człowiek
Autor: Rodrigo Quian Quiroga, Itzhak Fried i Christof Koch | dodano: 2013-02-19
Komórki pamięci

Wyniki ostatnich badań sugerują, że każdej znanej nam osobie lub rzeczy może być przypisany zestaw neuronów kodujących określone pojęcia.

Pewnego razu do znakomitego rosyjskiego neurochirurga Akakija Akakijewicza zgłosił się pacjent, który chciał zapomnieć o swojej apodyktycznej matce. Lekarz zgodził się spełnić prośbę zdesperowanego mężczyzny. Otworzył czaszkę pacjenta i rach-ciach usunął kilka tysięcy neuronów, które składały się na wspomnienie matki. Gdy mężczyzna obudził się z narkozy, okazało się, że stracił wszystkie wspomnienia związane ze swoją rodzicielką – zarówno te złe, jak i dobre.

Historia ta jest oczywiście fikcją. Nieżyjący już kognitywista Jerry Lettvin (który w przeciwieństwie do Akakijewicza istniał naprawdę) opowiedział ją grupie studentów Massachusetts Institute of Technology w 1969 roku, by zilustrować prowokacyjną ideę, że zaledwie 18 000 neuronów może stanowić podstawę każdego świadomego doświadczenia, procesu myślowego lub wspomnień związanych z osobami i obiektami z naszego otoczenia. Lettvin nigdy nie dowiódł ani nie obalił prawdziwości swej śmiałej hipotezy, a naukowcy od ponad czterdziestu lat dyskutują, głównie żartem, o koncepcji zakładającej istnienie „komórki babci”.

Koncepcja neuronów, które miałyby gromadzić wspomnienia w tak specyficzny sposób, pojawiła się pod koniec XIX wieku, gdy William James sformułował hipotezę o komórce nadrzędnej (pontifical cell), do której podłączona jest nasza świadomość. Jednak istnieniu tego typu neuronów przeczy dominujący pogląd, który głosi, że percepcja określonej osoby lub obiektu jest możliwa dzięki współdziałaniu wielu milionów, jeśli nie miliardów komórek nerwowych, co laureat Nagrody Nobla Charles Sherrington w 1940 roku nazwał „demokracją milionów”. Zgodnie z tą ideą aktywność pojedynczej komórki nerwowej jest bez znaczenia. Sens ma jedynie współpraca bardzo licznych populacji neuronów.

Neurobiolodzy wciąż spierają się o to, ile komórek służy za magazyny, w których są przechowywane określone pojęcia. Czy jest ich stosunkowo niewiele (liczonych w tysiącach), czy też potrzeba ich setek milionów rozmieszczonych szeroko na obszarze całego mózgu? Próby rozstrzygnięcia tego sporu prowadzą do nowego rozumienia mechanizmu zapamiętywania i świadomej myśli – z niewielką pomocą Hollywood.

NEURONY JENNIFER ANISTON

Kilka lat temu wspólnie z Gabrielem Kreimanem, obecnie pracownikiem Harvard Medical School, i Leilą Reddy, badaczką w Brain and Cognition Research Center we francuskiej Tuluzie, przeprowadziliśmy eksperymenty, w wyniku których odkryliśmy w hipokampie (obszarze mózgu, o którym wiadomo, że uczestniczy w procesach zapamiętywania) specyficzny neuron. Jego niezwykłość polegała na tym, że bardzo intensywnie reagował na rozmaite fotografie aktorki Jennifer Aniston, kompletnie ignorując tuziny innych artystów, znanych osób, miejsc i zwierząt. Z kolei u innego pacjenta, zlokalizowany w hipokampie neuron nie reagował na nic innego prócz zdjęć aktorki Halle Berry; wystarczyło samo jej imię i nazwisko wyświetlone na ekranie komputera, by komórka się uaktywniła. Inny neuron reagował wybiórczo na widok fotografii Oprah Winfrey, a także na jej imię i nazwisko, które wyświetlało się na monitorze lub było generowane przez syntezator mowy. Jeszcze inny uaktywnił się w reakcji na reprezentacje Luke’a Skywalkera etc.

