Navigační systém mozku

Čerstvými laureáty Nobelovy ceny za fyziologii a medicínu jsou John O’Keefe z britské University College v Londýně a manželé Edvard a May-Brit Moserovi z Norské technické a přírodovědecké univerzity v Trondheimu. Cenu dostali za objevy v oblasti výzkumu mozkového systému pro prostorovou navigaci. Tento článek má za cíl představit nejen hlavní neuronové součásti tohoto systému: poziční neurony, neurony směru hlavy a mřížkové neurony, k jejichž objevu laureáti lvím dílem přispěli, ale také příběhy, které se skrývají za těmito objevy.

Objev pozičních neuronů

V šedesátých letech bylo poprvé technicky možné registrovat miniaturní elektrické jevy spojené s aktivitou jednotlivých neuronů u bdělých, volně se pohybujících laboratorních zvířat. Jedním z míst, kam vědci zaměřili svoji pozornost, byla mozková struktura s názvem hipokampus. Tou dobou bylo známo, že hipokampus hraje důležitou úlohu v učení, a to zejména při formování a uchovávání epizodické paměti – paměti pro události v jejich prostorovém a časovém kontextu. V roce 1971 John O’Keefe a Jonathan Dostrovsky z University College v Londýně publikovali objev pozičních neuronů (orig. place cells, též poziční buňky, lze se setkat i s názvem neurony místa či místní buňky) – hipokampálních pyramidových neuronů, které se aktivují pouze ve specifických místech prostředí. Ilustrace z jejich původního článku je reprodukována na obr. 1A. Tato práce vyšla jako krátký příspěvek ve specializovaném časopise Brain Research. O’Keefe a Dostrovsky nebyli jediní, kteří ve stejné době nahrávali aktivitu v hipokampu. James Ranck ve Spojených státech popsal nejrůznější vlastnosti hipokampálních neuronů u volně se pohybujících potkanů v komplexním prostředí, paradoxně však prostorově specifické odpovědi těchto neuronů jeho pozornosti unikly, což přispělo k tomu, že objev pozičních neuronů zůstal zpočátku bez větší odezvy. Nelze se ostatně příliš divit – představa, že by jednotlivé neurony daleko od senzorických oblastí kódovaly něco tak abstraktního jako prostor, byla více než divoká. Přes toto chladné přijetí O’Keefe a jeho kolega Lynn Nadel (který se do Londýna uchýlil po invazi vojsk Varšavské smlouvy z vědecké stáže v Praze) dál hloubali nad teoretickými důsledky objevu pozičních buněk a v roce 1978 publikovali knihu Hipokampus jako kognitivní mapa, ve které představili hypotézu o hipokampu jako struktuře s klíčovou rolí v prostorové navigaci a reinterpretovali předchozí data v tomto novém kontextu.

