Wewnętrzny kompas ukryty w mózgu

Naukowcy z Instytutu Badań nad Mózgiem im. Maxa Plancka we Frankfurcie odkryli w mózgu specjalny kod neuronowy przeznaczony dla celów przestrzennych, który umożliwia zwierzętom precyzyjne nawigowanie do wybranego miejsca docelowego.

 

Od dawna wiadomo, że hipokamp, jako struktura mózgowia ssaków zlokalizowana w płacie skroniowym, odpowiada za długotrwałą pamięć oraz nawigację przestrzenną. Neurony wewnątrz hipokampu tworzą poznawczą mapę środowiska bliskiego i dalekiego, stąd nazywamy je komórkami miejsca. Stanowią one element złożonego systemu nawigacyjnego. Co ważne, nie działają same, a współpracują z komórkami czasu oraz komórkami umieszczonymi w korze śródwęchowej - komórkami szybkości[1].

 

Zwierzęta, w tym zarówno ludzie, jak i gryzonie, potrafią więc nawigować do pożądanego w myślach miejsca, opierając się na wewnętrznej mapie poznawczej umieszczonej w mózgu. Dotychczasowe badania zidentyfikowały wyspecjalizowane neurony odpowiedzialne za ten proces. Jednakże w tym roku naukowcy z Instytutu Badań nad Mózgiem um. Maxa Plancka we Frankfurcie odkryli kod neuronowy odnoszący się bezpośrednio do celów przestrzennych, który jednocześnie wykazuje istnienie konkretnej mapy celów prowadzącej jednostki do odległego miejsca w przestrzeni i czasie.

 

Wewnętrzny kompas pozwala nam wykonywać codzienne obowiązki niemal automatycznie. Planowanie podróży do lokalnego supermarketu wymaga jednak wcześniejszego przygotowania w postaci wizualizacji dokonywanej w umyśle. Gdy jesteśmy jeszcze w domu i dopiero zamierzamy pójść na zakupy, to jednocześnie zaczynamy wyznaczać na poziomie nieświadomym konkretną trasę przyszłej wędrówki. Pytanie jednak, na które neuronaukowcy nie potrafili przez ostatnie 50 lat odpowiedzieć, brzmiało: w jaki sposób mapa przestrzenna zlokalizowana z mózgu może w tym samym momencie reprezentować dwa różne miejsca w przestrzeni – nasz dom, który może w danej chwili postrzegać za pomocą większości zmysłów, jak również supermarket, który znajduje się poza zasięgiem percepcji zmysłowej?

 

 

Jak stwierdził Hiroshi Ito, kierownik grupy badawczej w wyżej wspomnianym Instytucie Badań nad Mózgiem: Od nagrodzonego nagrodą Nobla odkrycia komórek miejsca w 1971 roku przez Johna O’Keefe’a i współpracowników, badania nawigacji przestrzennej koncentrowały się przede wszystkim na właściwościach neuronów dostrojonych do chwilowej pozycji lub kierunku zwierzęcia.

 

Badania prowadzone w ostatnich dziesięcioleciach pozwoliły (m.in.) na lepsze zrozumienie tego, w jaki sposób możemy sami śledzić naszą pozycję i kierunek w kosmosie. Z drugiej zaś strony dowody na oszacowanie celu, które stanowią kolejny fundament wiedzy na temat wewnętrznej nawigacji przestrzennej w mózgu, jak dotąd się nie pojawiały.

 

Z tego powodu zespół badaczy z Instytutu Badań nad Mózgiem im. Maxa Plancka skoncentrował się na rozwiązaniu zagadki odnoszącej się do wykazania konkretnego wzorca aktywności neuronowej dotyczącej wyznaczania w umyśle docelowej lokalizacji, która łączy jednocześnie dwa miejsca i tym samym dwa wymiary czasowo-przestrzenne. Założony cel został osiągnięty, dając odpowiedź na dojmujące pytanie problemowe.

 

Naukowcy zmierzyli aktywność setek neuronów, korzystając z niestandardowych urządzeń rejestrujących, które pozwoliły wstawić do mózgu szczurów 60 ultracienkich przewodów (tetrodów). Urządzenia umożliwiły monitorowanie wzorców aktywności neuronalnej w korze oczodołowo-czołowej podczas podróży szczurów z jednego miejsca do drugiego. Ponadto dzięki statystycznym technikom dekodowania odkryto, ze zarejestrowane wzorce mają znaczące podobieństwa w przypadku każdego z badanych osobników.