Ten rodzaj obserwacji jest możliwy dzięki bezpośredniej rejestracji aktywności poszczególnych neuronów. Inne powszechnie stosowane techniki, takie jak obrazowanie czynnościowe mózgu, pozwalają precyzyjnie określić, które obszary się uaktywniają w momencie wykonywania określonego zadania. Jednak obrazowanie czynnościowe wykrywa całkowite zużycie energii przez miliony komórek i nie pozwala zidentyfikować małych skupisk neuronów, nie mówiąc już o pojedynczych komórkach. By zarejestrować impulsy elektryczne wysyłane przez jednostkowe neurony, trzeba wszczepić do mózgu mikroelektrody cieńsze od ludzkiego włosa. Ta metoda jest stosowana rzadziej niż obrazowanie czynnościowe – jedynie w przypadku szczególnych wskazań medycznych.

Jednym z takich wskazań jest terapia osób cierpiących na epilepsję. Gdy zawodzi leczenie farmakologicznie, można rozważyć przeprowadzenie zabiegu chirurgicznego. Zespół medyczny analizuje dowody kliniczne, by zidentyfikować ognisko padaczkowe, czyli obszary mózgu odpowiedzialne za napady drgawek. Zwykle w tym celu stosuje się nieinwazyjne procedury, takie jak obrazowanie mózgu i analizę patologicznej aktywności elektrycznej na podstawie zapisów EEG otrzymywanych dzięki elektrodom umieszczonym na skórze czaszki. Jednak gdy z zastosowaniem tych metod nie można precyzyjnie zlokalizować ogniska padaczkowego, neurochirurdzy mogą wszczepić do mózgu elektrody i przez kilka dni w warunkach szpitalnych monitorować aktywność neuronów. Następnie przeprowadza się analizę zaobserwowanych napadów padaczkowych.

Bywa, że wśród monitorowanych pacjentów naukowcy szukają ochotników, którzy zechcieliby wziąć udział w badaniach naukowych. Polegają one na tym, że pacjenci wykonują różne zadania poznawcze w czasie, gdy aktywność ich mózgów jest rejestrowana. Na University of California w Los Angeles opracowaliśmy unikatową technikę rejestracji z wykorzystaniem elastycznych elektrod z mikroprzewodów; opracował ją Fried, szef programu chirurgicznego leczenia epilepsji na U.C.L.A., we współpracy z naukowcami z różnych stron świata, m.in. z laboratorium Kocha w California Institute of Technology i z laboratorium Quiana Quirogi na angielskim University of Leicester. Ta technika stwarza niezwykłe możliwości bezpośredniej rejestracji aktywności pojedynczych neuronów przez kilka dni z rzędu u czuwających pacjentów i umożliwia monitorowanie komórek nerwowych uaktywniających się podczas wypełniania określonych zadań – oglądania zdjęć, wspominania lub wykonywania innych czynności. Właśnie w ten sposób odkryliśmy neurony Jennifer Aniston i bezwiednie wskrzesiliśmy dyskusję zainicjowaną przez Lettvina.

KOMÓRKI BABCI – REAKTYWACJA

Czy odkryty przez nas neuron Jennifer Aniston to od dawna znana neurobiologom „komórka babci”? By odpowiedzieć na to pytanie, należy sprecyzować, co kryje się pod pojęciem ukutym przez Lettvina. Skrajna interpretacja hipotezy o „komórce babci” zakłada, że jeden konkretny neuron reaguje tylko i wyłącznie na jedno pojęcie. Jednak jeżeli udało nam się znaleźć pojedynczy neuron, który uaktywnia się na widok Jennifer Aniston, istnieją mocne podstawy ku temu, by sądzić, że musi być ich więcej, ponieważ szansa na znalezienie jednego jedynego neuronu wśród miliardów jest nikła. Ponadto, jeśli tylko jeden neuron byłby odpowiedzialny za reprezentację Jennifer Aniston w naszym umyśle i uległby uszkodzeniu bądź zniszczeniu w wyniku choroby czy też wypadku, w naszej pamięci nie pozostałby ślad po aktorce, co jest nadzwyczaj mało prawdopodobne.

