 Uchwytny kształt pamięci
Pamięć to zdolność organizmu do kodowania, przechowywania i odtwarzania informacji i doznań. Pamięć powstaje w wyniku uczenia się. Jest to proces powstawania trwałych zmian zachowania będących efektem doświadczenia. Można też uczenie się określić jako proces, w wyniku którego nabywamy wiedzy o świecie. Podstawą uczenia się i powstawania pamięci jest plastyczność, czyli zdolność komórek nerwowych do ulegania trwałym zmianom strukturalnym i funkcjonalnym pod wpływem przetwarzania informacji.
Zjawisko pamięci i to, jak jest ona przechowywana, nurtuje badaczy od dawna. Choć poglądy na ten temat zmieniały się w ciągu ostatnich 150 lat, jednym z podstawowych pytań zawsze było, czy można określić części mózgu odpowiedzialne za formowanie i przechowywanie wspomnień. W XIX wieku ogromną popularność zdobyła hipoteza F.J. Galla, zwana frenologią, zgodnie z którą czynności psychiczne miały się składać z wielu niezależnych procesów, z których każdy miał być sterowany przez specjalny obszar mózgu. Hipoteza ta zdobyła wielką popularność „medialną”, czego efektem było badanie kształtu czaszki przez licznych następców Galla w celu określenia indywidualnych predyspozycji psychicznych wszystkich, którzy byli tego ciekawi. Ta oczywista szarlataneria spowodowała, że środowisko naukowe odrzuciło tę hipotezę i to pomimo dowodów empirycznych, które częściowo ją wspierały. Mam tu na myśli obserwacje Broki i Wernickego, którzy badając mózg pacjentów, wskazali konkretne obszary kory mózgowej odpowiedzialne za artykulację i rozumienie mowy.
Jednak liczne doświadczenia przeprowadzone w wieku XX zdawały się wskazywać, że nie można dokładnie określić konkretnych ośrodków w mózgu odpowiedzialnych za różne funkcje. Zaowocowało to sformułowaniem przez K.S. Lashleya hipotezy ekwipotencjalności kory, w myśl której cała kora mózgowa kieruje czynnościami psychicznymi. Jednak rozwój technologii, w tym metod obrazowania mózgu, spowodował, że dzisiejsza wiedza wydaje się do pewnego stopnia łączyć poprzednie poglądy, jednocześnie tłumacząc niepowodzenia w ich dowodzeniu.
Okazało się, że istnieje wiele rodzajów pamięci i za ich tworzenie oraz przechowywanie mogą odpowiadać różne struktury mózgu. Na przykład za pamięć świadomą (deklaratywną) odpowiadają hipokamp i kora mózgowa, natomiast za pamięć utajoną mogą w zależności od jej typu odpowiadać prążkowie, kora mózgowa czy ciało migdałowate. Co więcej, wymagana jest „współpraca” różnych struktur w zależności od typu pamięci. Pomimo jednak naszego lepszego rozumienia, jak działa mózg, wciąż bez odpowiedzi pozostaje ważne pytanie, czy podstawowe elementy funkcjonalne układu nerwowego, neurony budujące struktury zaangażowane w formowanie i przechowywanie pamięci, również przechowują ślady pamięciowe poszczególnych zdarzeń. Jeśli tak, to w jakiej formie. Aby przybliżyć czytelnikom dzisiejsze poglądy na tę kwestię, muszę zacząć od krótkiego opisu budowy i funkcji komórki nerwowej.
Neuron – podstawowa jednostka funkcjonalna układu nerwowego
Neuron jest komórką pobudliwą, przystosowaną do przetwarzania i przekazywania informacji poprzez połączenia synaptyczne. Stanowi on podstawową jednostkę funkcjonalną układu nerwowego. Twierdzenie to sformułował na przełomie XIX i XX wieku hiszpański neurolog Ramón y Cajal. Nosi ono nazwę doktryny neuronalnej i jest jednym z głównych praw współczesnej neurobiologii. W komórce nerwowej wyróżnia się trzy podstawowe części: ciało komórki, dendryty oraz akson.
Na podstawie swoich obserwacji Ramón y Cajal uznał, że ta silna polaryzacja neuronu musi mieć znaczenie funkcjonalne. Rzeczywiście, kolejne pokolenia badaczy potwierdziły jego sugestię, iż dendryty stanowią część komórki wyspecjalizowaną w odbieraniu informacji od innych komórek nerwowych, podczas gdy akson służy do jej przekazywania. Informacja przepływająca przez komórkę nerwową jest kodowana w postaci impulsów elektrycznych. Z kolei pomiędzy neuronami przepływa ona na ogół w postaci impulsu o charakterze chemicznym poprzez struktury łączące komórki nerwowe zwane synapsami. W klasycznym ujęciu synapsy składają się z części presynaptycznej, szczeliny synaptycznej i części postsynaptycznej.