Postupem času však zájem o studium hipokampálních pozičních neuronů narůstal i u dalších výzkumníků. Jedněmi z nejprogresivnějších byli Robert Muller a John Kubie, kteří se připojili k Jamesi Ranckovi v Centru zdravotních věd Newyorské státní univerzity v Brooklynu a začali systematicky zkoumat vlastnosti těchto neuronů. Jejich nový přístup umožnil zodpovědět otázky týkající se toho, jak okolní orientační body ovlivňují aktivitu pozičních neuronů nebo jak tyto buňky kódují a rozlišují různá prostředí. Poziční neurony nahrávali v přísně definovaných experimentálních podmínkách a jejich prostorové odpovědi prezentovali novým a přesvědčivějším způsobem. Experimenty probíhaly na potkanech volně se pohybujících v kruhovitém šedivém válci (o průměru max. do 1 m), vizuálně odstíněném od zbytku místnosti černým závěsem. Jediným polarizujícím orientačním bodem byl černý nebo bílý papírový obdélník, umístěný na stěně válce. V průběhu pokusu do této arény náhodně dopadaly malé porce potravy, zaručující, že potkan opakovaně navštíví všechny její části. Takto zorganizovaný pokus měl několik výhod: chování potkana v celé aréně bylo stejnorodé, a tak pozorovanou odpověď hipokampálních buněk bylo možno připsat jen jeho pozici v prostoru, a nikoli eventuálnímu specifickému chování v daném místě. Navíc jednoduché prostorové uspořádání arény umožňovalo snadnou manipulaci s orientačními body, které autoři ve svých experimentech hojně využili. Další inovací bylo použití počítače k registraci dat a k jejich vyhodnocování (v osmdesátých letech 20. století bylo využití počítače v biologickém výzkumu průkopnické). Autoři vytvořili mapy prostorové aktivity buněk – mapy, na kterých je povrch arény rozdělen na pixely, jejichž barva určuje stupeň aktivace buňky (akční potenciály za vteřinu, Hz) po dobu, kdy se potkan v dané souřadnici nacházel (obr. 1B). Ve srovnání se zobrazením aktivity pozičních buněk v původním článku O’Keefa a Dostrovského (obr. 1A) bylo použití map prostorové aktivity mnohem působivější a přesvědčivější. Takto navržené experimenty umožnily odhalit několik zajímavých vlastností pozičních buněk (některé byly popsány v článku E. K.: Neurónový podklad priestorovej navigácie, Vesmír 89, 386, 2010/6). Typický poziční neuron se aktivuje v jednom místě prostředí, pokrývajícím až 30 procent povrchu arény. Různé poziční buňky se aktivují v různých místech, společně tak pokrývají celé prostředí a tvoří jeho prostorovou mapu. Pokusy, při kterých barevný papírový obdélník (sloužící jako orientační bod) rotoval, ukázaly, že hipokampová mapa rotovala též, což vypovídá o jejím vztahu k vizuálním orientačním stopám. Při odstranění obdélníku ale buňky aktivitu příliš nezměnily. Podobně zůstaly buňky aktivní při zhasnutém světle, kdy byly vizuální orientační body zcela nepřítomné a potkan se mohl orientovat jen podle vlastních pachových značek na podlaze nebo na základě neurálního systému registrujícího historii vlastních posledních pohybů (jeho rychlost a změny směru). Tyto pokusy odkryly obraz hipokampových neuronů jako buněk, které označují abstraktní „místo“ určené konstelací orientačních bodů, ale nejsou na žádném z nich plně závislé. V daném prostředí má asi 30 až 40 procent hipokampálních pyramidálních neuronů vlastnosti pozičních buněk, zbylé neurony aktivní nejsou. V rozdílných prostředích se tak aktivují jiné skupiny pozičních buněk, do značné míry nezávislých, a tato prostředí jsou pak reprezentována odlišnými hipokampálními mapami. Hipokampální neurální aktivita tedy na jedné straně reprezentuje rozdílná prostředí (kontexty) pomocí aktivace specifických skupin pozičních neuronů, a zároveň na druhé straně v rámci daného prostředí reprezentuje i jednotlivá místa prostřednictvím pozičně specifické aktivity těchto buněk.

Další prominentní laboratoř studující poziční buňky bylo pracoviště Bruce McNaughtona a Carol Barnesové na Arizonské univerzitě v Tucsonu. Ti se stali průkopníky nových metod nahrávání velkého množství – mnoha desítek – hipokampálních neuronů současně. Tito výzkumníci ukázali, že podle aktivity dostatečně rozsáhlého ansámblu pozičních buněk lze spolehlivě předpovídat aktuální pozici potkana. Dokonce objevili, že trasu pohybu lze zrekonstruovat i z aktivity registrované během spánku, a tak téměř doslova „číst potkaní sny“. Kromě jiných pokusů studovala tato skupina poziční neurony na palubě raketoplánu Columbia, aby zjistila vliv vlastního pohybu a vnějších orientačních bodů na aktivitu pozičních neuronů. Vytvořili důmyslnou trojrozměrnou dráhu, pojmenovanou Escherovo schodiště (podle grafika M. C. Eschera, známého geometrickými obrazci, jež často odporují fyzikálním zákonitostem), která obsahovala tři přímé úseky a tři pravé úhly, takže se potkan v rozporu s pozemskou zkušeností už po třech 90stupňových zatočeních dostal do stejného místa, z kterého vyšel. Ukázalo se, že i za těchto podmínek poziční neurony spolehlivě mapují prostředí.

Jakým směrem dál?