Mniej radykalna interpretacja tej hipotezy zakłada, że to nie jeden neuron, lecz wiele komórek reaguje na określone pojęcie. Teza ta jest prawdopodobna, jednak udowodnienie jej będzie niezwykle trudne albo wręcz niewykonalne. Nie jesteśmy w stanie skonfrontować badanego z każdym możliwym pojęciem, by dowieść, że określony neuron uaktywnia się jedynie na widok Jennifer Aniston. Wręcz przeciwnie – często odkrywamy neurony, które reagują na więcej niż jedno pojęcie. Dlatego też, jeśli w trakcie eksperymentu neuron uaktywnia się tylko i wyłącznie w reakcji na jedną osobę, nie możemy wykluczyć, że nie uległby pobudzeniu pod wpływem innego bodźca, którego nie dostarczyliśmy.

Na przykład, nazajutrz po odkryciu neuronu Jennifer Aniston powtórzyliśmy eksperyment, tym razem wykorzystując o wiele więcej zdjęć związanych z artystką. Okazało się, że neuron uaktywnił się również na widok Lisy Kudrow, aktorki grającej razem z Aniston w popularnym serialu telewizyjnym Przyjaciele, dzięki któremu obie stały się sławne. Neuron, który reagował na Luke’a Skywalkera uaktywniał się również na widok Yody, kolejnego Jedi z Gwiezdnych wojen; jeszcze inny neuron zareagował na dwóch koszykarzy; a kolejny na jednego z autorów tego artykułu i wszystkich naukowców, którzy mieli do czynienia z pacjentem na terenie U.C.L.A. Nawet w tym przypadku nadal można argumentować, że te neurony są komórkami babci, tyle tylko, że reagują na szersze pojęcia, czyli na dwie blondynki z serialu Przyjaciele, dwóch mistrzów Jedi z Gwiezdnych wojen, koszykarzy czy też naukowców przeprowadzających eksperymenty z udziałem danego pacjenta. W ten sposób sprowadza się dyskusję o komórkach babci do problemu semantycznego.

Odłóżmy na bok semantykę i skupmy się na kilku bardzo ważnych aspektach tych tzw. neuronów Jennifer Aniston. Po pierwsze, odkryliśmy, że każda komórka reaguje w sposób wybiórczy – uaktywnia się na widok ułamka zdjęć sławnych osób, polityków, krewnych, charakterystycznych obiektów itp. Po drugie, reaguje na wiele różnych reprezentacji danej osoby bądź miejsca, bez względu na cechy charakterystyczne przedstawionej fotografii. Neuron uaktywnia się w odpowiedzi na rozmaite zdjęcia tej samej osoby, a nawet na widok lub dźwięk jej nazwiska. To tak, jak gdyby neuron poprzez swoje wzorce aktywności mówił: „Wiem, że to jest Jennifer Aniston i nie ma znaczenia, jak mi ją przedstawicie: ubraną w czerwoną sukienkę, z profilu lub jedynie jako imię i nazwisko wyświetlone na monitorze komputera lub wymówione na głos”. W świetle tych obserwacji wydaje się, że neuron reaguje na pojęcie – uaktywnia się w zetknięciu z jakąkolwiek reprezentacją danej rzeczy lub osoby. A zatem bardziej stosowny byłby termin „komórki pojęciowe” zamiast osławionych „komórek babci”. Komórki te mogą niekiedy uaktywnić się pod wpływem większej liczby pojęć, które są ze sobą ściśle powiązane.