Część presynaptyczna jest wyspecjalizowaną częścią aksonu, w której impuls elektryczny jest przekształcany w chemiczny. Presynapsa zawiera zmagazynowaną substancję zwaną neurotransmiterem, która jest wydzielana przez neuron pod wpływem impulsu elektrycznego docierającego do synapsy. Z kolei część postsynaptyczna jest fragmentem dendrytu wyspecjalizowanym do kompleksowej reakcji na neurotransmiter. Zalicza się do niej aktywację kanałów jonowych, prowadzącą do zamiany impulsu chemicznego z powrotem na elektrochemiczny oraz zmiany w przekaźnictwie sygnału i organizacji cytoszkieletu po stronie postsynaptycznej. Obecnie jako aktywne części synapsy postrzegane są także wypustki komórek glejowych, zwanych astrocytami, szczelnie otaczające pozostałe trzy elementy oraz „spajająca” je macierz zewnątrzkomórkowa.
Około 90% synaps w układzie nerwowym ssaków ma charakter pobudzający, a ich aktywacja prowadzi do zwiększonego przewodnictwa neuronalnego. Często znajdują się one w zakończeniach struktur formowanych przez dendryty, zwanych kolcami dendrytycznymi.
Kolce dendrytyczne – zmienne oblicze neuronu
Kolce dendrytyczne to bogate w aktynę wypustki o długości do 2 mm i bardzo zróżnicowanej objętości (od 0,01 mm3 do 1,5 mm3), pokrywające dendryty neuronów pobudzających.
W ich zakończeniu znajdują się części postsynaptyczne synaps glutamatergicznych, charakteryzujące się nagromadzeniem receptorów dla neurotransmiterów, kanałów jonowych zależnych od napięcia oraz białek adhezji komórkowej, których położenie jest stabilizowane przez białka strukturalne tzw. gęstości postsynaptycznej. Ta struktura widoczna w mikroskopie elektronowym zawiera dodatkowo białka uczestniczące w przekaźnictwie sygnału i regulacji cytoszkieletu, które również są z nią związane poprzez białka strukturalne. W ten sposób gęstość postsynaptyczna stanowi platformę integrującą odpowiedź komórkową na przyłączenie neurotransmitera do jego receptora w błonie postsynaptycznej.
Formowanie kolców dendrytycznych, często utożsamiane z dojrzewaniem synaps, jest jednym z ostatnich etapów rozwoju drzewka dendrytycznego wielu klas neuronów (np. neuronów piramidowych kory mózgowej i hipokampa).
Jednak kolce dendrytyczne nawet dojrzałych neuronów zmieniają kształt i nawet jeden dendryt może posiadać kolce zarówno rozwijające się, jak i w pełni uformowane. Jest to związane z tym, że zarówno liczba kolców, ich kształt, jak i objętość gęstości postsynaptycznej zależą od aktywności danej synapsy. Przyjęto podział wypustek dendrytycznych w zależności od kształtu na kilka podstawowych kategorii: filopodia i kolce niedojrzałe (ang. thin spines), kolce grzybkowate (ang. mushroom spines), kolce „przysadziste” (ang. stubby spines) oraz wielokształtne (ang. multishape spines).
Cechą charakterystyczną filopodiów i kolców niedojrzałych jest znaczna przewaga długości nad średnicą, często objawiająca się brakiem charakterystycznej główki. Na poziomie molekularnym filopodia, które są, ściśle rzecz biorąc, prekursorami właściwych kolców, często nie mają jeszcze podstawowych elementów gęstości postsynaptycznej, jak również odpowiednich receptorów dla neurotransmiterów. Pozostałe typy kolców charakteryzują się większą średnicą główki i często są krótsze. Poszczególne typy kolców w zależności od dojrzałości mogą się różnić składem receptorów i stopniem polimeryzacji cytoszkieletu aktynowego. Powstaje pytanie, w jaki sposób morfologia kolców dendrytycznych wpływa na funkcję neuronu. Jedna z hipotez zakłada, iż zmiana ich kształtu prowadzi do modyfikacji takich parametrów kolca dendrytycznego jak: objętość główki, jej odległość od światła dendrytu oraz szerokość szyjki kolca dendrytycznego. Skutkuje to istotnymi zmianami stężenia jonów wapnia i substancji sygnałowych w kolcu dendrytycznym oraz możliwości ich dyfuzji do i ze światła dendrytu.
