O studiu paměti u lidí a zvířat

Jednou z nejdůležitějších a nejzajímavějších schopností lidské mysli je schopnost učit se a pamatovat si. Klíčovou strukturou mozku, která se na učení a pamatování podílí u lidí i u zvířat, je hipokampus. Jak víme, že právě tato část mozku je pro učení důležitá? Jak se projevuje poškození hipokampu u pacientů? Co se o fungování hipokampu dovídáme z pokusů na laboratorních zvířatech? A nakolik vůbec mohou pokusy na „neinteligentních„ zvířatech pomoci při studiu lidské paměti?

Hipokampus a lidská paměť

Hipokampus získal pojmenování podle mořského koníka (lat. hippocampus), kterého připomíná svým zkrouceným tvarem. Nachází se pod vrstvou vrásčité mozkové kůry a je jakýmsi jejím vývojovým předchůdcem.

Význam hipokampu pro učení a paměť dokládají příklady pacientů, kteří (z nejrůznějších příčin) měli tuto část mozku poškozenou. Snad nejzevrubněji byl studován případ pacienta označovaného iniciálami H. M., jemuž byla r. 1953 ve věku 27 let chirurgicky odňata část mozku zahrnující hipokampus a přilehlé struktury. Byl to způsob, jak ho zbavit epileptických záchvatů ohrožujících jeho život. Po zákroku epilepsie ustoupila, u pacienta se ale objevily poruchy paměti, které přetrvávají až do současnosti. Pacient uvádí datum i svůj věk takové, jako byly před operací. Rozhovory s lidmi si nepamatuje déle než několik minut a později popírá, že by s někým mluvil. Vzpomínky na dětství i dobu před operací si pacient H. M. vybavuje dobře, nedovede si však vytvořit vzpomínky nové. Dalo by se říci, že jeho mysl je „zakleta“ v minulosti, kterou nedokáže opustit. Přitom ale chirurgický zákrok nijak nezměnil pacientovu schopnost vnímání, abstraktního myšlení či logického uvažování.

Poškození paměti se u pacienta H. M. týká pouze deklarativní paměti, tj. paměti obsahující znalosti, které je možné verbálně vyjádřit – deklarovat. Fungující deklarativní paměť je nevyhnutelná pro zapamatování faktů (např. že Paříž je hlavním městem Francie) nebo pro zapamatování příběhů, které se odehrály v minulosti. Deklarativní paměť člověk používá například i tehdy, když si ráno potřebuje vzpomenout, kam předešlý večer uložil klíče. U pacienta H. M. nebyla poškozena procedurální paměť, která se používá při osvojování dovedností, jako jsou jízda na kole, plavání, hra na hudební nástroj, čtení či psaní. Kombinace neporušené procedurální paměti a chybějící paměti deklarativní u pacientů s poškozeným hipokampem vede k paradoxním situacím; pacient se dokáže naučit plavat, protože jeho procedurální paměť je neporušená, ale protože postrádá deklarativní paměť, nepamatuje si, že by plavat uměl a že by se to kdy učil.

Na základě studia pacienta H. M. je možné vyslovit dva závěry o roli hipokampu v kognitivních schopnostech lidí:

• Hipokampus je nevyhnutelný pro vytváření nových vzpomínek, není však potřebný pro vybavování vzpomínek, které jsou v paměti uloženy už delší dobu.
• Hipokampus je potřebný pro fungování deklarativní paměti, procedurální paměť je však na hipokampu nezávislá.

Prostorová paměť u zvířat

Studium paměti u lidských pacientů má samozřejmě svá omezení, kromě etických ohledů například i to, že poškození mozku, která vznikla při nemocech či léčebných zákrocích, jsou málokdy omezena na jednu funkčně vymezenou část mozku. Obyčejně zahrnují více různých sousedících oblastí, což ztěžuje studium specifické role jednotlivých mozkových struktur. K lepšímu pochopení funkce hipokampu tak mohou přispět pokusy na laboratorních zvířatech, nejčastěji na potkanech.

Najít způsob jak testovat deklarativní paměť u zvířat však není jednoduché. Zvířata nemohou získané znalosti vyjádřit verbálně. Přesto existuje typ úkolů, jejichž řešení u lidí vyžaduje neporušený hipokampus, ale mohou je řešit i němá zvířata. Jsou to prostorové úkoly. Zvíře se naučí rozeznávat důležité místo v prostředí, například ví, kde dostává potravu, a přestože svou znalost nedovede formulovat slovy, umí ji vyjádřit aktivním pohybem ke zdroji potravy. Podobně by na tom byl člověk, který by nemohl mluvit, a tedy by nám nemohl říci, kam položil klíče, ale mohl by nám to místo ukázat.

