Pokračujeme v rozhovoru s MUDr. Janem Burešem, DrSc., zakladatelem Laboratoře neurofyziologie paměti ve Fyziologickém ústavu AV ČR v Praze.
Pane doktore, Vaše laboratoř se zabývá mechanismy paměti zvířat. Mnohé už díky těmto výzkumům o paměti víme, mnohé je zatím jen tušením. Hovořili jsme minule o paměti genetické, imunologické, technické, o paměti deklarativní, která má dvě složky: paměť episodickou a sémantickou. Hovořili jsme konečně také o paměti nedeklarativní neboli procedurální. Jsou to neverbální informace, které si pamatujeme a které jsou základem motorických dovedností, například toho, že se naučíme chodit, tančit, plavat. Ale to není všecko…Není. Procedurální paměť podmiňuje nejen motorické dovednosti, ale i dovednosti sensorické, třeba schopnost naučit se číst text, který držíme "vzhůru nohama" nebo vidíme v zrcadle. Je řada profesí, jež takovéto schopnosti vyžadují, například od řidičů aut, kteří musí přečíst poznávací značku auta ve zpětném zrcátku.
Jiné formy nedeklarativní paměti mají povahu podmíněných reflexů. Učíme se jim od dětství, abychom se vyvarovali bolestivých podnětů. Jde o podmíněné obranné reflexy, které popsal už Descartes: dítě sahá na plamen a ucukne rukou, když se spálí. To, že si příště nesáhne na věc, z níž zřetelně sálá teplo, je projevem paměti zprostředkované podmíněným reflexem.
Zvláštnost této formy paměti je nejlépe patrná u lidí s poškozenou temporální kůrou, tj. spánkovou oblastí mozkových hemisfér. Ti, kdo ji ztratili v důsledku poranění nebo chirurgického zákroku, trpí anterográdní amnesií, neschopností zapamatovat si novou informaci. Takto postižení lidé si pamatují a jsou schopni použít všech informací obsažených v jejich sémantické i episodické paměti až do té doby, kdy tuto oblast mozku ztratili. Jsou schopni konversovat o všem, co se do té doby stalo a co se naučili - při běžném setkání nikdo nepozná, že s nimi není něco v pořádku. Nepamatují si však nic o tom, co se stalo po zásahu do jejich mozku, nepamatují si, že řada jejich příbuzných zemřela, že lékař, který je ošetřuje, je před několika minutami navštívil.
Tato neschopnost vytvářet nové pamětní stopy platí však jen pro sféru informace deklarativní, neplatí pro paměť procedurální. Pacienty s tímto poškozením můžeme podrobit testu, při kterém je učíme nějakou novou dovednost, například kreslení, při němž vidí pohyb své kreslící ruky v zrcadle. Po několika desetiminutových cvičeních to zvládnou, ale když se jich ptáte, kdy a kde se to naučili, odpovídají: Nevím, prostě to umím. Deklarativní paměť jim uniká, ale procedurální paměť funguje.
Totéž platí o podmíněných reflexech. Klasickým příkladem z počátku 20. století je pacientka francouzského neurologa, která při každém setkání s ním tvrdila, že ho ještě neviděla. Provedl s ní tedy jednoduchý pokus: při příštím setkání si do dlaně ukryl špendlík, o který se dáma při podávání ruky píchla. Druhý den znovu popřela, že by svého lékaře už někdy viděla - ale ruku mu podat nechtěla. I to dokazuje, že obě paměti, deklarativní a nedeklarativní, sídlí odděleně. Jedna byla v uváděném případě narušena do té míry, že pacientka nebyla schopna zážitek zapsat do své episodické paměti - ale v procedurální paměti zápis nepříjemné události zůstal.
Práce Vaší laboratoře je zaměřena na výzkum mechanismů paměti u zvířat s perspektivou uplatnění těchto poznatků v medicíně. Jak takový experiment, testující paměť u zvířat, probíhá?
