Uczenie się i zapamiętywanie zależą nie tylko od pobudzania neuronów, lecz także od ich hamowania. Naukowcy z Uniwersytetu Medycznego we Wrocławiu badają, jak połączenia hamujące zmieniają swoją aktywność i pomagają mózgowi zapisywać nowe doświadczenia. W dwóch projektach finansowanych przez Narodowe Centrum Nauki wykorzystują optogenetykę, która pozwala precyzyjnie kontrolować wybrane komórki nerwowe za pomocą światła. Wyniki tych badań mogą pomóc lepiej zrozumieć mechanizmy uczenia się, pamięci i plastyczności mózgu.
Dlaczego mózg potrzebuje hamowania?
Praca mózgu opiera się na równowadze między dwoma procesami: pobudzaniem i hamowaniem aktywności neuronów. Przez wiele lat badacze koncentrowali się przede wszystkim na połączeniach pobudzających, uznając je za główny mechanizm odpowiedzialny za uczenie się i zapamiętywanie. Synapsy hamujące traktowano natomiast przede wszystkim jako zabezpieczenie przed nadmierną aktywnością układu nerwowego.
Dziś wiadomo, że ich funkcja jest znacznie bardziej złożona. Połączenia hamujące nie tylko regulują pracę sieci neuronalnych, ale również mogą zmieniać siłę swojego działania. W ten sposób uczestniczą w procesach, dzięki którym mózg dostosowuje się do nowych informacji i doświadczeń.
Jak wyjaśnia prof. Jerzy Mozrzymas z Katedry i Zakładu Biofizyki i Neurobiologii Uniwersytetu Medycznego we Wrocławiu, połączenia między neuronami nie są niezmienne. Jedne mogą się wzmacniać, inne słabnąć, a cała sieć neuronalna nieustannie dostosowuje się do napływających bodźców.
Zdolność do takich zmian określa się mianem plastyczności synaptycznej. To jeden z podstawowych mechanizmów umożliwiających przyswajanie wiedzy, zapamiętywanie wydarzeń i nabywanie nowych umiejętności.
Plastyczność synaptyczna, czyli jak mózg zmienia się pod wpływem doświadczeń
Mózg nie zapisuje informacji w taki sposób, jak komputer przechowuje pliki. Uczenie się wiąże się ze zmianami zachodzącymi w połączeniach pomiędzy komórkami nerwowymi. W zależności od aktywności neuronów połączenia mogą stawać się silniejsze lub słabsze, a sieci neuronalne zmieniają sposób przetwarzania informacji.
Istotne jest przy tym nie tylko to, które neurony zostają pobudzone, ale również to, w jaki sposób ich aktywność jest ograniczana. Synapsy hamujące pomagają regulować przepływ sygnałów w sieci, a ich własna plastyczność może wpływać na to, jak mózg reaguje na kolejne doświadczenia.
Szczególnie interesującym obszarem badań jest hipokamp – struktura mózgu odgrywająca ważną rolę w uczeniu się i pamięci, w tym w zapamiętywaniu przestrzeni. Występuje w nim wiele typów neuronów hamujących, które różnią się funkcją i sposobem działania.
W badaniach tych połączeń ważną rolę odgrywa neuroprzekaźnik GABA. Synapsy wykorzystujące go do przekazywania sygnałów określa się jako synapsy GABA-ergiczne. Najczęściej odpowiadają one za ograniczanie aktywności innych komórek nerwowych.
Zespół prof. Jerzego Mozrzymasa sprawdza, jakie mechanizmy molekularne odpowiadają za zmiany zachodzące w tych połączeniach i jak można je utrwalić. W dotychczasowych badaniach wykazano, że farmakologiczne ograniczenie syntezy białek upośledza plastyczność synaptyczną. To wskazuje na znaczenie procesów zachodzących wewnątrz komórek dla podtrzymywania zmian w komunikacji między neuronami.
Jak mózg tworzy mapę nieznanego pomieszczenia?
