Znalazłem ostatnio bardzo ciekawy artykuł opracowany przez Panią Katarzynę Chrząszcz na podstawie artykułu zamieszczonego w czasopismie naukowym "The Nature". Pozwoliłem go sobie zamieścić na swoim blogu.
Neurobiolodzy starają się zrozumieć, dlaczego mózg pracuje ciężko nawet wtedy, gdy zdaje się nie robić nic...
Eksperyment
polegający na skanowaniu mózgu może okazać się bardzo wymagający dla
ochotników. Ogólnie rzecz biorąc polega on na wykonywaniu poleceń
naukowców, które mogą dotyczyć rozwiązywania zadań matematycznych,
wyobrażenia sobie ulubionego polityka, czy też znalezienia obiektu lub
twarzy na obrazku.
Od kilku lat niektórzy z badaczy dodają też
w swoich testach odrobinę czasu na odpoczynek dla mózgu. Podczas gdy
ochotnik wciąż podłączony jest do skanera funkcjonalnego magnetycznego
rezonansu jądrowego (fMRI) osoba przeprowadzająca eksperyment prosi go,
aby starał się opróżnić swój umysł, czyli przez chwilę nie myśleć
o niczym. Celem takiego podejścia jest zbadanie, co tak naprawdę dzieje
się w nieobciążonym, bezczynnym wręcz, mózgu. I jak się okazuje- dzieje
się bardzo wiele!
Niektóre obwody muszą pozostać aktywne, gdyż
kontrolują automatyczne procesy takie jak oddychanie czy bicie serca.
Jednak reszta mózgu także nie przestaje działać własnym wolnym rytmem
plącząc się wokół list zakupów, urywków odbytych rozmów, czy po prostu
marzeń. Ten rodzaj aktywności został nazwany stanem spoczynku.
Neurobiolodzy mają także dowody na to, że angażuje on do pracy te same
sieci i połączenia mózgowe, które aktywują się podczas wykonywania
różnorakich zadań.
Aktywność mózgu podczas stanu spoczynkowego
jest bardzo ważna, jeśli za punkt odniesienia potraktować ilość energii
dostarczanej mu w tym czasie. Przepływ krwi do mózgu w tym stanie jest
o około 5 do 10 procent niższy niż podczas eksperymentów wymagających
wykonywania poleceń. Badanie „odpoczywającego” mózgu może pomóc także
w zrozumieniu, jak działa on kiedy jest bardziej aktywny. Testy
prowadzone na sieciach mózgowych w stanie spoczynku pozwalają wyrysować
swoiste mapy wewnętrznych połączeń mózgowych poprzez pokazanie na
przykład, które części mózgu „lubią” ze sobą pracować i jaki wpływ mogą
mieć na to różne choroby.
Ale po co tak naprawdę wszystkie te
wysiłki? Jeśli zapytać o to neurobiologów, większość z nich zapewne
wzruszy ramionami albo westchnie. „To właściwie dopiero początek, nie
można jeszcze za dużo powiedzieć, to wszystko tak naprawdę hipotezy”,
mówi Amir Shmuel, specjalista do spraw obrazowania mózgu w McGill
University w Montrealu. Stan spoczynkowy może mieć za zadanie
podtrzymywanie połączeń mózgowych, gdy nie są używane lub też
przygotowywać mózg do odpowiedzi na przyszłe bodźce. Możliwe też, że
pozwala utrzymać związek między tymi rejonami mózgu, które często ze
sobą współpracują. Co więcej, być może odpowiedzialny jest też za
konsolidację informacji czy wspomnień gromadzonych każdego dnia. „To
nowe podejście budzi wiele entuzjazmu. Niestety brakuje dla niego
jeszcze choćby podstawowego zrozumienia”, komentuje Michael Greicius-
neurobiolog z Stanford University w Kalifornii, który zaczął badać mózg
w stanie spoczynku już dziesięć lat temu.
ZAWSZE AKTYWNY
Ciąg
eksperymentów w połowie lat 90. ubiegłego wieku zdawał się potwierdzać
hipotezę, że mózg nie odpoczywa nigdy. Bharat Biswal, wówczas doktorant
na Medical College of Wisconsin w Milwaukee, próbował oddzielić sygnały
mózgowe pochodzące z wykonywanych zadań od wszelkich innych
pojawiających się w tle. „Myśleliśmy, że był to po prostu nic
nieznaczący szum”, wspomina Biswal, który obecnie pracuje jako inżynier
biomedyczny w New Jersey Institute of Technology w Newark. Kiedy jednak
spojrzał na wykresy pracy mózgu ludzi odpoczywających, zobaczył, że
tworzą one regularne wzory- wahania o niskiej częstotliwości.
Eksperyment pokazał, że były one wywołane aktywnością neuronów.
U
zarania badań stanu spoczynkowego, niektórzy badacze byli przekonani,
że natrafili na coś bardzo głębokiego. „Kiedy pierwszy raz patrzyłem na
te obwody mózgowe, byłem pewny, że wchodzimy w głąb strumienia
świadomości. Zostałem jednak dość szybko sprowadzony na ziemię.”, mówi
Greicius. Te sieci aktywności pojawiły się także w innych stanach
świadomości, takich jak sen czy znieczulenie ogólne, nie były więc
ściśle powiązane ze świadomym przetwarzaniem.