Więcej w miesięczniku „Świat Nauki" nr 03/2013 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
11/2017
10/2017 - specjalny
Kalendarium
Listopad
20
W 1985 r. Microsoft zaprezentował system operacyjny Windows 1.0.
Warto przeczytać
Odkrycia Svante Pääbo zrewolucjonizowały antropologię i doprowadziły do naniesienia poprawek w naszym drzewie genealogicznym. Stały się fundamentem, na którym jeszcze przez długie lata budować będą inni badacze

Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Rodrigo Quian Quiroga, Itzhak Fried i Christof Koch | dodano: 2013-02-19
Komórki pamięci

Wyniki ostatnich badań sugerują, że każdej znanej nam osobie lub rzeczy może być przypisany zestaw neuronów kodujących określone pojęcia.

Pewnego razu do znakomitego rosyjskiego neurochirurga Akakija Akakijewicza zgłosił się pacjent, który chciał zapomnieć o swojej apodyktycznej matce. Lekarz zgodził się spełnić prośbę zdesperowanego mężczyzny. Otworzył czaszkę pacjenta i rach-ciach usunął kilka tysięcy neuronów, które składały się na wspomnienie matki. Gdy mężczyzna obudził się z narkozy, okazało się, że stracił wszystkie wspomnienia związane ze swoją rodzicielką – zarówno te złe, jak i dobre.

Historia ta jest oczywiście fikcją. Nieżyjący już kognitywista Jerry Lettvin (który w przeciwieństwie do Akakijewicza istniał naprawdę) opowiedział ją grupie studentów Massachusetts Institute of Technology w 1969 roku, by zilustrować prowokacyjną ideę, że zaledwie 18 000 neuronów może stanowić podstawę każdego świadomego doświadczenia, procesu myślowego lub wspomnień związanych z osobami i obiektami z naszego otoczenia. Lettvin nigdy nie dowiódł ani nie obalił prawdziwości swej śmiałej hipotezy, a naukowcy od ponad czterdziestu lat dyskutują, głównie żartem, o koncepcji zakładającej istnienie „komórki babci”.

Koncepcja neuronów, które miałyby gromadzić wspomnienia w tak specyficzny sposób, pojawiła się pod koniec XIX wieku, gdy William James sformułował hipotezę o komórce nadrzędnej (pontifical cell), do której podłączona jest nasza świadomość. Jednak istnieniu tego typu neuronów przeczy dominujący pogląd, który głosi, że percepcja określonej osoby lub obiektu jest możliwa dzięki współdziałaniu wielu milionów, jeśli nie miliardów komórek nerwowych, co laureat Nagrody Nobla Charles Sherrington w 1940 roku nazwał „demokracją milionów”. Zgodnie z tą ideą aktywność pojedynczej komórki nerwowej jest bez znaczenia. Sens ma jedynie współpraca bardzo licznych populacji neuronów.

Neurobiolodzy wciąż spierają się o to, ile komórek służy za magazyny, w których są przechowywane określone pojęcia. Czy jest ich stosunkowo niewiele (liczonych w tysiącach), czy też potrzeba ich setek milionów rozmieszczonych szeroko na obszarze całego mózgu? Próby rozstrzygnięcia tego sporu prowadzą do nowego rozumienia mechanizmu zapamiętywania i świadomej myśli – z niewielką pomocą Hollywood.

NEURONY JENNIFER ANISTON

Kilka lat temu wspólnie z Gabrielem Kreimanem, obecnie pracownikiem Harvard Medical School, i Leilą Reddy, badaczką w Brain and Cognition Research Center we francuskiej Tuluzie, przeprowadziliśmy eksperymenty, w wyniku których odkryliśmy w hipokampie (obszarze mózgu, o którym wiadomo, że uczestniczy w procesach zapamiętywania) specyficzny neuron. Jego niezwykłość polegała na tym, że bardzo intensywnie reagował na rozmaite fotografie aktorki Jennifer Aniston, kompletnie ignorując tuziny innych artystów, znanych osób, miejsc i zwierząt. Z kolei u innego pacjenta, zlokalizowany w hipokampie neuron nie reagował na nic innego prócz zdjęć aktorki Halle Berry; wystarczyło samo jej imię i nazwisko wyświetlone na ekranie komputera, by komórka się uaktywniła. Inny neuron reagował wybiórczo na widok fotografii Oprah Winfrey, a także na jej imię i nazwisko, które wyświetlało się na monitorze lub było generowane przez syntezator mowy. Jeszcze inny uaktywnił się w reakcji na reprezentacje Luke’a Skywalkera etc.