Ihned po (zpočátku nedůvěřivém) přijetí do té doby nepředstavitelných vlastností pozičních buněk se vědci snažili prozkoumat aktivitu buněk v okolních oblastech, ať již těch, jež signál do hipokampu vysílají, tak dalších, které na něj funkčně navazují. To vedlo v polovině osmdesátých let k tomu, že James Ranck objevil nový typ buněk – neurony směru hlavy (angl. head direction cells). Pokud jsou poziční neurony přirovnávány k jakési mapě prostředí, buňky směru hlavy lze připodobnit ke kompasu. Aktivují se, pokud je hlava potkana orientována v určitém směru, bez ohledu na to, kde se zrovna potkan v prostředí nachází (obr. 2). V důsledku toho je pak při jakékoli orientaci potkana v prostředí kódován aktuální směr hlavy skupinou aktivních neuronů. Nenacházejí se však v hipokampu, ale v jiných strukturách, jakými jsou postsubikulum, přední thalamus, mamilární tělesa a entorhinální kůra. Nutno dodat, že jejich orientace není odvozena od geomagnetického pole Země, jako je tomu u skutečného kompasu, nýbrž od zrakových, sluchových či vestibulárních podnětů v daném prostředí.

Vedle fyziologů s mikroelektrodami se o průlom pokoušeli i badatelé z oblastí teoretických neurověd, modelující nervový systém matematicky. Zde bylo otázkou, jak by měla zdrojová informace, jež do hipokampu přichází, vypadat, aby z ní posléze vznikla pozičně a kontextově specifická aktivita pozičních neuronů. Vznikly různé modely, beroucí v potaz rozličný charakter vstupního signálu. Ale po objevu buněk směru hlavy se očekávalo především nalezení buněčného typu, který by reflektoval rychlost pohybu – na základě těchto dvou informací lze totiž zkonstruovat souřadnice polohy i bez zrakové kontroly (jak známo, hipokampový poziční systém funguje i za naprosté tmy). Posun nečekaným směrem měl však přijít až za dalších dvacet let.

Mřížkové buňky – GPS a inspirace u zelináře

Objev mřížkových neuronů (grid cells) byl překvapivý. Norská laboratoř Edvarda a May-Britt Moserových na doporučení holandského neuroanatoma Menno Wittera, specialisty na anatomickou organizaci celého parahipokampálního systému, začala intenzivně zkoumat původ aktivity pozičních neuronů. Poté, co nejprve prokázali, že jejich charakteristika není příliš narušena ani po zásadním omezení výpočetní kapacity hipokampu, začali pátrat v entorhinální oblasti. Ta je informační vstupní bránou hipokampu. Nejenže je hlavním zdrojem neurálního signálu hipokampu, ale zároveň zpracovanou informaci posílá zpět do svých hlubokých vrstev – tvoří spolu tedy funkční smyčku, kdy entorhinální kůra je jakési rozhraní hipokampu pro komunikaci s kteroukoli další oblastí mozkové kůry. Moserovi se svými studenty v její vnitřní části (mediální entorhinální kůře) brzy nalezli buňky s podobně selektivní prostorovou aktivitou, které se však na rozdíl od hipokampových pozičních neuronů zdály být téměř vždy aktivní na více místech povrchu, a navíc ve všech testovaných prostředích. Pak přišel při použití větších experimentálních arén – cca z 0,5–1 m až na 2 m v průměru – zlom. Byl to skutečně blesk z čistého nebe. Zóny aktivity, kterých se do předchozích malých prostředí nevešlo dost na to, aby ukázaly svoji geometrii, najednou tvořily jasné uzly pomyslné trojúhelníkovité sítě, pokrývající celou arénu (obr. 3B, 4). Tato síť nebyla omezena jen na vybraná prostředí, jak je tomu u hipokampových pozičních neuronů, ale rozprostírala se všude, kam potkan doslova položil tlapku. Byl objeven metrický systém mozku.

Nejjednodušší volnou paralelou k systému mřížkových buněk je náš kartografický souřadnicový systém. Každé místo na Zemi je charakterizováno dvěma čísly – poledníkem a rovnoběžkou. Síť průsečíků aktivních zón každé mřížkové buňky ale samozřejmě není číslovaná, a jak již bylo zmíněno, není ani přibližně pravoúhlá jako síť kartografická. Dvě osy zde nahrazují osy tři, jež takto vytvářejí strukturu trojúhelníkovitou (či šestihrannou, chceme-li). Dále je absence numerických koordinát vyvážena faktem, že mřížkové neurony jsou organizovány do několika skupin, které se liší hustotou průsečíků – směrem k temeni se jejich hustota zvyšuje. Jako by zde tedy přes sebe bylo na mapě položeno větší množství sítí různých hustot, jejichž průsečíky napříč svými vrstvami vytvářejí v každém bodě mapy jedinečnou konstelaci – a tedy unikátní koordinátu jako v systému GPS.