Zaměřujeme se především na elektrofyziologický výzkum deklarativní paměti zvířat. Předpokladem je najít způsob, jak tuto paměť u zvířat studovat. Potom hledáme, kde v mozku při tom dochází ke změnám, a snažíme se identifikovat ty projevy činnosti mozku, jež jsou spojeny s vytvářením a vybavováním paměťových záznamů, t. zv. engramů. Používáme řadu metod, které dovolují různé formy deklarativní paměti sledovat i u zvířat. K nejčastěji používaným patří Morrisovo vodní bludiště. Krysa se vloží do dětského bazénu (průměr 2 m) naplněného vodou, pod jejíž hladinou se v určitém místě 1 cm pod vodou nalézá neviditelný ostrůvek (průměr 10 cm), který má krysa najít. Snaží se o to, protože jde o jediné místo, které jí dává možnost dostat se z vody. Nenajde-li ostrůvek během jedné minuty, je na něj navedena. Když si ověří, kde se ocitla, je pokus opakován. Jakmile zvíře ví, kam má plavat, nachází ostrůvek stále rychleji. Po čtyřech až osmi plavbách se naučí navigovat tak dokonale, že najde cíl za pět vteřin. Dokazuje to, že krysa dovede v paměti uložených informací využít k náročným, myšlení blízkým pochodům: ostrůvek je pod vodou, není vidět a krysa si tedy musí pamatovat, že byl v určité vzdálenosti od různých viditelných orientačních bodů - skříně, dveří, okna. Musí z těchto údajů vypočítat směr nejkratší dráhy k němu.
Zdá se, že potkani jsou bystrá zvířata. Mohu poprosit o výklad počítačového záznamu jejich pohybu v aréně, která je dalším aparátem používaným ve Vašich pokusech?
Také v tomto případě jsou krysám nebo myším předkládány k řešení určité navigační problémy. Mají například nalézt na aréně o průměru 1 m neoznačené místo, jehož návštěva je spojena s podáním potravy. Poloha tohoto odměňovaného místa je rozpoznatelná jen podle jeho vztahu k význačným orientačním bodům mimo arénu.
Navigaci, směřující k nalezení něčeho žádoucího, říkáme navigace apetitivní, ale podobně je možné studovat i navigaci aversivní, obrannou. V experimentu se taková situace vytváří tak, že se do povrchu arény zavádí v určitém místě slabý elektrický šok, kterému se může zvíře vyhnout, jestliže tuto oblast co nejrychleji opustí nebo ji vůbec nenavštíví. Obrázek vpravo zachycuje plánek arény, na níž se krysa učí vyhýbat se místu, kde dostává šoky. Je vyznačeno jako tmavý severovýchodní segment. Je-li aréna nehybná a zvíře zjistí, že na tomto místě je čeká nepříjemný elektrický šok, odběhne daleko odtud, bude odpočívat a na nebezpečné místo už nepůjde. To je pasivní vyhýbání místu, postup často používaný v zemědělství, kdy elektrické ohrazení reguluje pohyb skotu po pastvině. Pro naše experimenty však potřebujeme chování složitější, které by nám o "myšlení" krys řeklo víc. Dosáhneme toho tím, že arénu uvedeme do rovnoměrného otáčivého pohybu (jedna obrátka za minutu) ve směru hodinových ručiček. Během otáčení se všechna místa povrchu arény postupně ocitají na severovýchodě, t. j. v oblasti, která je na plánku vyznačena tmavě. Krysa ji pozná podle její blízkosti k nějakému vnějšímu orientačnímu bodu, například k oknu. Jakmile tam zaběhne nebo se tam nechá dovézt točící se arénou, dostane lehkou elektrickou ránu. Naučí se, že může bolestivý podnět kdykoli přerušit útěkem, a posléze i to, že se může bolestivému podnětu zcela vyhnout, uteče-li dříve, než ji aréna do nebezpečného místa přiveze. Na obrázku vidíme, jak se v prvních 10 minutách pokusu tento podmíněný reflex vytváří. Počítačový program mění televizní sledování pohybu zvířete po povrchu arény v záznam jeho dráhy, který ukazuje, že krysa několikrát nebezpečnou oblastí proběhla, dostala ránu a utekla. Její chování se postupně vyvíjí tak, že se už nenechá dovézt do nebezpečného prostoru, ale uteče dříve. V dalších 10 minutách se už pohybuje tak, že tráví většinu času v oblasti ležící přesně proti místu nebezpečí, tedy v nejbezpečnější části arény. K tomu nestačí, aby si krysa někam sedla. Musí stále velmi pozorně sledovat, kde je, kam ji aréna unáší a kam se má pohybovat.