Doświadczalnie udowodniono, iż mniej dojrzałe kolce stanowią pułapkę dla jonów wapnia, a odpowiednie pobudzenie ich synaps powoduje wzrost stężenia Ca2+ wystarczający do wywołania długotrwałego wzmocnienia przewodnictwa synaptycznego (LTP, ang. long term potentiation). Taka sama stymulacja kolców dojrzałych, o większej objętości główki i szerszej szyjce, prowadzi z mniejszym prawdopodobieństwem do wystąpienia LTP. Z drugiej strony duża objętość kolca oznacza większą gęstość postsynaptyczną, a co za tym idzie – wyjściowo wydajniejszą odpowiedź danej synapsy na neurotransmitery. Doświadczalnie wykazano, że zmiany kolców dendrytycznych w odpowiedzi na różne typy bodźców zależą od stopnia polimeryzacji filamentów aktynowych (mikrofilamentów.
Jak wspomniano powyżej, kolce dendrytyczne powstają w rozwoju z prekursorów zwanych filopodiami i jest to w dużej mierze proces zależny od aktywności neuronalnej. W przeciwieństwie jednak do dendrytów pozostają one strukturami bardzo dynamicznymi, zachowując zdolność do bardzo szybkiej (w skali sekund) zmiany kształtu w odpowiedzi na aktywność neuronalną. Zmiany te mogą zachodzić przy zachowaniu ogólnego typu kolca, jak również prowadzić do zmiany jego klasyfikacji. Dobry przykład stanowi obserwacja poczyniona przez zespół dra Kasai, że selektywne, lokalne uwolnienie neurotransmitera pobudzającego, glutaminianu, w sąsiedztwie niedojrzałego kolca dendrytycznego prowadzi do szybkiego wzrostu jego główki i zmiany w kolec typu grzybkowatego. Ponieważ glutaminian jest kluczowym neurotransmiterem koniecznym do uczenia się ssaków, zaś LTP stanowi elektrofizjologiczny model pamięci na poziomie komórki nerwowej, uzasadnione jest pytanie, czy kolce dendrytyczne mogą mieć coś wspólnego ze śladami pamięciowymi i stanowić strukturalny dowód istnienia wspomnień.
Kolce dendrytyczne – uchwycona pamięć
Możliwość, że kolce dendrytyczne mogą stanowić morfologiczny znak pamięci, w zasadzie została zarysowana przez Ramóna y Cajala, który opisał je po raz pierwszy. Co ciekawe, wykorzystał do tego metodę barwień wynalezioną przez swojego największego adwersarza, Camillo Golgiego, który nie wierzył w istnienie synaps. Jednak hipoteza ta czekała ponad sto lat na udowodnienie. Przyczyną tego był fakt, że postulaty Ramóna y Cajala prześcignęły znacznie możliwości technologiczne badaczy. Co prawda w drugiej połowie XX wieku podjęto liczne badania z wykorzystaniem mikroskopii elektronowej i świetlnej, ale miały one liczne wady utrudniające właściwą interpretację wyników.
Największym ograniczeniem tych metod była konieczność wykorzystania do badań utrwalonego materiału, który mógł być pobrany od zwierząt eksperymentalnych tylko po ich uprzednim uśmierceniu. Takie podejście w sposób oczywisty uniemożliwia porównanie liczby i kształtu kolców u tego samego osobnika w trakcie rozwoju, w odpowiedzi na bodźce czuciowe (np. światło czy dźwięk) lub w efekcie uczenia się. W związku z tym tego typu badania musiały się opierać na porównaniu różnych grup osobników, co powodowało, że subtelne różnice liczby lub morfologii kolców były niezauważalne ze względu na zmienność osobniczą. Co więcej, badacze z różnych zespołów uzyskiwali sprzeczne dane, które dopiero dziś możemy wyjaśnić. W efekcie tylko część badaczy skłaniała się ku hipotezie, że istotnie uczenie się i formowanie śladów pamięciowych może indukować powstawanie nowych lub/i dojrzewanie istniejących kolców dendrytycznych.
