Świadomość przestrzeni

Gdzie jesteśmy? Dokąd zmierzamy? Skąd wiemy, że jesteśmy tam, gdzie jesteśmy? Nie jest łatwo znaleźć odpowiedź na te wysoce filozoficzne pytania. Można je jednak potraktować znacznie bardziej dosłownie i chociaż odpowiedzi na te bardziej przyziemne wersje też nie jest łatwo znaleźć, to jednak znacznie łatwiej: co więcej, takich odpowiedzi udzielili już John O’Keefe ponad 40 lat temu, oraz May-Britt i Edvard Moser niecałą dekadę temu. Wczoraj natomiast Komitet Noblowski przyznał tej trójcy za te właśnie odkrycia Nagrodę Nobla z medycyny lub fizjologii za rok 2014.

Nasz wewnętrzny GPS

Pytanie zatem jest następujące: w jaki sposób nasz mózg rejestruje, a następnie przetwarza, powiela, i w razie potrzeby odtwarza informację na temat tego, jakie jest nasze położenie w przestrzeni? W jaki sposób radzi sobie z nieprostą nawigacją? Na te pytania pierwszy odpowiedział John O’Keefe w pracach opublikowanych w latach siedemdziesiątych, które były dopiero początkiem jego długiej kariery naukowej.

O’Keefe bazował na wcześniejszych obserwacjach, że szczury z uszkodzeniami hipokampu – części mózgu odpowiedzialnej między innymi za pamięć – w nowych środowiskach stawały się nadaktywne, a ponadto bardzo źle radziły sobie z zadaniami wymagającymi orientacji przestrzennej. O’Keefe odkrył nowy rodzaj komórek nerwowych, które stawały się aktywne tylko wówczas, gdy zwierzę znajdowało się w określonym miejscu.

Następnie O’Keefe zaczął modyfikować otoczenie zwierzęcia. I to, jak zachowywały się nowe komórki, było olbrzymim zaskoczeniem: na zmiany otoczenia reagowały zmianą aktywności. Okazało się, że w sieci tych komórek różne komórki stawały się aktywne w zależności od tego, w którym miejscu tej rozbudowanej klatki znajdowało się zwierzę. Innymi słowy, układ przestrzenny tych komórek stał się poniekąd projekcją przestrzennego układu, w którym znajdowało się zwierzę.

Ten nowy typ komórek nazwany został komórkami miejsca (ang. place cells). Przez kolejne dekady w środowisku wierzono, że takie komórki – odpowiedzialne za pojmowanie orientacji przestrzennej zwierzęcia – wywodzą się zawsze właśnie z hipokampu.

Małżeństwo mózgowców

Fast forward do 2005 roku. Nature publikuje pracę małżeństwa norweskich neurobiologów: May-Britty i Edvarda Moserów. Praca opisuje inny nowy typ komórek nerwowych, tzw. komórki siatkowe (ang. grid cells). Istnienie komórek siatkowych przewidział blisko dziesięć lat wcześniej amerykański neurofizjolog, William Calvin. Jednak dopiero Moserom, wraz z trójką ich studentów, udało się przeprowadzić serię eksperymentów zwieńczonych publikacją w Nature, w których wykazali ich istnienie eksperymentalnie.

Moserowi przyglądali się neuronom znajdującym się w korze śródwęchowej – mało znanym i rozumianym rejonie mózgu, który powiązany jest z takimi schorzeniami jak choroba Alzheimera, czy schizofrenia. Ich zachowanie było bardzo podobne do komórek miejsca, istniała jednak jedna poważna różnica. Podczas gdy w przypadku komórek miejsca, poszczególne komórki przypisane były tylko do jednego miejsca w otoczeniu zwierzęcia (lub innymi słowy, każdej komórce odpowiadały unikalne, ściśle przypisane koordynaty), komórki sieci były aktywne, gdy zwierzę przebywały w wielu różnych rejonach klatki. Co ciekawe, te różne koordynaty, w których komórki sieci wykazywały aktywność, ułożone były w postaci heksagonalnej siatki (stąd i nazwa nowoodkrytych komórek).