V dalších 20 minutách byl elektrický šok vypnut a záznam drah ukazuje, že opatrnost zvířete začíná ochabovat. Dochází k t. zv. vyhasínání naučené reakce. Už koncem prvních 10 minut vyhasínání se krysa nechá do nebezpečné oblasti zavézt. Zjišťuje, že už není čeho se bát a v příštích 10 minutách tak počet návštěv této oblasti roste. Za několik hodin bude navštěvovat oblast, v níž dříve dostávala šoky, stejně často jako oblasti ostatní.
Vaše výzkumy jsou zaměřeny na uplatnění v medicíně. Spolupracujete s nemocnicí Na Homolce, kde je příležitost ke studiu pacientů operovaných pro poruchy mozku.
Výsledky základního výzkumu na zvířatech jsou v lékařství uplatňovány na různých úrovních. Základní uplatnění spočívá už v objasnění mechanismů různých poruch nervové činnosti, které provázejí úrazy, otravy, mozkové krvácení, epilepsii a degenerativní choroby, jako např. Parkinsonovu chorobu nebo Alzheimerovu nemoc. Při navrhování diagnostických nebo léčebných postupů je nutno mít představu o tom, jak chirurgické nebo farmakologické zákroky ovlivní průběh nemoci i pacientův život. Výzkum na zvířatech umožňuje vytvoření takové představy. Ve vyspělých zemích musí být každý lék podávaný pacientovi podroben velmi důkladnému zkoušení na zvířatech, aby nedošlo k situacím, které by mohly mít závažné klinické následky. Preklinický výzkum na zvířatech připravuje pro kliniku poznatky nezbytné k zahájení klinického výzkumu, předcházejícího klinické aplikaci.
Jedním z úkolů klinického výzkumu, prováděného na lidech, je odpovědět na otázku, do jaké míry jsou informace získané na zvířatech relevantní pro člověka. Mají kognitivní funkce zvířat, na př. jejich prostorové chování, obdobu u lidí? Na tuto otázku je možné odpovědět positivně. To, že zvířata nemluví, neznamená, že nemyslí. Výzkum se hlavně v posledních desetiletích soustřeďuje na studium toho, čemu se říká zvířecí kognice, zvířecí myšlení. Jde o snahu najít modely, které jsou obdobou myšlení člověka a které dokazují, že zvíře je schopno řešit podobné problémy jako člověk. Má určitá očekávání, hodnotí co dělá, a předvídá důsledky své činnosti.
Jaké jsou projevy neverbalisovaného myšlení u lidí?
Některé jsou příliš lidské, například schopnost ilustrovat naše myšlenkové pochody diagramy a schématy. Je řada věcí, které můžeme lépe namalovat než vysvětlit slovy. Platí to zejména o prostorovém myšlení. Je snazší namalovat někomu plánek, jak se k vám dostane, než vysvětlovat cestu ústně. Jedná se o neverbální myšlení podobné tomu, které sledujeme v pokusech se zvířaty ve vodním bludišti nebo v suché aréně. Stejně lze testovat lidskou paměť. Testy se provádějí v poněkud jiné aréně, tvořené tři metry vysokým válcovým prostorem o průměru tří metrů. Byla vybudována v nemocnici Na Homolce na neurologickém oddělení vedeném primářem Kalinou. Zde se toto zařízení, vybavené počítačovou analysou pohybu pokusné osoby, používá ke sledování prostorové paměti lidí, u nichž došlo k poškození temporálního laloku. Vada se obvykle neprojevuje poruchami intelektu a řeči, ale může vést k subtilnějším poruchám. Testy slovní paměti v tomto případě příliš nepomáhají. Jsou významné při sledováni IQ, ale to, jak dobře se člověk umí orientovat v prostoru, se verbálními testy nepozná. U těchto osob se vyšetřuje prostorová paměť podobně jako u krys. Diagram 1 (na vedlejší straně) ukazuje dráhu pokusné osoby, která se nachází ve válcové aréně, v níž je vidět jen dva orientační body, světelné značky na stěně. Na podlaze je neoznačené místo, jež má pokusná osoba najít. Ocitne-li se v něm, uslyší ve sluchátkách tón, který jí říká: tady!