Ten rodzaj obserwacji jest możliwy dzięki bezpośredniej rejestracji aktywności poszczególnych neuronów. Inne powszechnie stosowane techniki, takie jak obrazowanie czynnościowe mózgu, pozwalają precyzyjnie określić, które obszary się uaktywniają w momencie wykonywania określonego zadania. Jednak obrazowanie czynnościowe wykrywa całkowite zużycie energii przez miliony komórek i nie pozwala zidentyfikować małych skupisk neuronów, nie mówiąc już o pojedynczych komórkach. By zarejestrować impulsy elektryczne wysyłane przez jednostkowe neurony, trzeba wszczepić do mózgu mikroelektrody cieńsze od ludzkiego włosa. Ta metoda jest stosowana rzadziej niż obrazowanie czynnościowe – jedynie w przypadku szczególnych wskazań medycznych.

Jednym z takich wskazań jest terapia osób cierpiących na epilepsję. Gdy zawodzi leczenie farmakologicznie, można rozważyć przeprowadzenie zabiegu chirurgicznego. Zespół medyczny analizuje dowody kliniczne, by zidentyfikować ognisko padaczkowe, czyli obszary mózgu odpowiedzialne za napady drgawek. Zwykle w tym celu stosuje się nieinwazyjne procedury, takie jak obrazowanie mózgu i analizę patologicznej aktywności elektrycznej na podstawie zapisów EEG otrzymywanych dzięki elektrodom umieszczonym na skórze czaszki. Jednak gdy z zastosowaniem tych metod nie można precyzyjnie zlokalizować ogniska padaczkowego, neurochirurdzy mogą wszczepić do mózgu elektrody i przez kilka dni w warunkach szpitalnych monitorować aktywność neuronów. Następnie przeprowadza się analizę zaobserwowanych napadów padaczkowych.

Bywa, że wśród monitorowanych pacjentów naukowcy szukają ochotników, którzy zechcieliby wziąć udział w badaniach naukowych. Polegają one na tym, że pacjenci wykonują różne zadania poznawcze w czasie, gdy aktywność ich mózgów jest rejestrowana. Na University of California w Los Angeles opracowaliśmy unikatową technikę rejestracji z wykorzystaniem elastycznych elektrod z mikroprzewodów; opracował ją Fried, szef programu chirurgicznego leczenia epilepsji na U.C.L.A., we współpracy z naukowcami z różnych stron świata, m.in. z laboratorium Kocha w California Institute of Technology i z laboratorium Quiana Quirogi na angielskim University of Leicester. Ta technika stwarza niezwykłe możliwości bezpośredniej rejestracji aktywności pojedynczych neuronów przez kilka dni z rzędu u czuwających pacjentów i umożliwia monitorowanie komórek nerwowych uaktywniających się podczas wypełniania określonych zadań – oglądania zdjęć, wspominania lub wykonywania innych czynności. Właśnie w ten sposób odkryliśmy neurony Jennifer Aniston i bezwiednie wskrzesiliśmy dyskusję zainicjowaną przez Lettvina.

KOMÓRKI BABCI – REAKTYWACJA

Czy odkryty przez nas neuron Jennifer Aniston to od dawna znana neurobiologom „komórka babci”? By odpowiedzieć na to pytanie, należy sprecyzować, co kryje się pod pojęciem ukutym przez Lettvina. Skrajna interpretacja hipotezy o „komórce babci” zakłada, że jeden konkretny neuron reaguje tylko i wyłącznie na jedno pojęcie. Jednak jeżeli udało nam się znaleźć pojedynczy neuron, który uaktywnia się na widok Jennifer Aniston, istnieją mocne podstawy ku temu, by sądzić, że musi być ich więcej, ponieważ szansa na znalezienie jednego jedynego neuronu wśród miliardów jest nikła. Ponadto, jeśli tylko jeden neuron byłby odpowiedzialny za reprezentację Jennifer Aniston w naszym umyśle i uległby uszkodzeniu bądź zniszczeniu w wyniku choroby czy też wypadku, w naszej pamięci nie pozostałby ślad po aktorce, co jest nadzwyczaj mało prawdopodobne.