Porównanie aktywności komórek miejsca (na górze) oraz komórek sieci (na dole). Komórki miejsca uaktywniają się dla tylko jednych koordynatów przestrzennych. Komórki sieci uaktywniają się dla licznych koordynatów – koordynate te jednak są niezwykle regularne i tworzą sieć heksagonalną.

Czyli podczas gdy projekcja położenia w przestrzeni na aktywność komórek sieci odbywała się w tym samym wymiarze, w przypadku komórek sieci projekcja położenia była redukowana. Takiego wzoru aktywności nie obserwowano nigdy wcześniej dla żadnego innego typu neuronów. I podczas gdy komórki miejsca odpowiadały przestrzennym koordynatom, komórki sieci do równania dodały wektory: okazało się, że pozwalają one nie tylko na orientację w przestrzeni, ale także na rozpoznanie kierunków, a nawet dystansów.

Peryferia

Oczywiście badania zarówno Johna O’Keefe, jak i Moserów, ograniczały się do badań na szczurach. W ostatnich latach nastąpił wysyp publikacji pokazujących, że komórki miejsca oraz komórki sieci znaleźć można u innych ssaków: u naczelnych, u ludzi, u nietoperzy. I nie powinno to raczej być zaskoczeniem: system jest logiczny i należałoby raczej oczekiwać, że takie sensowne rozwiązanie zostanie w procesie ewolucji zachowane.

Na razie jednak brak doniesień o obecności tych komórek w innych grupach zwierząt. A skomplikowane rozwiązania występować muszą chociażby u ptaków o tak skomplikowanych wzorcach zachowań, jak te występujące u gołębi pocztowych, które przecież muszą mieć niesamowitą orientację przestrzenną. Póki co jednak komórki sieci, czy też ich ekwiwalent, pozostają u nich nieodkryte.

Ponieważ Nagroda Nobla za odkrycie tych dwóch typów komórek przyznana została w kategorii fizjologii lub medycyny, nie powinno zapewne dziwić, że jednym z pierwszych pytań zadanych na konferencji prasowej wczoraj rano było: jaki jest związek tych komórek z ludzkim zdrowiem? Czy wiedzę o nich da się jakoś przetłumaczyć na rozwiązania kliniczne?

Odpowiedź krótka brzmi: nie. Poza tym, że oczywiście wszelkie uszkodzenia rejonów mózgu, w których komórki te się znajdują, prowadzić będzie do problemów, jakich można oczekiwać od osoby, która straciła swój wewnętrzny kompas. Wiadomo też (pokazał to zresztą w swoich późniejszych badaniach John O’Keefe), że jednym z rejonów wcześnie atakowanych w chorobie Alzheimera, jest kora śródwęchowa. Pewne więc rodzaje zachowań utożsamianych z tym schorzeniem można pewnie przypisać ubytkowi komórek sieci.

Niemniej jednak nagrody nie przyznano za kliniczny potencjał tych odkryć. Przyznano je za badania podstawowe: za szukanie odpowiedzi na fundamentalne pytania leżące u podstaw naszej świadomości tego, gdzie jesteśmy i dokąd zmierzamy.

…

W opracowaniu korzystałem głównie z materiałów prasowych przygotowanych przez Komitet Noblowski (które są jak zwykle niezwykle wyczerpujące). Nagrodę za szybką reakcję dostaje dzisiaj Nature, które długi na kilka stron profil małżeństwa Moserów opublikowany miało już w niecałe 45 minut po ogłoszeniu wyników. Okazało się, że zrządzeniem losu publikacja profilu była zaplanowana na ten tydzień, Nature musiało więc jedynie przyspieszyć publikację o kilka dni. Profil jest znakomity i warto rzucić na niego okiem. Profil Johna O’Keefe niewątpliwie pojawi się później.