Člověk v aréně má několik možností, jak hledat. Obrázek A ukazuje hvězdicový postup. Obrázek B ukazuje osobu, která hledá v postupně se zmenšujících soustředných kruzích. Poloměr kruhů se postupně zmenšuje a po třetí spirále je hledané místo nalezeno.
Při opakovaném pokusu jde testovaná osoba od startovacího místa u stěny skoro najisto k cíli. Chvíli hledá v jeho těsné blízkosti a posléze jej nalézá. Počáteční hledání trvalo několik minut opakované hledání už jen několik vteřin.
Můžeme říci, že vyšetřovaný člověk je schopen si vytvořit paměťový obraz hledaného místa a použít ho k jeho nalezení.
Při orientaci v prostoru se lidé i zvířata řídí nejen tím, co vidí, ale také informacemi, které dostávají z receptorů ve svalech, kloubech a ve vestibulárním aparátu vnitřního ucha. Dostávají také z mozku přímou informaci o svém plánu jak a kam se přemístit. Pokud člověk nebo potkan určitou dráhu prošel, má v paměti uložen její plán, který mu umožní reprodukovat ji i potmě. Tuto situaci zachycuje Diagram 2 (nahoře vpravo). Je záznamem pokusu, při němž testovaná osoba se zavázanýma očima byla instruována vyjít kolmo od stěny, udělat pět kroků vpřed, provést obrat vlevo v bok, jít dál až ke stěně a odtud se vrátit zpět na výchozí místo. Poslední část dráhy je už výsledkem myšlenkové rekonstrukce dřívějších úseků, výrazem schopnosti vědět kam jít. Na každém místě ušlé dráhy člověk ví, odkud vyšel a jak se tam vrátit. Pro zvířata je tato schopnost nesmírně důležitá, musí se v případě ohrožení umět rychle vrátit do své nory, domů (v anglické terminologii "homing"). V našem případě nebyl "návrat domů" zcela přesný - chybu, která je dána vzdáleností mezi výchozím bodem a bodem, do něhož se testovaná osoba vrátila -, je možno přesně změřit.
Na druhém záznamu vidíme, že směr návratu byl při opakovaném pokusu správný, ale testovaná osoba se od něj v závěru pokusu uchýlila. Chyby jsou výrazem přesnosti prostorové paměti testované osoby, mozkem provedeného výpočtu vektoru, jehož směr a velikost je možné měřit a použít k posouzení poruchy.
Jedním z časných příznaků Alzheimerovy nemoci je ztížená orientace v prostoru. Test, který popisujeme, dává možnost podobný nedostatek měřit, kontrolovat jak se vyvíjí, dělat prognostické závěry a hodnotit účinky terapie.
Jak vznikají u člověka poruchy paměti?
Moderní člověk je na funkci paměti kriticky závislý a její poruchy mají pro jeho život velký význam. Dochází k nim dvojím způsobem. Jednak jsou to poruchy paměti vyvolávané stářím. V průběhu stárnutí se mění jen málo počet nervových buněk, ale výrazněji klesá počet spojení mezi nimi. Máme v mozkových hemisférách asi 30 miliard nervových buněk, které jsou mezi sebou propojeny asi sto biliony spojení, t. zv. synapsí. Na jedné nervové buňce může být až 100 000 kontaktů, takže může navázat spojení až se 100 000 jinými nervovými buňkami. Toto množství spojů je základem myšlenkového bohatství lidského mozku. A protože větvení buněk se stářím poněkud snižuje, vytvořená síť se ochuzuje.