Mniej radykalna interpretacja tej hipotezy zakłada, że to nie jeden neuron, lecz wiele komórek reaguje na określone pojęcie. Teza ta jest prawdopodobna, jednak udowodnienie jej będzie niezwykle trudne albo wręcz niewykonalne. Nie jesteśmy w stanie skonfrontować badanego z każdym możliwym pojęciem, by dowieść, że określony neuron uaktywnia się jedynie na widok Jennifer Aniston. Wręcz przeciwnie – często odkrywamy neurony, które reagują na więcej niż jedno pojęcie. Dlatego też, jeśli w trakcie eksperymentu neuron uaktywnia się tylko i wyłącznie w reakcji na jedną osobę, nie możemy wykluczyć, że nie uległby pobudzeniu pod wpływem innego bodźca, którego nie dostarczyliśmy.

Na przykład, nazajutrz po odkryciu neuronu Jennifer Aniston powtórzyliśmy eksperyment, tym razem wykorzystując o wiele więcej zdjęć związanych z artystką. Okazało się, że neuron uaktywnił się również na widok Lisy Kudrow, aktorki grającej razem z Aniston w popularnym serialu telewizyjnym Przyjaciele, dzięki któremu obie stały się sławne. Neuron, który reagował na Luke’a Skywalkera uaktywniał się również na widok Yody, kolejnego Jedi z Gwiezdnych wojen; jeszcze inny neuron zareagował na dwóch koszykarzy; a kolejny na jednego z autorów tego artykułu i wszystkich naukowców, którzy mieli do czynienia z pacjentem na terenie U.C.L.A. Nawet w tym przypadku nadal można argumentować, że te neurony są komórkami babci, tyle tylko, że reagują na szersze pojęcia, czyli na dwie blondynki z serialu Przyjaciele, dwóch mistrzów Jedi z Gwiezdnych wojen, koszykarzy czy też naukowców przeprowadzających eksperymenty z udziałem danego pacjenta. W ten sposób sprowadza się dyskusję o komórkach babci do problemu semantycznego.

Odłóżmy na bok semantykę i skupmy się na kilku bardzo ważnych aspektach tych tzw. neuronów Jennifer Aniston. Po pierwsze, odkryliśmy, że każda komórka reaguje w sposób wybiórczy – uaktywnia się na widok ułamka zdjęć sławnych osób, polityków, krewnych, charakterystycznych obiektów itp. Po drugie, reaguje na wiele różnych reprezentacji danej osoby bądź miejsca, bez względu na cechy charakterystyczne przedstawionej fotografii. Neuron uaktywnia się w odpowiedzi na rozmaite zdjęcia tej samej osoby, a nawet na widok lub dźwięk jej nazwiska. To tak, jak gdyby neuron poprzez swoje wzorce aktywności mówił: „Wiem, że to jest Jennifer Aniston i nie ma znaczenia, jak mi ją przedstawicie: ubraną w czerwoną sukienkę, z profilu lub jedynie jako imię i nazwisko wyświetlone na monitorze komputera lub wymówione na głos”. W świetle tych obserwacji wydaje się, że neuron reaguje na pojęcie – uaktywnia się w zetknięciu z jakąkolwiek reprezentacją danej rzeczy lub osoby. A zatem bardziej stosowny byłby termin „komórki pojęciowe” zamiast osławionych „komórek babci”. Komórki te mogą niekiedy uaktywnić się pod wpływem większej liczby pojęć, które są ze sobą ściśle powiązane.