Przełom w badaniach nad kolcami dendrytycznymi nastąpił wraz z wprowadzeniem przyżyciowej mikroskopii dwufotonowej do badań neurobiologicznych w latach 90. XX w. Metoda ta dzięki użyciu nowego typu laserów, emitujących w podczerwieni strumień fotonów o dużej gęstości, i nowych rozwiązań optycznych pozwoliła na punktowe oświetlenie żądanych obiektów w tkance, co ograniczało zniszczenie tkanki powodowane przez efekty fototoksyczne. Ponadto fotony emitowane w podczerwieni mogły penetrować żywą tkankę dużo głębiej. Dodatkowymi przełomowymi elementami były: (i) udoskonalenie metod wprowadzania białek fluorescencyjnych (np. zielonego białka fluorescencyjnego, GFP) do mózgu przy użyciu wektorów wirusowych oraz (ii) uzyskanie myszy transgenicznych, w których mózgu GFP (lub jego warianty) było produkowane tylko w wybranych neuronach. Dzięki temu postępowi technologicznemu stało się możliwe obrazowanie kolców dendrytycznych neuronów kory mózgowej w mózgu żyjących zwierząt.
Początkowo metod tych użyto do obserwacji zmian liczby i kształtu kolców dendrytycznych w trakcie rozwoju osobniczego myszy oraz w celu sprawdzenia, jak bodźce sensoryczne mogą wpływać na te parametry. Badania te wykazały duże zmiany liczby kolców w trakcie rozwoju, jak też wpływ aktywności neuronalnej na stabilność kolców dendrytycznych. Wykazały także, że in vivo udział różnych klas kolców dendrytycznych zmienia się z wiekiem oraz w efekcie stymulacji lub hamowania aktywności synaptycznej.
Zmiany zachodzące w mózgu, np. rearanżacja połączeń synaptycznych, w trakcie rozwoju, jak i wyniku stymulacji sensorycznej do pewnego stopnia przypominają procesy zachodzące w trakcie różnych form uczenia się i zapamiętywania. Dlatego też opracowane do ich badania metody wykorzystano do odpowiedzi na pytanie, czy uczenie się i pamięć mogą indukować trwałe zmiany strukturalne w mózgu na poziomie kolców dendrytycznych.
Pierwsze wyniki opublikowały niezależnie w roku 2009 na łamach prestiżowego czasopisma „Nature” zespoły dra Gana i dra Zuo z USA. W obydwu przypadkach badacze skupili się na zbadaniu procesu uczenia się nowych zadań motorycznych przez myszy (pamięć motoryczna), wykorzystując różne testy behawioralne. W obydwu przypadkach wykazano, że efektywnemu uczeniu się nowej czynności przez myszy towarzyszyło zwiększenie liczby kolców dendrytycznych. Wzrost ten był przejściowy, gdyż po kilku dniach większość nowo powstałych kolców zanikała. Ponieważ zanikały też kolce uformowane przed treningiem (choć w mniejszym stopniu), ostatecznie całkowita liczba kolców przed treningiem i kilka dni po nim nie różniła się znacząco. Co ciekawe, dalszy trening lub przypominanie raz wyuczonej czynności nie powodowały ponownego przyrostu liczby kolców, a mimo to zwierzęta wykonywały tę czynność w zasadzie bezbłędnie. Natomiast nabywanie nowej, odmiennej umiejętności motorycznej ponownie prowadziło do intensywnego tworzenia i eliminacji kolców, jednak nie wpływało na kolce uformowane w wyniku wcześniejszych doświadczeń.
Dodatkowe badania i obliczenia przeprowadzone przez zespół dra Gana pozwoliły określić, że duża część kolców, które przetrwały proces eliminacji, pozostanie już stabilna do końca życia osobnika. Na tej podstawie badacze doszli do wniosku, że pozostałe po treningu kolce dendrytyczne (ok. 0,04%) stanowią trwały, strukturalny ślad pamięciowy oraz że nasza pamięć bazuje zarówno na kolcach powstałych w trakcie rozwoju, jak i tych nowo powstałych w efekcie uczenia się. Z kolei liczne, niezależnie wytworzone ślady pamięciowe mogą egzystować razem.
Wyniki omówionych powyżej pionierskich badań przeprowadzonych przez dwa amerykańskie zespoły udowodniły, że powstawaniu pamięci motorycznej u gryzoni może towarzyszyć formowanie się nowych kolców dendrytycznych. Jednak nie dostarczyły odpowiedzi na pytanie, czy ich kształt również się zmienia. Dodatkowo zrodziły nowe, np. czy innym rodzajom pamięci towarzyszy powstawanie nowych kolców oraz czy takie zjawisko zachodzi także u innych gatunków. Próbę odpowiedzi na te pytania podjęto w kolejnych projektach badawczych, których wyniki zostały opublikowane w ciągu ostatnich 2 lat na łamach „Nature”.
GRUPA MEDIA INFORMACYJNE & ADAM NAWARA |