Jde o normální stav, který neznamená žádnou tragédii, protože každá informace, kterou v mozku máme, je zapsána několikrát. I když některý zápis vyhasne, lze si informaci vybavit - byť s jistými nepřesnostmi - z jiného zápisu díky přítomnosti velkého množství neuronů a synapsí. Například paměť pro tváře je velmi dobře zajištěna. Nicméně při některých chorobách dochází k její poruše, prosopagnosii, která se ve stáří zhoršuje. Zmizí-li spojů příliš mnoho, přestávají složitější formy paměti fungovat.
Zvlášť závažným cílem současné neurovědy je léčba Alzheimerovy choroby.
Při této nemoci dochází k narušení nervové sítě mnohem rychleji, než je běžné při přirozeném stárnutí. Vzniká na základě genetické predisposice. Její rozvoj je v mozcích pacientů provázen hromaděním bílkoviny amyloidu, která vytváří t. zv. plaky, jejichž výskyt je spojen s degenerací nervových buněk. Vytvářejí se i nefunkční shluky nervových vláken, narušující funkci mozku.
Neurověda se dnes přibližuje léčbě této choroby. Největší naději na úspěch má léčba připravovaná společně neurofyziology a genetiky. Genetika je schopna identifikovat geny, které člověka pro vznik této choroby predisponují. Dovoluje dokonce tyto lidské geny přenést do mozku zvířete. Sledováním transgenního pokusného zvířete lze pak zjistit, zda se u něj projeví chemické a morfologické příznaky nemoci a zda u něj bude docházet k podobným poruchám paměti jako u člověka.
Podobné testy otevírají cestu k hledání farmakologických prostředků, které by potlačily expresi genu vytvářejícího amyloid. Je-li tato látka skutečně příčinou Alzheimerovy choroby, bylo by pak možné hledat prostředky snižující jeho tvorbu nebo vedoucí k jeho odstranění. Na tomto výzkumu se podílí i naše laboratoř. Spolupracujeme s americkou biotechnologickou firmou specialisovanou na produkci myší, které jsou nositelkami lidského genu predisponujícího vznik Alzheimerovy nemoci a jsou vhodným modelem pro tento typ výzkumu.
Elektronika zasáhla i do Vašeho oboru. Dráha pohybu zvířátka v aréně se Vám objevuje na obrazovce počítače a její kresba Vám poskytuje informaci nejen o tom, kudy myška běhala, ale zobrazuje i způsob fungování jejího mozku, v tomto případě paměti. To je přímý pohled někam, kam se nelze podívat, i velká pomoc při zkoumání částečně už zmapovaných, částečně pořád ještě tajemných cest paměti. Jaké zajímavé zjištění z Vašich výzkumů byste uvedl?
Hovořili jsme o tom, že v lidském mozku je sto bilionů nervových spojů. U krysy je situace jednodušší, její mozek je tisíckrát menší, váží 1,5 gramu, zatímco lidský mozek 1,5 kg. Jsou laboratoře, které mohou registrovat současně aktivitu až stovky neuronů. To už představuje zajímavý vzorek neuronové sítě, z něhož si můžeme udělat představu o její činnosti. Neurony zvláště významné pro prostorovou paměť jsou t. zv. místní buňky v hipokampu krys. Hipokampus je podkorový útvar předního mozku, jehož poškození vede ke ztrátě prostorové paměti. To odpovídá skutečnosti, že hipokampová místní buňka se aktivuje jen tehdy, pokud krysa běhající po pokusné aréně navštíví určitou její oblast. Když ji opustí, neuron umlkne. Z toho můžeme soudit, že takový neuron říká kryse: teď jsi tady! Takových neuronů je v hipokampu asi 100 000 a každý hlídá jinou oblast zmapovaného prostoru. Lze předpokládat, že mají své funkce přesně rozdělené. Na monitoru počítače můžeme sledovat pohyb krysy po aréně a postupnou aktivaci místních bunk, do jejichž polí krysa vstoupila, a umlkání aktivity jiných místních buněk, z jejichž dosahu se vzdálila. Registruje-li se současně několik desítek neuronů a krysa běhá v určitém prostoru, reagují jednotlivé neurony v souladu se stopou jejího pohybu. Zprávu počítače lze však číst i obráceně: z postupné aktivace jednotlivých neuronů je možno usuzovat, kde zvíře právě je, rekonstruovat dráhu jeho pohybu. Zatímco až dosud neurověda zjišťovala nervové koreláty chování, bude v brzké budoucnosti možno z činnosti mozkových buněk soudit na to, co bylo předmětem jejich aktivity.