Snad nejvíc vzrušení přinesl fakt, že trojúhelníkový vzorec sítě je jen a jen produkt mozku – v tak zřejmé podobě v přírodě okolo nás trojúhelníky všudypřítomné nejsou. Především tento aspekt činí objev tak významným: přesahuje totiž hranice orientační funkce a zasahuje do obecné organizace mozkových procesů. Mozek v kterékoli své části používá tytéž základní výpočetní mechanismy a díky až krystalicky čisté struktuře aktivity mřížkových buněk mají neurovědci účinný nástroj, jak tyto mechanismy zkoumat a implikovat je i do oblastí, jež tak dobře čitelné nejsou. Tedy jistá paralela by zde byla – identický vzorec dostaneme, když budeme chtít co nejvíce stejných sférických objektů umístit do vymezeného objemu – popřemýšlejme o tom při pohledu na velikostně znormované pomeranče naskládané v regálech zelinářství.

Hipokampo-entorhinální dilema a vztah k paměti

Jak je tedy celý systém provázaný? Mediální entorhinální kůra obsahuje mnoho buněk, z nichž ty mřížkové tvoří patrně nejpočetnější, ale nikoli jediný přítomný typ. Byly zde objeveny rovněž buňky směru hlavy, hraniční neurony (citlivé na blízkost hranice vymezující známá prostředí) a nově i neurony kódující rychlost pohybu jejich nositele. Nedávná studie ukázala, že do hipokampu přichází na dendrity pozičních neuronů signál většiny z nich. Nelze tedy jednoduše tvrdit, že pouze aktivita mřížkových neuronů je východiskem aktivity pozičních buněk. Navíc se ukazuje, že také poziční neurony svým signálem ovlivňují funkčnost mřížkových buněk, protože když se experimentálně na krátkou dobu hipokampus vyřadí z funkce, vymizí i „mřížkovitost“ v entorhinální kůře. Narážíme tedy i na jakousi paralelu nejasnosti původu slepice a vejce, ilustrující fakt, že obě struktury tvoří robustní funkční jednotku. Tolik zatím, pokud jde o vzdálenosti, směry, hranice či obecně o geometrii okolního světa. Do něj ale přece patří i obsah! Víme, že hipokampus obsah registruje – umístíme-li do testovaného prostředí nějaký objekt, bude v jeho okolí aktivních více pozičních neuronů – jako by mapa prostředí byla kolem něj podrobnější. O vlastní neurální dráze, která do hipokampu přivádí informace o objektech a jejich vlastnostech, zatím ale víme velmi málo – jen to, že tyto neurony leží ve vnější části entorhinální kůry (laterální entorhinální kůra).

Jaký je vztah celého systému a paměti? Věříme, že hipokampo-entorhinální smyčka představuje fyziologický základ prostorové paměti – zprostředkovává naši orientaci ve známém prostředí v dvojím smyslu. Jednak v tom, že rozeznáme např. známou místnost (kontextuální paměť), a nadto kóduje i naši přesnou polohu v ní. Hovoříme o tom, že mozek „reprezentuje“ okolní prostředí. A tato reprezentace prostoru patrně slouží jako rámec pro velice důležitý druh vzpomínek – epizodické paměti, která ukládá naše osobní zkušenosti, v nichž informace o tom, kde se udály, jsou základní složkou.

Jsme tu také

Protože píšeme pro české publikum, rádi bychom připomněli provázanost výzkumu neurálních základů navigace a paměti v ČR se světovou komunitou. Základ a celosvětově respektovanou tradici výzkumu paměti u nás založil nedávno zesnulý Jan Bureš, který vedl laboratoř neurofyziologie paměti ve Fyziologickém ústavu Akademie věd. Práce z jeho laboratoře během její dlouhé existence ovlivnily mnoho význačných badatelů, z nichž několik na pracovišti přímo působilo (L. Nadel, J. P. Huston, A. A. Fenton) či s ním spolupracovalo (R. G. M. Morris, E. I. a M.-B. Moserovi). Několik studentů Jana Bureše a André Fentona, včetně autorů tohoto článku, pokračovalo a dál pokračuje ve výzkumu hipokampu a mechanismů paměti v laboratořích doma i ve světě. Práci na studiu navigace a paměti původní laboratoř v Akademii věd dále rozvíjí pod vedením Aleše Stuchlíka.