Molekulárna podstata pamäte

Jednou z najdôležitejších schopností našich mozgov, nevyhnutnou pre existenciu mysle, je schopnosť učiť sa a pamätať si. Záhada ako myseľ získava a uchováva nové informácie je dnes pre psychológov jedným z hlavných otvorených problémov.

Od čias pionierskych výskumov Ramon y Cajala a iných vedcov z počiatku nášho storočia je známe, že mozog je komplikovanou sieťou nervových buniek (neurónov). Neuróny sú navzájom pospájané výbežkami – dendritmi a axónmi. Dendrity, akési bunkové antény, zachytávajú impulzy prichádzajúce z iných neurónov a dopravujú ich do tela nervovej bunky. V bunkovom tele sa zhromažďujú impulzy prichádzajúce zo všetkých dendritov a prebieha tam rozhodovanie o tom, či neurón sám bude aktívny alebo nie. Pokiaľ stimulácia prichádzajúca do tela neurónu dosiahne určitú prahovú hodnotu, bunka sa aktivuje a prostredníctvom svojho axónu vyšle signály ostatným neurónom. Miesto, v ktorom sa axón jedného neurónu dotýka dendritu neurónu druhého a kde dochádza k jednosmernému prenosu informácií medzi bunkami, sa nazýva synapsia.

Keď bola akceptovaná predstava mozgu ako komplikovanej siete vzájomne prepojených neurónov, vyvstala otázka, ako sa takáto sieť môže naučiť niečo nové. Ľudia prirodzene predpokladali, že pri učení dochádza v tomto systéme k nejakým zmenám. Veľký vplyv na ďalšie úvahy o fungovaní mysle mali idey Donalda Hebba uverejnené v roku 1949. Tento psychológ navrhoval, že oným miestom, v ktorom dochádza pri učení ku zmenám, sú práve spojenia medzi neurónmi – synapsie. Podľa jeho predstáv efektívnosť prenosu signálu na synapsii (sila synapsie) medzi dvoma neurónmi rastie, keď sú oba tieto neuróny aktívne súčasne, pokiaľ je aktívny iba jeden z nich, alebo žiaden efektívnosť synaptického prenosu sa nemení. Synapsia, ktorej sila rastie pri súčasnej aktivite oboch prepojených neurónov, sa dnes zvykne nazývať Hebbova synapsia, pravidlo, na základe ktorého sa jej vlastnosti menia, sa volá Hebbovo. Hebb sa domnieval, že tento typ synapsií by umožňoval systému neurónov učenie.

Potom čo sa počítače stali prístupnými pre psychológov, bola Hebbova myšlienka s úspechom testovaná pomocou umelých neurónových sietí. Neurónové siete opatrené Hebbovými synapsiami sa dokázali naučiť rozoznávať obrazce, a našli dokonca aj komerčné uplatnenie. Sú používané napríklad na rozoznávanie rukou písaných smerovacích čísiel na poštových obálkach. Hoci Hebbova myšlienka zaujala psychológov, ostávalo otvorenou otázkou, či k navrhovanému procesu dochádza aj v mozgoch a či sa tento proces podieľa na tvorbe pamäte.

Čoskoro bolo zrejmé, že ku zmenám v efektívnosti prenosu signálov medzi neurónmi (synaptickej plasticite) dochádza aj v živých mozgoch. Jedným z najzaujímavejších príkladov synaptickej plasticty je dlhodobá potenciácia (angl. LTP – long-term potentiation). Experiment vysvetľujúci LTP je znázornený na obrázku obrázek. Dve nervové bunky sú prepojené synapsiou, ktorá prenáša signál z presynaptickej bunky A do postsynaptickej bunky B. Elektróda priložená k prvému neurónu sa používa k jeho stimulácii, druhá elektróda zaznamenáva aktivitu neurónu B. Ak elektrickým signálom stimulujeme bunku A, aktivuje sa a vyšle signál pozdĺž svojho axónu a cez synapsiu k bunke B. Odpoveď tejto bunky na prichádzajúci signál môžeme zaznamenať prostredníctvom druhej elektródy. Ak rovnakú stimuláciu bunky A zopakujeme neskôr, nameriame rovnakú odpoveď druhého neurónu. Ak však stimulujeme neurón A sériou elektrických impulzov o frekvencii 100 Hz, pozorujeme čosi zaujímavé. Ak po tejto sérii opäť vyšleme jeden stimulačný signál rovnaký ako na začiatku, odpoveď neurónu B bude väčšia ako predtým. Signál medzi našimi dvoma bunkami sa prenáša efektívnejšie, synaptická účinnosť vzrástla. Táto zvýšená citlivosť neurónu B na aktiváciu neurónom A pretrváva niekoľko hodín, ale postupne klesá na pôvodnú hodnotu.

Po objavení dlhodobej potenciácie (LTP) sa o nej začalo uvažovať ako o fyziologickom deji, pomocou ktorého by mohlo dochádzať k Hebbovmu učeniu v skutočných mozgoch. Avšak medzi pozorovanou LTP a učiacim postupom navrhnutým Hebbom bolo niekoľko rozdielov. Azda najvýraznejším z nich bol fakt, že v prípade Hebbovho učenia sa mení sila synapsie v dôsledku súčasnej aktivity dvoch susedných neurónov, kdežto pri pozorovanej LTP sa synapsia posilovala pri špecifickej stimulácii jedinej nervovej bunky. Preto boli navrhnuté ďalšie experimenty, ktoré mali vyjasniť túto otázku. Pokus bol usporiadaný veľmi podobne tomu predošlému s tým rozdielom, že experimentátori mohli stimulovať nielen bunku A, ktorá prostredníctvom axónu a synapsie predávala signál neurónu B, ale súčasne mohli aj priamo aktivovať bunku B. Stimulácia neurónu A s nízkou frekvenciou sama o sebe nespôsobila LTP, rovnako ani púha aktivácia neurónu B. Ak sa však táto nízka presynaptická stimulácia správne spojila so stimuláciou neurónu B, dlhodobá potenciácia sa objavila. Tento experiment potvrdil, v súlade s Hebbovou myšlienkou, že efektívnosť synaptického prenosu medzi dvoma neurónmi sa zvýši v dôsledku ich súčasnej stimulácie. Fyziologický mechanizmus, pomocou ktorého by mohlo dochádzať k Hebbovmu učeniu, teda existuje.