Drugim ważnym obszarem badań prowadzonych we Wrocławiu jest mechanizm pozwalający mózgowi łączyć informacje, które docierają do niego w odstępach kilku sekund.
Kiedy człowiek wchodzi do nieznanego pomieszczenia, jego mózg potrafi w krótkim czasie stworzyć wewnętrzną reprezentację przestrzeni. Później może odtworzyć ją z pamięci i wykorzystać do orientacji w otoczeniu.
Za ten proces odpowiadają między innymi tzw. komórki miejsca w hipokampie. Są to neurony, których aktywność wiąże się z określonymi lokalizacjami. Pomagają one tworzyć wewnętrzną mapę otoczenia, określaną czasem jako mózgowy „wewnętrzny GPS”.
Jak jednak mózg łączy kolejne informacje w spójne wspomnienie, jeśli pojawiają się one w różnych momentach? Tego zagadnienia dotyczy projekt kierowany przez dr. Grzegorza Wierę, prof. UMW.
Badacze analizują mechanizm nazywany plastycznością w behawioralnej skali czasu (BTSP). Umożliwia on zmianę siły połączeń między neuronami, które były aktywne nawet kilka sekund przed określonym zdarzeniem lub po nim. Dzięki temu informacje rozdzielone w czasie mogą zostać powiązane w ramach jednego doświadczenia.
Dotychczas mechanizm BTSP badano przede wszystkim w synapsach pobudzających. Wrocławski zespół chce sprawdzić, co w tym samym czasie dzieje się z połączeniami hamującymi. Naukowcy analizują, czy ich siła również ulega zmianom, czy poszczególne typy neuronów reagują w podobny sposób i jak współdziałanie pobudzania oraz hamowania wpływa na zapisywanie nowych doświadczeń.
Optogenetyka pozwala kontrolować neurony za pomocą światła
Do badania tych procesów naukowcy z Uniwersytetu Medycznego we Wrocławiu wykorzystują optogenetykę. Metoda ta umożliwia precyzyjne pobudzanie wybranych typów komórek nerwowych za pomocą światła.
W badaniach wykorzystywane są między innymi skrawki mózgów genetycznie zmodyfikowanych myszy. Wybrane neurony zawierają białka wrażliwe na światło, dzięki czemu naukowcy mogą kontrolować ich aktywność i obserwować, jak reagują połączenia z innymi komórkami.
To istotne, ponieważ w mózgu działa wiele rodzajów neuronów hamujących. Jeśli badacze pobudziliby je wszystkie jednocześnie, trudniej byłoby ustalić, które komórki odpowiadają za obserwowane zmiany.
Optogenetyka pozwala zawęzić eksperyment do określonego rodzaju neuronów. W praktyce naukowcy mogą sprawdzać, jak konkretne wzorce aktywności wpływają na siłę połączeń, kiedy dochodzi do ich wzmocnienia, a kiedy do osłabienia.
Metoda ta jest stosowana w laboratorium wrocławskiej uczelni od blisko pięciu lat. Pozwala badać zjawiska, których nie dałoby się równie dokładnie analizować przy użyciu metod obejmujących jednocześnie dużą liczbę różnych komórek.
Dwa projekty badawcze finansowane przez NCN
Mechanizmy plastyczności synaps hamujących są przedmiotem dwóch projektów realizowanych w Katedrze i Zakładzie Biofizyki i Neurobiologii Uniwersytetu Medycznego we Wrocławiu. Oba otrzymały finansowanie Narodowego Centrum Nauki w ramach konkursów OPUS.
Pierwszy projekt, zatytułowany „Molekularne determinanty specyficzności wejścia zjawisk plastycznych w synapsach GABAergicznych hipokampa”, prowadzi prof. Jerzy Mozrzymas. Na jego realizację przyznano 2 843 400 zł w konkursie OPUS 22.
