Nobelova cena za fyziologii a medicínu míří do USA a Norska

Zjednodušeně řečeno, O’Keefe, Moserová a Moser přinesli odpověď na otázku, jež je parafrází názvu slavného plátna Paula Gauguina: Odkud přicházíme? Kde jsme? Kam jdeme?

Letošní laureáti objevili v mozku jakousi obdobu GPS, jež nám dovoluje orientovat se v prostoru. Tím zároveň odhalili buněčnou podstatu jedné z mnoha vyšších kognitivních funkcí mozku. John O’Keefe, který se narodil ve Spojených státech a v současnosti působí na londýnské univerzitě UCL, odhalil první součást našeho „vnitřního GPS“ již v roce 1971.

Při pokusech s potkany tehdy zjistil, že když je hlodavec v určitém bodu v místnosti, aktivuje se u něj určitý typ nervových buněk, které označil jako „místové neurony“. Byl přesvědčen, že díky nim potkan přesně ví, kde se v prostoru nachází.

Přes počáteční skepsi se nakonec prokázalo, že v důsledku aktivity těchto buněk si mozek vytváří vnitřní nervovou mapu daného prostředí. O čtyřiatřicet let později May‑Britt a Edvard Moserovi z univerzity v norském Trondheimu identifikovali další typ nervových buněk, tzv. neurony prostorové mřížky, které vytvářejí systém různě „hustých“ prostorových souřadnic umožňujících pomocí určování vzdálenosti přesné hledání cesty v prostoru.

John O’Keefe

Smysl pro vnímání polohy a schopnost navigace v prostoru je pro člověka i zvířata holou nutností. Přírodovědce i lékaře proto zajímalo, jak je v mozku vnímání prostoru a orientace řízeno. Dlouho se museli spokojit jen s teoretickými modely a hypotézami.

První průlom přinesl koncem 60. let minulého století výzkum amerického neurofyziologa Johna O’Keefa působícího ve Velké Británii. O’Keefe využil techniky snímání nervových vzruchů z neuronů pomocí elektrod zavedených do přesně vybraného místa v mozku. Zkoumal aktivitu neuronů v oblasti dorzálního hypothalamu označované jako CA1. Záznam aktivity neuronů byl nečekaný. Podle toho, jak se sledovaný laboratorní potkan pohyboval, aktivovaly se mu v CA1 hippokampu neurony. Dané buňky byly aktivní pouze v okamžiku, kdy se potkan ocitl v určitém místě. O’Keefe nazval tyto neurony „místové neurony“ (place cells) a byl přesvědčen, že jejich aktivita odráží fakt, že potkan ví, kde se právě nachází.

Objev místových neuronů narazil na silnou skepsi. Přední experti na poli neurofyziologie považovali výsledky O’Keefových experimentů za artefakt a byli přesvědčeni, že potkan se orientuje přednostně čichem. O’Keefe ale postupně všechny námitky vyvrátil a i v jeho případě se potvrdila zkušenost, kterou formuloval německý filosof Arthur Schopenhauer: „Všechny zásadní objevy procházejí třemi stadii. V prvním jsou zesměšňovány, v druhém zuřivě popírány a ve třetím přijaty jako naprostá samozřejmost.“

Dnes už nikdo nepochybuje, že různé místové neurony se v hippokampu aktivují při pohybu různými místy prostředí. Kombinace aktivity u mnoha místových neuronů vytváří v hippokampu vnitřní nervovou mapu, která reprezentuje zcela konkrétní prostředí. Jiný vzor aktivity místových neuronů máme aktivován doma v kuchyni, jiné místové neurony se nám aktivují cestou do práce a další vzor aktivity místových neuronů se nastolí v hippokampu, když dorazíme na pracoviště. Náš hippokampus obsahuje mnoho takových map vytvořených na různých místech v různých časech různými kombinacemi aktivity místových neuronů. Specifická série v aktivaci místových neuronů reprezentuje jedno jediné, jedinečné prostředí.

O’Keefe prokázal, že mapy vytvářené místovými neurony nejsou v hippokampu stabilní, ale mohou se měnit v procesu označovaném jako „remapping“ a že tento proces podléhá učení. Jakmile se nějaké místo „naučíme“, pak zůstává mapa stabilní až do dalšího „remappingu“. Místové neurony jsou tedy místem, které sehrává velmi důležitou roli při ukládání informací o různých lokalitách. Díky nim si trefíme na místech, která jsme navštívili před mnoha lety a která jsme si uchovali v paměti.

May‑Britt Moserová a Edvard I. Moser

Přínos držitelů druhé poloviny letošní Nobelovy ceny za fyziologii a medicínu manželů May‑Britt a Edvarda Moserových spočívá v odhalení něčeho, co May‑Britt Moserová přirovnává k systému poledníků a rovnoběžek pro určování zeměpisné polohy. Nobelovský výbor ocenil přínos norských neurofyziologů za objev „neuronů prostorové mřížky“ (grid cells).