Pro studium funkce hipokampu a prostorové orientace u zvířat se nejčastěji používá úloha, ve které potkan plave v bazénu se zakalenou (neprůhlednou) vodou a oddechnout si může pouze na ostrůvku ukrytém těsně pod hladinou. Tento ostrůvek se zvířata učí co nejrychleji najít. Hledat ho mohou podle orientačních bodů v místnosti – podle polohy oken, dveří, stolů apod. Pokusy ukázaly, že schopnost potkanů zapamatovat si místo, kde se ostrůvek nachází, je – podobně jako deklarativní paměť u lidí – závislá na neporušeném hipokampu. Je-li zvířatům hipokampus zničen, už nikdy skrytý ostrůvek nenajdou, i když před zničením hipokampu jej nacházela snadno. Neschopnost laboratorních potkanů s vyřazeným hipokampem nacházet ostrůvek dokládá pokus z naší laboratoře, při kterém byl potkanům hipokampus poškozen vlivem oxidu uhelnatého (obrázek).

Nervové buňky v hipokampu rozeznávají polohu zvířete

Poté, co jsme se dověděli, že se hipokampus u lidí i u potkanů podílí na učení a paměti, podíváme se na činnost této mozkové struktury detailněji. Bude nás zajímat aktivita jednotlivých nervových buněk (neuronů) v hipokampu. Tu je možné sledovat elektrodami implantovanými do mozku (obrázek). Z pochopitelných důvodů není možné dělat tato pozorování na lidech, a tak nám opět jako modelový příklad poslouží laboratorní potkan. V hipokampu těchto zvířat byly objeveny nervové buňky s prostorově specifickou aktivitou. Každá z nich je aktivní (tj. vysílá elektrické signály ostatním neuronům) pouze tehdy, když se zvíře nachází v určitém místě svého prostředí. Jestliže se potkan pohybuje v jiných místech prostředí, buňka aktivní není. Podle prostorově specifické aktivity byly buňky nazvány místní neurony nebo místní buňky (place cells). Oblast prostoru, ve které se místní neuron aktivuje, se nazývá aktivační místo buňky. Aktivační místa místních neuronů jsou různě velká a všechna dohromady rovnoměrně pokrývají celé prostředí, v němž se potkan pohybuje. Když se potkan opakovaně vrací do stejného prostředí, aktivita hipokampových buněk zůstává stejná. Příklady prostorově specifické aktivity místních neuronů jsou na obrázku.

Objev prostorově specifické aktivity hipokampálních neuronů posílil představu o důležitosti hipokampu při vnímání prostoru, řešení prostorových úloh a jejich pamatování. Jakou hipokampální informaci však místní neurony zprostředkovávají? Reagují na nějaký složitý smyslový vstup, který zvíře vnímá jenom v jednom místě prostředí, a jsou to tudíž jakési vysoce sofistikované buňky smyslového systému? Nebo jsou součástí systému, který rozeznává něco abstraktnějšího (jednotlivá místa v prostoru a jejich vzájemnou polohu), a tím vytváří mapu, kterou zvíře využívá k navigaci? Bylo provedeno mnoho pokusů, které odpověď na podobné otázky poodhalují.

Abychom si ověřili, nakolik je aktivita místních neuronů ovládána smyslovými informacemi, představme si pokus v úplně jednoduché experimentální místnosti, ve které je jenom jediný orientační bod – třeba čtvrtka bílého papíru přilepená na tmavé stěně. Pokud papír přesuneme na sousední stěnu (otočíme ho o 90°), aktivační místa všech místních buněk se otočí spolu s orientačním bodem tak, že jejich poloha vůči papíru zůstane nezměněna. Z toho lze jednoznačně vyvodit, že aktivita místních buněk je ovládána zrakovými podněty.

Nakolik je aktivita místních neuronů závislá na přítomnosti dominantního zrakového podnětu, je možné ověřit tak, že zvířeti, které se pohybuje ve známém prostředí, zhasneme světlo. V této situaci potkan nemůže určovat svoji polohu podle viditelných orientačních bodů, a přesto zůstává aktivita místních neuronů zachována – poloha aktivačních míst místních buněk se nezmění. Jediný způsob, jak mohou místní buňky ve tmě určit polohu potkana, je vypočíst ji na základě pohybů zvířete a znalosti prostorových vztahů mezi jednotlivými místy prostředí. Je tudíž velmi pravděpodobné, že v hipokampu je uložena nejenom reprezentace jednotlivých míst v prostředí, ale také reprezentace prostorových vztahů mezi jednotlivými místy. Hipokampus tedy lze považovat za kognitivní mapu, díky které se může potkan orientovat i v případě, kdy nejsou dostupné informace o orientačních bodech.