Co byste ještě řekl o vaší laboratoři?
Naše laboratoř je ve stavu generační obměny. Já sám nejsem už 20 let jejím vedoucím. V této funkci se postupně střídali zkušení pracovníci, Dr. Brožek a Dr. Křivánek. Jsem starší pracovník (74 let) a považuji za důležité, aby v laboratoři pracovali mladí lidé a aby mladé bylo i její vedení. Situace u nás je poněkud zvláštní, protože nový vedoucí laboratoře, Dr. André Fenton, je cizinec, Kanaďan. Pro laboratoř to není nic neobvyklého - za dobu její existence v ní pracovalo při dlouhodobých pobytech na sto zahraničních vědců, kteří se podíleli téměř 50 % na publikační činnosti. Dr. Fenton u nás pracoval už v létech 1991 - 1992 jako student. Potom odešel do Spojených států, kde získal PhD. a specialisoval se na problematiku blízkou našemu zaměření: elektrofyziologický výzkum nervových mechanismů paměti. V roce 1998 se vrátil do Prahy a byl v lednu tohoto roku jmenován vedoucím naší laboratoře. Máme u nás také řadu nadaných postgraduálních studentů, takže věkový průměr laboratoře se dramaticky omladil, což považuji za velký úspěch. Produktivita laboratoře při tom zůstává vysoká, mimo jiné i proto, že kolega Fenton je velmi dobrý vědec s vysokou publikační aktivitou, člověk schopný dobře komunikovat s naším prostředím. Má navíc těsné kontakty se zahraničím - současně pracuje na State University of New York v Brooklynu, což vytváří dobré možnosti pro obměnu lidí, metod a prostředků. Jeho nástup také znamená, že jsme dobře zajištěni zahraničními granty a máme dost prostředků k provádění technicky náročného výzkumu. Pokud laboratoř zůstane produktivní, bude mít dobrou podporu domácích grantových agentur i v rámci našeho ústavu, který vždy patřil k pracovištím Akademie usilujícím o prioritní hodnocení produktivních skupin.
Otázka pro Dr. André Fentona
Jak se cítíte v České republice a v laboratoři Neurofyziologie paměti AV ČR?
Pobyt u vás je pro mě úžasně zajímavá zkušenost. Trochu si z osobního hlediska připadám, jako bych byl v klášteře: mohu se zcela soustředit na jediné, že totiž dělám vědu. Mám tady málo vedlejších zájmů, a tak se mohu plně věnovat své práci. Dr. Bureš je velmi inspirující člověk a spolupráce s ním je dalším důvodem mého pobytu v Praze. Je ochoten pomáhat mi, a také od dalších lidí v laboratoři dostávám řadu podnětů, někdy velmi jemně, jindy velmi naléhavě. Myslím, že nám práce jde dobře.
Přál bych si, aby mladý tým šel rychle nahoru, aby se podle možností rozvíjel, aby jeho členové byli na mně co nejdříve nazávislí. Přišel jsem ze State University of New York v Brooklynu, kde jsem také zaměstnán. Pracuji tedy na obou místech, ale dělat vědu se zdejším týmem mě opravdu těší. Mé americké pracoviště mé působení v Praze podporuje a vychází mi všemožně vstříc. Přál bych si, aby laboratoř Neurofyziologie paměti v Praze prospívala a pracovala v těsném kontaktu s laboratoří v New Yorku.
Připravila SYLVA DANÍČKOVÁ
English
