Studie naznačuje, jak mozek s pomocí spánku vytváří smysluplné mapy prostoru

Představte si, že jste na dovolené v novém městě. První den prozkoumáváte četná místa. Paměť na ně (například krásná zahrada v klidné ulici) se vám ihned vryje do paměti, ale trvá několik dní, než získáte dostatečnou orientaci v okolí, abyste dokázali nového turistu nasměrovat na to samé místo a pak třeba do nedaleké kavárny. Nová studie myší provedená neurovědci z MIT na Picower Institute for Learning and Memory přináší nové důkazy o tom, jak mozek vytváří soudržné kognitivní mapy celých prostorů a zdůrazňuje klíčový význam spánku pro tento proces.

Vědci již desítky let vědí, že mozek v oblasti zvané hipokampus využívá neurony k zapamatování si konkrétních míst. Takzvané „místní buňky“ se spolehlivě aktivují, když se zvíře nachází na místě, které má neuron zapamatovat. Ale užitečnější než mít pouze značky konkrétních prostorů, je mít mentální model toho, jak všechny souvisí v kontinuální celkové geografii. Ačkoli takové „kognitivní mapy“ byly formálně teoretizovány v roce 1948, neurovědci si nebyli jisti, jak je mozek konstruuje. Nová studie v prosincovém vydání časopisu Cell Reports zjišťuje, že tato schopnost může záviset na jemných, ale smysluplných změnách v aktivitě buněk, které jsou pouze slabě naladěny na jednotlivá místa, ale které zvyšují robustnost a zdokonalení kódování celého prostoru hipokampusem. Analýzy studie ukazují, že se spánkem tyto „slabě prostorové“ buňky stále více obohacují o neuronovou síťovou aktivitu v hipokampu, aby spojily tato místa do kognitivní mapy.

„První den mozek prostor příliš dobře nepředstavuje,“ říká hlavní autor Wei Guo, vědecký pracovník v laboratoři senior autora Matthewa Wilsona, profesora Shermana Fairchilda na Picower Institute a na MIT v odděleních biologie a kognitivních věd. „Neurony představují jednotlivá místa, ale dohromady netvoří mapu. Ale pátý den už mapu tvoří. Pokud chcete mapu, potřebujete, aby všechny tyto neurony spolupracovaly v koordinovaném souboru.“

Myši mapující bludiště

Pro provedení studie Guo a Wilson spolu s kolegy z laboratoře Jie „Jack“ Zhang a Jonathanem Newmanem představili myším jednoduchá bludiště různých tvarů a nechali je volně prozkoumávat asi 30 minut denně po několik dní. Důležité je, že myši nebyly vedeny k učení se něčeho specifického nabídkou odměn. Jen se procházely. Předchozí studie ukázaly, že myši po několika dnech přirozeně projevují „latentní učení“ prostorů z tohoto typu neoceněné zkušenosti.

Aby pochopili, jak latentní učení zapůsobí, Guo a jeho kolegové vizuálně sledovali stovky neuronů v oblasti CA1 hipokampu tak, že geneticky upravili buňky, aby blikaly, když hromadění iontů vápníku způsobilo jejich elektrickou aktivitu. Zaznamenávali nejen záblesky neuronů, když myši aktivně prozkoumávaly, ale také když spaly. Wilsonova laboratoř ukázala, že zvířata si během spánku „opakují“ své předchozí cesty, v podstatě zdokonalují své vzpomínky sněním o svých zkušenostech.

Analýza záznamů ukázala, že aktivita místních buněk se vyvíjela okamžitě a zůstala silná a nezměněná po několik dní prozkoumávání. Ale tato aktivita sama o sobě by nevysvětlovala, jak se latentní učení nebo kognitivní mapa vyvíjí po několik dní. Na rozdíl od mnoha jiných studií, kde se vědci zaměřují pouze na silnou a jasnou aktivitu místních buněk, Guo rozšířil svou analýzu na subtilnější a záhadnější aktivitu buněk, které nebyly tak silně prostorově naladěny.

