Dopamina sprawia, że uczymy się szybciej. Eksperci zdradzają, jak mózg zapisuje wspomnienia

• Wrocławscy badacze zauważyli, że synapsy hamujące biorą bezpośredni udział w tworzeniu trwałych śladów pamięciowych
• Dzięki optogenetyce naukowcy sterują neuronami za pomocą światła, sprawdzając, jak mózg tworzy mapy przestrzenne
• Dobre zapamiętywanie opiera się na regularnych powtórkach, głębokim śnie oraz dopaminie wyzwalanej, gdy z ciekawością coś obserwujemy

Jak układają się myśli w głowie?

Działanie mózgu przypomina jazdę samochodem. Aby bezpiecznie dojechać do celu, kierowca musi na zmianę dodawać gazu i wciskać hamulec. W świecie neuronów gaz oznacza pobudzanie, a hamulec wyciszanie impulsów. Przez lata sądzono, że zapamiętywanie polega wyłącznie na dodawaniu gazu, a hamowanie ma jedynie chronić głowę przed przeciążeniem. Zespół z Katedry i Zakładu Biofizyki i Neurobiologii Uniwersytetu Medycznego we Wrocławiu pokazuje jednak, że tzw. komórki hamujące bezpośrednio uczestniczą w tworzeniu wspomnień. 

– Hamowanie to druga strona medalu aktywności mózgu. Większość neuronów działa pobudzająco, ale ich aktywność musi być precyzyjnie regulowana – wyjaśnia prof. Jerzy Mozrzymas, kierownik Katedry i Zakładu Biofizyki i Neurobiologii UMW. – Co więcej, połączenia między neuronami nie są dane raz na zawsze. Te, które ze sobą współpracują, mogą się wzmacniać, inne słabnąć, a cała sieć nieustannie dostosowuje się do napływających informacji. Dzieci mają znacznie więcej synaps niż dorośli, a jednak dojrzała sieć neuronalna, mimo mniejszej liczby połączeń, działa sprawniej – mówi naukowiec. 

Miejsca styku komórek nerwowych, czyli synapsy, potrafią bez przerwy zmieniać siłę swojego działania. Tę elastyczność naukowcy nazywają plastycznością. W samym hipokampie, czyli centrum naszej pamięci, pracuje ponad 20 rodzajów komórek hamujących. Używają one cząsteczki GABA (to kwas gamma-aminomasłowy, czyli główny neuroprzekaźnik hamujący w ośrodkowym układzie nerwowym człowieka) do uspokajania sąsiednich komórek i porządkowania napływających myśli. 

– Przez wiele lat uważano, że główną rolę w plastyczności mózgu odgrywają synapsy pobudzające, których jest znacznie więcej. Dopiero od około dwóch dekad wiemy, że również hamowanie może podlegać długotrwałym zmianom - mówi prof. Jerzy Mozrzymas. - Co ciekawe, zmieniać może się nie tylko siła pojedynczych połączeń hamujących, ale również stały poziom hamowania całych sieci neuronów. Wygląda na to, że w mózgu niemal wszystko jest plastyczne. Dzięki temu potrafimy nie tylko przyswajać nowe informacje, ale też dokładać je do tego, co już wiemy, i tworzyć coraz bogatszy obraz świata. 

W ten sposób można wytłumaczyć, dlaczego potrafimy czytać trzy książki na raz, uczyć się do egzaminu i jeszcze śledzić akcję dwóch ulubionych seriali.

Wewnętrzny GPS tworzy mapę otoczenia w kilka sekund

Gdy wchodzimy do nowego pokoju, informacje docierają do nas falami. Najpierw zauważamy drzwi, potem okno, a chwilę później meble. Dla komórek nerwowych kilka sekund to bardzo długi czas, bo sygnały wymieniają w ułamkach milisekund. Mózg radzi sobie z tym wyzwaniem i sprawnie łączy rozciągnięte w czasie obrazy w jedną całość. Zjawisko to nazwano plastycznością w behawioralnej skali czasu. 

– Kiedy wchodzimy do nieznanego pomieszczenia, nasz mózg potrafi w ciągu zaledwie kilku sekund stworzyć jego mapę przestrzenną. Później możemy ją przywołać z pamięci – opowiada dr Grzegorz Wiera, prof. UMW. – W tym krótkim czasie zmienia się aktywność całych grup neuronów, a w połączeniach między nimi zachodzą zmiany, które pozwalają zapisać nowe doświadczenie. Wiemy już sporo o tym, jak powstaje taka reprezentacja przestrzeni na poziomie komórek. Nas interesuje, co dokładnie dzieje się wtedy w synapsach, zwłaszcza tych odpowiedzialnych za hamowanie – mówi naukowiec.

Dzięki temu procesowi w hipokampie powstają tzw. komórki miejsca, tworzące wewnętrzny system nawigacji. Aby wspomnienie zostało zapisane na stałe, neurony muszą wytworzyć odpowiednie białka, które utrwalają świeże połączenia. 