 

By móc jeszcze lepiej zrozumieć swoje odkrycie, badacze sprawdzili, czy aktywność neuronów, mieszczących się w korze oczodołowo-czołowej, oddziałuje na miejsce docelowe wędrówki zwierzęcia. W kolejnym eksperymencie naukowcy zakłócili aktywność wyróżnionych neuronów przy użyciu pulsacyjnego światła laserowego. Wówczas zaobserwowano, że szczury, które wykonywały zadanie nawigacyjne dotąd bezbłędnie, nagle w wyniku spotkanej przeszkody nieświadomie przeszły obok miejsca docelowego i skierowały się w niewłaściwą lokalizację. Zdaniem naukowców: ten błąd nawigacji był odwracany po ustaniu perturbacji, co sugeruje, że upośledzenie nie jest spowodowane ogólną utratą pamięci celu.

 

Przekładając wyniki badań na codzienną praktykę, można powiedzieć, że sprawne poruszanie się z jednego do drugiego punktu jest niezwykle ważne, a zarazem trudne w przebodźcowanym świecie. Środowisko naukowe wielokrotnie wskazywało na to, że orientacja w przestrzeni jest kluczowa względem prawidłowej aktywności płata ciemieniowego w mózgu. Jest on nierzadko nazywany naszym wewnętrznym GPSem. Dzięki niemu pamiętamy przebieg ulic w rodzinnym mieście, potrafimy korzystać z map lub sprawnie poruszamy się samochodem.

 

Co ważne, korzystanie z narzędzi GPS (Global Positioning System) negatywnie wpływa na nasze zdolności poznawcze. Warto zatem samodzielnie ćwiczyć mózg (przykładowo) dzięki podróżowaniu bez dodatkowych urządzeń, a z wykorzystaniem naturalnych zdolności nawigacyjnych mózgu, jak i mocy wizualizacji. Wówczas rola naszego hipokampu nie ograniczy się tylko do kodowania geometrycznych parametrów przestrzeni, a będzie wiązała zdobywane doświadczenia ze stanami emocjonalnymi czy skomplikowanymi relacjami społecznymi, tworząc niepowtarzalne wspomnienia.

 

 

[1] Więcej informacji na temat wyróżnionych komórek i ich funkcji znajdziesz w: M. Mlostek, Nawigacja w przestrzeni - od komórki do mentalnej mapy, „Wszechświat. Pismo Polskiego Towarzystwa Przyrodników im. M. Kopernika” 2018, nr 4-6 (119), s. 87-92.

Źródła: H. Eichenbaum, A cortical-hippocampal system for declarative memory, „Nature Reviews Neuroscience” 2000, nr 1, doi.: 10.1038/35036213/ M. Mlostek, Nawigacja w przestrzeni - od komórki do mentalnej mapy, „Wszechświat. Pismo Polskiego Towarzystwa Przyrodników im. M. Kopernika” 2018, nr 4-6 (119), s. 87-92/ Science Daily, The goal in mind, [dostęp online: 28.11.2021] / MedMe/ K. Nordengen, Mózg. Twój niezastąpiony narząd rządzi, Wydawnictwo Marginesy, Warszawa 2018/ R. Czajkowski, System lokalizacji przestrzennej w mózgu - pierwszy rozszyfrowany kod neuronalny, „Wszechświat” 2015, nr 1-3 (116), s. 22-25/ R. Basu, R. Gebauer, T. Herfurth, S. Kolb, Z. Golipour, T. Czumatczenko, H. T. Ito, The Orbitofrontal Cortex Maps Future Navigational Goals, „Nature” 2021, doi.: 10.1038/s41586-021-04042-9/ UCL News/ A. H. Javadi, B. Emo, L. R. Howard, F. E. Zisch, Y. Yu, R. Knight, J. P. Silva, H. J. Spiers, Hippocampal and prefrontal processing of network topology to simulate the future, „Nature Communications” 2017, doi.: 10.1038/ncomms14652.