Pomocí nově vznikající techniky zvané „manifold learning“ dokázal rozpoznat, že mnoho „slabě prostorových“ buněk postupně korelovalo svou aktivitu nikoli s místy, ale s aktivitním vzorem mezi ostatními neurony v síti. Jak se to dělo, Guovy analýzy ukázaly, že síť kódovala kognitivní mapu bludiště, která se stále více podobala doslovnému fyzickému prostoru.

„Ačkoli nereagují na specifická místa jako silně prostorové buňky, slabě prostorové buňky se specializují na reakci na ‚mentální místa‘, tj. specifické vzorce aktivace jiných buněk,“ píší autoři studie. „Pokud mentální pole slabě prostorové buňky zahrnuje dvě podmnožiny silně prostorových buněk, které kódují různá místa, tato slabě prostorová buňka může sloužit jako most mezi těmito místy.“

Jinými slovy, aktivita slabě prostorových buněk pravděpodobně spojuje jednotlivá místa reprezentovaná místními buňkami do mentální mapy.

Potřeba spánku

Studie Wilsonovy laboratoře a mnoha dalších ukázaly, že vzpomínky jsou konsolidovány, zdokonalovány a zpracovávány neuronovou aktivitou, jako je opakování, která probíhá během spánku a odpočinku. Guo a Wilsonův tým se proto pokusili otestovat, zda je spánek nezbytný pro přínos slabě prostorových buněk k latentnímu učení kognitivní mapy.

K tomu nechali některé myši prozkoumat nové bludiště dvakrát během stejného dne s tříhodinovou siestou mezi nimi. Některým myším bylo dovoleno spát, ale některým ne. Myši, které spaly, ukázaly významné zdokonalení své mentální mapy, zatímco myši, které nesměly spát, žádné takové zlepšení nevykázaly. Nejenže se zlepšilo síťové kódování mapy, ale také měření ladění jednotlivých buněk během ukázalo, že spánek pomohl buňkám lépe se naladit jak na místa, tak na vzorce síťové aktivity, takzvané „mentální místa“ či „pole“.

Význam mentální mapy

„Kognitivní mapy“, které myši kódovaly po několik dní, nebyly doslovnými, přesnými mapami bludišť, poznamenává Guo. Místo toho se více podobaly schematům. Jejich hodnota spočívá v tom, že poskytují mozku topologii, kterou lze mentálně prozkoumat, aniž by bylo nutné být ve fyzickém prostoru. Jakmile si například vytvoříte kognitivní mapu okolí vašeho hotelu, můžete si naplánovat výlet na další ráno (například si můžete představit, že si vezmete croissant v pekárně, kterou jste si všimli pár bloků na západ, a pak si představíte, že ho budete jíst na jedné z laviček, které jste si všimli v parku podél řeky).

Wilson skutečně předpokládal, že aktivita slabě prostorových buněk může překrývat důležité neprostorové informace, které dodávají mapám další význam (např. myšlenka pekárny není prostorová, i když je úzce spojena s konkrétním místem). Studie však nezahrnovala žádné orientační body v bludištích a netestovala žádné specifické chování u myší. Ale nyní, když studie identifikovala, že slabě prostorové buňky smysluplně přispívají k mapování, Wilson uvedl, že budoucí studie mohou zkoumat, jaký druh informací mohou začleňovat do smyslu zvířat o svém prostředí. Zdá se, že intuitivně vnímáme prostory, ve kterých žijeme, jako něco více než jen soubory diskrétních míst.

„V této studii jsme se zaměřili na zvířata, která se chovala přirozeně, a prokázali jsme, že během volného průzkumného chování a následného spánku, bez posílení, dochází k podstatným neuronálním plastickým změnám na úrovni souboru,“ uzavírají autoři. „Tato forma implicitního a nekontrolovaného učení představuje klíčovou stránku lidského učení a inteligence a vyžaduje další podrobné zkoumání.“

Studii financovala Freedom Together Foundation, Picower Institute a National Institutes of Health.