– Żeby zmiana w działaniu połączenia nerwowego mogła się utrwalić, potrzebne są odpowiednie mechanizmy molekularne - tłumaczy prof. Jerzy Mozrzymas. - W naszych badaniach wykazaliśmy, że farmakologiczne ograniczenie syntezy białek upośledza plastyczność. To jeden z ważnych wyników projektu, który pozwala nam lepiej rozumieć, jak zmiany w komunikacji między neuronami mogą być podtrzymywane w czasie. 

Światło, które włącza komórki nerwowe w pracowni

Badanie pojedynczych szlaków w plątaninie miliardów komórek wymagało nowatorskich rozwiązań. Tradycyjne metody pobudzały całe grupy neuronów naraz, co utrudniało ocenę ich zadań. Badacze z Wrocławia wykorzystują więc do tego optogenetykę, czyli technikę nagrodzoną w tym roku Nagrodą Nobla. Pozwala ona sterować komórkami za pomocą światła. Eksperymenty prowadzone są na tkankach myszy umieszczonych w płynie imitującym naturalne środowisko mózgu. 

– Optogenetyka daje nam coś w rodzaju bardzo precyzyjnego włącznika. Możemy wybrać konkretny rodzaj neuronów, pobudzić go światłem i obserwować, co dzieje się w połączeniach z innymi komórkami - wyjaśnia prof. Jerzy Mozrzymas. - To ogromna przewaga, bo mózg jest siecią miliardów neuronów, które nieustannie się ze sobą komunikują. Dzięki tej metodzie możemy sprawdzić, jaką rolę odgrywa jeden wybrany uczestnik tej skomplikowanej współpracy. 

Poznanie zasad rządzących hamowaniem ma ogromne znaczenie dla medycyny. Zachwianie równowagi między pobudzaniem a wyciszaniem neuronów wywołuje np. napady padaczkowe. Na układ hamujący wpływają także popularne leki uspokajające i nasenne. 

– Trudno przecenić rolę hamowania w funkcjonowaniu mózgu. To jeden z dwóch podstawowych mechanizmów regulujących aktywność neuronów, a jednocześnie punkt uchwytu bardzo wielu stosowanych dziś leków. Nas interesuje przede wszystkim to, jak te mechanizmy działają i jak zmieniają się pod wpływem aktywności mózgu – podkreśla prof. Jerzy Mozrzymas.

Powtórki, sen i ruch wspierają codzienną pamięć

No dobrze, wyjaśniliśmy sobie jak to działa z naukowego punktu widzenia. To teraz warto zapytać, jak to się ma do życia? Ano tak, że aby utrwalić nowe wiadomości, mózg potrzebuje powtarzania oraz czasu na regenerację. Czyli rodzice kładący nam do głów, żeby uczyć się przed snem, a potem spokojnie przespać noc, zamiast zakuwać tuż przed lekcjami, mieli rację. W trakcie głębokiego snu dochodzi bowiem do odtwarzania śladów z całego dnia, co pozwala zapisać je na stałe. 

– Jednym z najważniejszych czynników jest powtarzanie. Mamy stosunkowo niewiele rodzajów pamięci, które mogą powstać po jednorazowym zetknięciu z informacją. Najczęściej potrzebujemy powtórzeń, aby odpowiednie zmiany w połączeniach między neuronami mogły się utrwalić – tłumaczy dr Grzegorz Wiera, prof. UMW. – Bardzo ważny jest także sen. W jego głębokich fazach odtwarzane są pewne wzorce aktywności neuronów, co sprzyja utrwalaniu śladów pamięciowych. Dlatego sen nie jest przerwą w procesie uczenia się, lecz jednym z jego istotnych elementów. 

Naukowcy przekonują, że aktywność fizyczna też wspiera pamięć. Ruch wspiera plastyczność mózgu. Robią to też ciekawe bodźce. Wyjście z codziennej rutyny uruchamia wydzielanie dopaminy, która ułatwia komórkom przebudowę połączeń. 

– Kiedy spotyka nas coś nowego, nieoczekiwanego lub ekscytującego, aktywuje się między innymi układ dopaminowy. Dopamina może zwiększać podatność określonych obszarów mózgu na zmiany, a więc sprzyjać uczeniu się. Dlatego nowe doświadczenia są tak ważne. Rutyna angażuje te mechanizmy w mniejszym stopniu. Również niewielki, mobilizujący stres może wspierać uczenie się, choć jednocześnie zbyt duży stres przynosi efekt odwrotny – mówi dr Grzegorz Wiera.

I wyjaśnia się, dlaczego internetowe filmiki angażują naszą uwagę bardziej i zapamiętujemy je szybciej i na dłużej. Obserwacje wrocławskich naukowców mają jednak bardzo konkretny cel i wcale nie chodzi o tłumaczenie, dlaczego mózg woli memy niż czytanie encyklopedii. To, że mózg ma zdolność do ciągłej przebudowy daje nadzieję na odzyskiwanie sprawności po urazach głowy i odpowiednio wykorzystany staje się fundamentem nowoczesnej rehabilitacji neurologicznej. Jednak poznanie wszystkich tajemnic sieci nerwowej nadal pozostaje wielkim wyzwaniem nauki.