A tak sa pred vedcami objavila nová otázka, ako synapsia spozná, že sú naraz stimulované obe bunky?

Prenos signálu od jedného neurónu k druhému na synapsii zabezpečujú zvláštne molekuly zvané neuroprenášače. Neuroprenášač sa uvoľní z axónu presynaptickej bunky pri jej aktivácii, a difunduje cez synapsiu k dendritu postsynaptickej bunky. Na povrchu dendritu sú bielkovinové receptory, na ktoré sa neuroprenášač naviaže, a ktoré potom sprostredkujú prenos signálu ďalej do postsynaptickej bunky.

Dôležitým mílnikom na ceste za porozumením pamäti bol nález proteínovej molekuly zvanej NMDA-glutamátový receptor. Tento receptor umiestnený na povrchu neurónov je citlivý na neuroprenášač glutamát. (Keďže receptorov citlivých na glutamát je viac typov, rozdeľujú sa podľa svojich farmakologických vlastností: NMDA-glutamátový receptor je okrem glutamátu citlivý aj na N-metyl-d-aspartát). Hoci je v nervovej sústave mnoho rôznych neuroprenášačov a pre každý z nich existuje viac typov receptorov, NMDA-glutamátový receptor má jednu zvláštnosť, vďaka ktorej je pre nás zaujímavý. Vysoká koncentrácia glutamátu sama o sebe receptor neaktivuje, pokiaľ nie je splnená jedna ďalšia podmienka – bunka, na ktorej sa receptor nachádza, musí byť sama aktívna. (viď tiež Vesmír 77, 375, 1998/7)

NMDA-glutamátový receptor je proteínová molekula umiestnená naprieč bunkovou membránou. V strede tejto molekuly je kanál, ktorým môžu do bunky prenikať ióny vápnika a sodíka. V ústí kanála sú malé vrátka, ktoré sú spojené s receptorom pre glutamát umiestneným na povrchu bunky. Vrátka sa otvárajú, keď sa na tento receptor naviaže glutamát. S receptorom spojené vrátka však nie sú jedinou prekážkou, ktorá bráni vápniku a sodíku vo vstupe do bunky, pokiaľ bunka nie je aktívna, blokujú kanál aj ióny horčíka. Aby sme tento jav vysvetlili, musíme si objasniť, že u pokojnej nervovej bunky je vonkajšia časť membrány nabitá pozitívne vzhľadom k vnútornej časti. Tento elektrický potenciál spôsobuje, že kladne nabité ióny horčíka, ktoré sa nachádzajú v mimobunkovom prostredí, „sa snažia“ dostať do vnútra bunky, pre svoju veľkosť však kanálom neprejdú, ale upchajú ho. Keď je bunka aktivovaná, napätie na membráne poklesne, ióny horčíka od kanálu oddisociujú a kanál sa tým uvolní. Stručne povedané, kanál sa otvorí vtedy, keď sa glutamát (uvolnený presynaptickým neurónom) naviaže na receptor a súčasne je aktivovaná aj postsynaptická bunka. Cez kanál prenikne do bunky vápnik, ktorý prostredníctvom nie dokonale preskúmanej kaskády dejov nakoniec spôsobí väčšiu priechodnosť synapsie.

Na základe informácií, ktoré sme uviedli, sa zdá, že NMDA-glutamátový receptor je dobrým kandidátom, prostredníctvom ktorého by mohlo byť Hebbovo učenie aplikované v živých organizmoch. V každom prípade je to molekula, ktorá sa podieľa na LTP. Pri aplikácii drogy, ktorá blokuje tento typ receptoru, nie sme schopní vyvolať LTP v tých častiach mozgu, kde ju za normálnych podmienok pozorujeme.

Dnes teda vieme, že k procesu, ktorý D. Hebb pred päťdesiatimi rokmi geniálne predvídal, v mozgoch skutočne dochádza, a v jeho porozumení sme sa dostali až na úroveň jednotlivých molekúl. Na druhej strane však musíme priznať, že nevieme, nakoľko je práve tento dej podstatný pre naše kognitívne schopnosti.

Pri štúdiu kognitívnych procesov sme nútení pohybovať sa naprieč vedeckými disciplínami, zaujímajú nás vlastnosti jednotlivých molekúl, ako aj správanie sa zložitého systému neurónov. A práve táto pestrá paleta úrovní a prístupov robí štúdium náročným. Už len samotný fakt, že pojmy pamäť a učenie boli definované a používané psychológmi a vzťahujú sa k správaniu sa celých ľudských, či zvieracích organizmov, spôsobuje problémy pri interpretovaní výsledkov získaných na úrovni jednotlivých buniek či dokonca molekúl. A preto poznatky získané na najnižšej – molekulovej úrovni nestačia samotné k vysvetleniu zložitých procesov, akými sú pamäť a učenie.