Na začátku tohoto objevu bylo zjištění, že některé aspekty orientace v prostoru se zdály nezávislé na hippokampu. Moserovi nakonec obrátili pozornost k entorhinálnímu kortexu, kde našli neurony, které se spontánně aktivovaly během volného pohybu laboratorních potkanů prostorem. Pozoruhodné bylo, že se tyto neurony aktivovaly vždy, když potkan dospěl do určitého místa, bez ohledu na to, jaké bylo jeho okolí. Místa prostoru, kde se potkanovy neurony z entorhinálního kortexu aktivovaly, vytvářely systém rovnostranných trojúhelníků, které se skládaly do perfektních šestiúhelníků. Vytváří se tak jakási pravidelná prostorová síť podobná síti z poledníků a rovnoběžek. Zatímco základní „buňka“ tvořená poledníky a rovnoběžkami má tvar čtyřúhelníku, základní jednotka sítě vytvořené neurony prostorové mřížky má trojúhelníkový tvar.

Systém neuronů prostorové mřížky dovoluje měřit vzdálenosti, které jsme urazili v prostoru. Pro mapy vytvořené místovými neurony v hippokampu slouží jako „metr“. Zatímco místové neurony v hippokampu vytvářejí mapu poplatnou konkrétní konstelaci prostředí, pak neurony prostorové mřížky vytvářejí síť souřadnic, která si konkrétního utváření prostředí nevšímá a je na něm nezávislá. Je to podobné, jako když jsou na mapě zachyceny konkrétní hory, údolí, řeky a jezera, a my z takové mapy snadno vyčteme, kudy máme jít a co nás čeká na naší cestě. Systém poledníků a rovnoběžek nám neříká nic o utváření okolní krajiny, ale dovoluje nám určit přesnou polohu zeměpisnou šířkou a délkou bez ohledu na to, zda se nacházíme uprostřed lesa nebo na širém oceánu.

Neurony prostorové mřížky se aktivují v různých místech entorhinálního kortexu s různým „měřítkem“. Zvíře si tak vytváří různě „husté“ prostorové souřadnice. Některé měří vzdálenosti na centimetry, jiné třeba na metry. Pokud použijeme analogii May‑Britt Moserové se systémem poledníků a rovnoběžek, tak máme v entorhinálním kortexu systém měřící polohu nejen ve stupních zeměpisné šířky a délky, ale také podrobnější systémy „navigace“ měřící v obloukových minutách nebo v obloukových vteřinách.

Manželé Moserovi prokázali, že neurony prostorové mřížky tvoří komplexní systém s dalšími typy neuronů entorhinálního kortexu, jako jsou neurony směru hlavy a hraniční neurony. Neurony směru hlavy byly objeveny už v 80. letech minulého století a fungují jako kompas. Aktivují se, když zvíře otočí hlavu určitým směrem, bez ohledu na to, v jakém místě se samo nachází. Hraniční neurony se aktivují, když zvíře zaznamená překážku při pohybu v uzavřeném prostředí. Hraniční neurony nám tak například dovolují vnímat prostředí v místnosti omezené jejími stěnami.

Neurony prostorové mřížky, neurony směru hlavy a hraniční neurony jsou napojeny na místové neurony v hippokampu a vytvářejí tak komplikovaný navigační systém. Informace získané během dne o prostoru a pohybu v něm se během spánku revokují. U spících zvířat dochází k aktivaci místových neuronů i neuronů prostorové mřížky stejným způsobem, jakým k němu docházelo při skutečném pohybu zvířete prostředím. Tento proces zřejmě napomáhá ukládání získaných informací do paměti.

Výsledky výzkumu na potkanech byly brzy potvrzeny i při studiu funkcí lidského mozku. Člověk má rozsáhlé struktury hippokampu a entorhinálního kortexu, které obsahují jak místové neurony, tak i neurony prostorové mřížky. Pokud člověk často řeší problémy spojené s orientací v prostoru, jsou příslušné nervové struktury hippokampu a entorhinálního kortexu posíleny. To je zřejmě vysvětlení pro nález zvětšeného hippokampu u londýnských taxikářů, kteří byli dlouhá léta nuceni hledat nejvhodnější cestu mezi tisíci lokalitami ve městě bez mapy a dalších navigačních pomůcek.

Hippokampus a entorhinální kortex s místovými neurony a neurony prostorové mřížky patří ke strukturám, které bývají jako první postiženy při neurodegenerativních onemocněních, jako je Alzheimerova choroba. Proto patří k prvním symptomům těchto onemocnění problémy s orientací, nerozeznávání známých míst a další podobné obtíže.

Zdroj: Medical Tribune