Drugi projekt, „Plastyczność GABAergiczna behawioralnej skali czasu: mechanizmy i implikacje”, jest kierowany przez dr. Grzegorza Wierę, prof. UMW. Otrzymał 2 751 181 zł w konkursie OPUS 27 i ma trwać trzy lata.
Wspólnym celem tych badań jest lepsze zrozumienie zmian zachodzących w połączeniach hamujących oraz ich znaczenia dla uczenia się i pamięci. Naukowcy chcą ustalić, jak poszczególne typy neuronów uczestniczą w regulowaniu aktywności sieci i w jaki sposób zmiany synaptyczne są utrwalane.
Co sprzyja uczeniu się i zapamiętywaniu?
Badania nad plastycznością mózgu dotyczą mechanizmów komórkowych, ale mają również znaczenie dla rozumienia codziennego uczenia się. Naukowcy wskazują na kilka czynników, które wspierają proces przyswajania i utrwalania informacji.
Powtarzanie materiału pozwala utrwalać zmiany w połączeniach między neuronami. Choć niektóre informacje można zapamiętać po jednorazowym doświadczeniu, w większości przypadków skuteczne uczenie się wymaga powracania do poznanych treści.
Znaczenie ma również sen. Podczas głębokich faz snu odtwarzane są określone wzorce aktywności neuronów, co sprzyja utrwalaniu śladów pamięciowych. Sen nie jest więc wyłącznie przerwą w nauce, ale jednym z elementów procesu zapamiętywania.
Kolejnym czynnikiem jest aktywność fizyczna, która wspiera procesy związane z dostosowywaniem się sieci neuronalnych do nowych doświadczeń. Istotne mogą być także nowe bodźce oraz emocje towarzyszące zdobywaniu wiedzy.
Jak wyjaśnia dr Grzegorz Wiera, prof. UMW, niespodziewane lub ekscytujące zdarzenia mogą aktywować między innymi układ dopaminowy. Dopamina wpływa na podatność określonych obszarów mózgu na zmiany, co może sprzyjać uczeniu się.
Nie oznacza to, że istnieje jeden prosty sposób na poprawę pamięci. Proces zapamiętywania zależy od współdziałania wielu mechanizmów, a badania nad synapsami hamującymi mają pomóc lepiej wyjaśnić, jak te mechanizmy funkcjonują na poziomie komórek.
Dlaczego badania nad hamowaniem są ważne dla medycyny?
Równowaga między pobudzaniem a hamowaniem ma znaczenie nie tylko dla uczenia się i pamięci. Zaburzenia tego układu mogą przyczyniać się do nieprawidłowej aktywności sieci neuronalnych, między innymi związanej z napadami padaczkowymi.
Mechanizmy hamowania są również celem działania wielu leków, w tym części preparatów uspokajających i nasennych oraz środków stosowanych w znieczuleniu ogólnym.
Lepsze zrozumienie tego, jak działają synapsy hamujące i jak zmieniają się pod wpływem aktywności mózgu, może więc poszerzyć wiedzę o funkcjonowaniu układu nerwowego. Na obecnym etapie projekty wrocławskich naukowców koncentrują się jednak na poznaniu podstawowych mechanizmów, a nie na opracowaniu konkretnej terapii.
Badacze podkreślają, że mimo postępów neurobiologii wciąż nie wiadomo dokładnie, w jaki sposób powstają złożone funkcje poznawcze ani czym jest samoświadomość. Analiza pojedynczych neuronów i ich połączeń pozwala coraz lepiej poznawać podstawowe zasady działania mózgu, ale do pełnego wyjaśnienia jego funkcjonowania pozostaje jeszcze wiele pytań.
Wrocławskie projekty pokazują, że aby zrozumieć uczenie się, nie wystarczy obserwować, jak neurony się pobudzają. Równie ważne jest poznanie mechanizmów, które regulują ich aktywność i pomagają całej sieci neuronalnej dostosowywać się do nowych doświadczeń.
Dodaj komentarz
Komentarze