem pracujete vy či jiní fyziologové?
Zásadní záhadou zůstává, jak spolu komunikují vzdálené mozkové struktury. Jak to, že mozek dokáže okamžitě reagovat jako jeden orgán, alespoň se nám to tak jeví, a přitom je to vlastně jakýsi konvolut do značné míry nezávislých oblastí, které zpracovávají vstupní informaci po svém, ale extrémně rychle své výsledky dávají dohromady a komunikují na velké vzdálenosti. Předpokládá se, že v tom hrají důležitou roli právě ony mozkové rytmy, že vytvářejí určitá časová okna, ve kterých mohou spolu buňky naladěné na stejný rytmus komunikovat na veliké vzdálenosti. Podobně jako v rádiu, naladíte si příslušnou vlnu a to, co se vysílá na vzdáleném vysílači, najednou vnímáte ve svém přijímači. Já se chci dále intenzivně věnovat mechanismům aktivace paměti v neuronových sítích. Stále jsou intenzivně zkoumány molekulární mechanismy paměti. Například je tomu pár let, co se podařilo kolegům nalézt jeden protein klíčový pro dlouhodobé uchování paměti: když jej zablokujete, jisté vzpomínky zmizí.
|
|
 | | Santiago Ramón y Cajal: Originální kresby k mikroskopické struktuře a způsobu fungování mozku, kolem 1899 (exponát z výstavy Obrazy mysli) |
|
|
Mohlo by něco takového vysvětlovat i Alzheimerovu nemoc?
U této nemoci právě narážíme na komplexnost fenoménu paměti a naše možnosti. Je jisté, že zapisování nových vzpomínek je těžce postiženo, ale pokud jde o ty již dávno zapsané, je těžko soudit. Vidíme, co si pacient není schopen vybavit, ale nevíme, zda jsou postiženy vzpomínky nebo mechanismus jejich vybavování. Je to vymazaný pásek, nebo poškrábaná disketa, kde informace zůstává, ale je nedostupná?
Je možné doufat, že z vašeho nebo jiných výzkumů vzejde způsob, jak právě třeba ztrátu paměti nebo ten vadný mechanismus opravit?
Ano, výzkum se ubírá dvěma základními cestami. Jedna hledá, co se u Alzheimerovy choroby pokazilo, a druhá, jak tuto závadu včas diagnostikovat. Když se Alzheimerova choroba projeví v běžném životě, kdy se pacient začne ztrácet v prostředí, kde trávil celý život, už je strašně pozdě, neboť jsou postiženy i ty nejpevněji zapsané vzpomínky. Proto je velice důležité vyvinout metody, které by problém odhalily daleko dříve, aby se alespoň ta zatím nedokonalá léčba, která je nyní k dispozici, dala nasadit co nejdříve a mohla zabrat.
Máte vy v tomto směru nějaké ambice?
Ano, já bych rád zasáhnul zprvu ve smyslu diagnostickém. Metody, které jsme vyvinuli v Norsku a publikovali v Nature, se dají využívat různě, včetně modifikace pro lidskou medicínu. Mohli bychom pak měřit, jak rychle je potenciální pacient schopen si správnou vzpomínku vybavit. Tyto parametry se dají též zkoumat i nadále u potkanů, u nichž jsou příznaky Alzheimerovy choroby pokusně vyvolány a pak můžeme usilovat o nalezení léku, který je vrátí zpět do normy. Možností je tolik…
Takto byste mohli i u pacientů zjišťovat podle rychlosti jejich reakce na změnu prostoru, zda už nepočíná nemoc?
Vlastně už na tom ve spolupráci s kolegy z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy, kteří se zabývají virtuální realitou, pracujeme. Úkol, který řešili potkani, jsme již přenesli do lidské dimenze. Zatím pouze do virtuální reality na monitoru. Doufám, že budeme schopni měřit, jak rychle je mozek pacienta schopen aktivovat příslušnou vzpomínku v testu a třeba se tak podaří nástup choroby diagnostikovat včas. Zároveň chceme sledovat jeho mozkovou aktivitu pomocí EEG či magnetické rezonance. Nyní na tom pracujeme, test je takřka naprogramovaný, brzy začneme dělat studie se zdravými lidmi a později s pacienty.
|
|
Foto: Günter Bartoš, ilustrace: © Santiago Ramón y Cajal, Legado Cajal, Institut Cajal, Španělsko
|
|
|
 |
obsah čísla 95 |
 |
ročník 2011 |
|
témata |
|
| SANQUIS PLUS |
|
| GALERIE SANQUIS |
|
| PORADNA |
|
|
