Paměť mozku má podivuhodné mechanismy

Mezinárodní tým výzkumníků z Německa, Švédska a Švýcarska pracující na projektu Human Brain Project (Projekt Lidský mozek) se nyní zaměřil na paměť mozku – jaký vliv na ní má chování a učení na odměnu. Jejich zjištění zvyšují naše povědomí o základním fungování nervového systému a jeho schopnostech učit se a přizpůsobit se měnícím se podmínkám.

Všichni to známe: Slyšíme melodii a ta v nás zanechá svůj otisk. Takže když ji pak slyšíme znovu, poznáme ji. A to dokonce i o desítky let později. Jednou se podíváme na van Gogův obraz a ten zůstane vtisknutý do naší paměti po zbytek života. Jak se ale něco tak pomíjivého jako je melodie může stát součástí mozku? A vést k utvoření vzpomínek, jež formují naše chování?

Zpracování informací v mozku se odehrává v rámci neurálních obvodů, jež jsou propojeny synapsemi. Každá modifikace těchto synapsí má dopad na to, jak si něco pamatujeme nebo jak reagujeme na určité podněty.

Proč se paměť mozku oslabuje či posiluje?

Jeden ze způsobů, jakými lze modifikovat neurální obvody, je skrze proces synaptickou plasticitu. Určité synapse se v průběhu času buď posilují nebo oslabují v odezvě na neurální aktivitu. Analýzou sítí biochemických reakcí, které jsou základem synaptických modifikací, byli vědci v Heidelbergu, Lausanne, Juelichu a Stockholmu schopní získat nový pohled na mechanismy plasticity.

“K lepšímu porozumění fenoménu vyšší úrovně jako je učení a utváření paměti mozku jsou zásadní simulace mechanismů plasticity vzešlé z výpočtů na molekulární úrovni,” říká Jeanette Hellgren Kotaleski z Královského technologického institutu ve Stockholmu, jedna ze spoluvedoucích studie.

V neuronech se vnější a vnitřní informační procesy odehrávají prostřednictvím synaptických signálních převodových sítí, které určují synaptickou plasticitu. Někdy jsou výpočetní schopnosti v rámci těchto sítí schopné uskutečnit i samostatné molekuly.

Často jde o enzymy – tedy proteiny, které významnou měrou urychlují nebo katalyzují specifické chemické reakce. Jedním z takových případů je rodina savčích enzymů adenylátcyklázy (ACs), která dokáže převádět mimobuněčné signály na nitrobuněčné molekuly cAMP, jedny z hlavních buněčných signalizačních molekul druhé signální soustavy.

Lidský život a učení se obvykle odehrává skrze zkušenost a interakce s prostředím. Jakým způsobem si však mozek převádí informace z vnějšího světa na něco, co si následně paměť mozku uloží?

Učíme se kvůli odměně?

“Dlouho jsem byl těmito enzymy fascinován,” říká Paolo Carloni z Forschungzentrum Juelich. ”Avšak není až tak důležité, jak rychle proběhne katalyzovaná reakce, nýbrž jak striktní kontrolu uplatňuje příroda vůči těmto chemickým strojům. Specifické doplňkové proteiny dokonale cílí na enzymy edenylátcyklázy a spouštějí chemické reakce. Zatímco další proteiny je blokují. Naše práce poskytuje významný krok směrem k porozumění tomu, co nazýváme “molekulární rozpoznávání” těchto proteinů adenylátcyklázy. Je založeno na tom, které neurony mohou s úchvatnou precizností kontrolovat rychlost reakce katalyzované adenylátcyklázou. To aktivuje následné procesy nezbytné pro neurální funkce.”

V mozku se vyskytuje devět variant adenylátcyklázy vázaných na membránu. Přičemž ve striatu dominuje forma AC5. Během učení na odměnu je při upevňování synapsí směrem od kortikálních neuronů k hlavním striatálním neuronům zásadní produkce molekuly cAMP. Její utváření závisí na několika neuromodulatorních systémech jako je dopamin a acetylcholin.

“Pro tuto studii bylo nezbytné sloučit různé výpočetní expertízy vědců ze čtyř laboratoří. Abychom byli schopni pracovat na multiškálovém simulačním přístupu výstavby kinetického modelu signalizačního systému závislého na AC5,” říká Rebecca Wade, která tuto studii vedla na Institutu teoretických studií v Heidelbergu (HITS). “Pomocí tohoto modelu můžeme zjistit, jak AC5 detekuje určité kombinace souběžných změn v neuromodulatorních signálech, jejichž výsledkem je synergická produkce cAMP. (zdroj: technologynetworks.com)