Jiný experimentální výsledek ukazuje, že aktivita místních neuronů odráží také zkušenost zvířete se spolehlivostí jednotlivých orientačních bodů. Pokud se poloha některého orientačního bodu často mění, pak tento bod přestane být spolehlivý a na aktivitu místních buněk ztratí vliv – poloha aktivačních míst místních neuronů se přestane měnit v závislosti na pohybu nespolehlivého orientačního bodu.

Tyto pokusy ukazují, že v hipokampu potkanů je přítomna poměrně složitá reprezentace prostoru. Místní buňky citlivě reagují nejen na to, co zvíře právě okolo sebe vidí (na polohu orientačních bodů), ale odrážejí i zkušenost zvířete („tamto, co se stále přemísťuje, není pro orientaci spolehlivé“) a jeho představu o tom, kde se zrovna nachází („sice je tma, ale já jsem nikam nešlo, tudíž jsem tam, kde jsem bylo“). Současně jsou v hipokampu uloženy vzájemné prostorové vztahy mezi různými místy. Vzniká tak robustní reprezentace prostoru, která potkanům umožňuje orientaci do určité míry i v situaci, kdy orientační body nejsou dostupné nebo dávají nejednoznačnou informaci.

Co dnes víme o fungování hipokampu u potkanů a u lidí

Lidský hipokampus je strukturou záhadnou a těžko přístupnou našemu zkoumání. Jeho potkaní protějšek je však dobře prozkoumán a mnohé z toho, co bylo zjištěno o hipokampu těchto hlodavců, lze snad zobecnit i na lidský hipokampus. Na základě prostorově specifické aktivity místních buněk víme, že v hipokampu potkanů jsou reprezentována jednotlivá místa prostoru a jejich vzájemná pozice. Víme také, že v signálech, které vysílají do hipokampu jiné struktury mozku, prostorová informace obsažena není. Hipokampus potkanů je tudíž pravděpodobně místem, kde reprezentace prostoru vzniká. K tomu, aby prostorová mapa vznikla, je potřeba zpracovat smyslové informace, které potkan vnímá. V každém místě je zvíře vystaveno několika různým smyslovým vjemům, zprostředkovaným různými smysly. Potkan cítí zápach daného místa, vnímá strukturu povrchu, na němž stojí, a vidí různé scenérie podle toho, kterým směrem se z místa dívá. Tyto různé vjemy, jež se vážou k jednomu místu, jsou v hipokampu vzájemně propojeny a toto propojení je zapamatováno. Zpracovávání smyslových informací však nemůže být pouze pasivní děj (neselektované přijímání). Protože přicházející informace mohou být protichůdné, je nezbytné je hodnotit a najít mezi nimi ty, které poslouží pro rozpoznání jednotlivých míst prostoru.

Schopnost hipokampu analyzovat a na základě souvislostí propojovat signály přicházející ze smyslů je u potkanů využívána pro orientaci v prostoru. Můžeme spekulovat o tom, že ty samé nebo velmi podobné procesy mohou být využívány pro zapamatovávání i jiných než prostorových vztahů, třeba souvislostí, které jsou obsahem deklarativní paměti u člověka.

...a co o fungování hipokampu ještě nevíme

Přes poznání, které výzkum hipokampu přinesl, zůstávají mnohé otázky nevyřešeny. Je nesporné, že hipokampus je nevyhnutelný pro vytváření vzpomínek, není však přesně známo, zda jsou vytvořené vzpomínky v hipokampu také dlouhodobě uloženy, nebo jestli k uskladňování vzpomínek slouží jiné části mozku. Pokusy jednoznačnou odpověď na tuto otázku nedávají. Zatímco u lidských pacientů zůstávají zachovány vzpomínky, které byly vytvořeny delší dobu před poškozením hipokampu (jako by byly zapamatovány v jiné části mozku), u potkanů se po zničení hipokampu starší prostorové vzpomínky nezachovají (jejich hipokampus slouží i jako místo k dlouhodobému uchování vzpomínek).

Tento rozdíl mezi lidským a potkaním hipokampem nás vede k další otevřené otázce, nakolik podobnou roli zastává hipokampus u různých živočišních druhů. I když jsme si dovolili vyslovit hypotézu, že hipokampus lidský a potkaní zastávají podobnou funkci v různých kontextech u potkanů v kontextu prostorové paměti a u lidí v kontextu deklarativní paměti možné je i to, že se funkce této mozkové struktury u různých druhů výrazněji liší.