Nie były one
jednak zupełnie pozbawione znaczenia. Kilka lat po odkryciu Biswel’a,
rozpoczęto badania stanu spoczynkowego jako takiego. Ekipa pod
przewodnictwem Marcusa Raichle’a- neurobiologa z Washington University
w St. Louis, scharakteryzowała aktywność stanu spoczynkowego jako „tryb
domyślny mózgu” (ang. brain’s default mode), czyli pewnego rodzaju
ustawienia fabryczne. Podczas wykonywania zadań, aktywność trybu
domyślnego urywała się po to, aby pojawić się znowu wtedy, gdy mózg nie
wysilał się już tak bardzo.
Z siecią trybu domyślnego związanych
jest też wiele różnych przejawów stanu spoczynkowego, z których wiele
przypomina aktywność powiązaną z uwagą, widzeniem, słyszeniem lub
ruchem. Są one takie same wśród wszystkich badanych, jednak zmieniają
się w czasie. „Fakt, że są zawsze obecne, choć nie jednostajne świadczy
o ich istotności”, mówi Michael Milham, dyrektor Center for the
Developing Brain w Nowym Jorku.
Pomimo to, niektórzy badacze
zaczęli poddawać pod wątpliwość, jakoby te przejawy odzwierciedlały
w ogóle cokolwiek realnego. W końcu fMRI nie mierzy aktywności
elektrycznej mózgu w sposób bezpośredni, lecz poprzez pomiar przepływu
krwi. Aktywność spoczynkowa mogłaby okazać się po prostu artefaktem.
„Wielu ludzi zwalało winę na kiepskie skanery albo szum oddechowy”, mówi
Andrea Kleinschmidt, dyrektor badań jednostki odpowiedzialnej za
obrazowanie mózgu we French National Institute of Health and Medical
Research w Gif-sur-Yvette. Jednak z wykorzystaniem fMRI oraz
encefalografów Kleinschmidt wraz ze swoimi współpracownikami udowodnili,
że za wykresami stoi rzeczywista aktywność mózgowa.
Arim Shmuel
i David Leopold- neuropsycholog w US National Institute of Mental
Health zrobili właściwie to samo, monitorując stan spoczynkowy u małp
i jednocześnie badając aktywność elektryczną mózgu za pomocą sond
umieszczonych głęboko w korze wzrokowej. Znaleźli zależności pomiędzy
wykresami stanu spoczynkowego a aktywnością elektryczną w paśmie
częstotliwości wynoszących około 40 Hertzów. Taka „γ-aktywność”
związana jest z komunikacją między odległymi obszarami mózgu, co
przekonało Shmuela, że w stanie spoczynkowym mózg faktycznie pracuje.
„Głęboko wierzę w istnienie mechanizmu leżącego u podłoża całego tego
procesu, który my nazywamy sieciami stanu spoczynkowego”, tłumaczy.
ZABURZONE MYŚLENIE
Ten
mechanizm może ulec wypaczeniu w różnego rodzaju chorobach mózgu.
Ludzie ze wczesnymi objawami choroby Alzheimer’a na przykład, wykazują
nietypowe cechy stanów spoczynkowych, które mogą być wykryte już
w bardzo łagodnych formach demencji i które zmieniają się także w miarę
pogłębiania się schorzenia. U dzieci z autyzmem, sieci stanu
spoczynkowego charakteryzują się nadmierną ilością połączeń, znacznie
większą niż u dzieci zdrowych. Przyczyny tych rozbieżności są nieznane
i niekoniecznie interesujące dla lekarzy, których interesuje głównie
znajdowanie markerów jakiejś choroby. „Z klinicznego punktu widzenia nie
musisz zawsze rozumieć dlaczego jakiś biomarker służy za biomarker”,
mówi Milham. Jednak niektórzy neurobiolodzy są zafascynowani naturą tych
wahań. „Spędza mi to sen z powiek”, mówi Timothy Ellmore z University
of Texas Health Science Center w Houston, który bada stan spoczynkowy u
pacjentów z Parkinsonem.
Niektórzy naukowcy twierdzą teraz, że
stan spoczynkowy ma za zadanie przygotować mózg do reakcji na bodźce.
„System nie siedzi sobie po prostu nie robiąc nic i czekając”, mówi
Kleinschmidt. Cykliczne formy aktywności w sieciach mogą pomagać mózgowi
w wykorzystywaniu przeszłych doświadczeń do przyszłych decyzji.
„Kalkulowanie wszystkiego i podejmowanie decyzji w mgnieniu oka wymaga
niesamowitej sprawności”, mówi Maurizio Corbetta z Washington School of
Medicine w St. Louis. Bada on stan spoczynkowy z wykorzystaniem
magnetoencefalografii, czyli techniki, która mierzy pola magnetyczne
związane z aktywnością elektryczną neuronów. „Jeśli mam mechanizm, który
potrafi przewidzieć, co zdarzy się w moim życiu, to nie muszę
wszystkiego na bieżąco kalkulować, tylko korzystać z doświadczeń”,
wyjaśnia. Porównuje ten rodzaj aktywności do pojazdu: „jeśli siedzisz
w samochodzie z zapalonym silnikiem możesz ruszyć z miejsca naprawdę
szybko”.
Jednak nie chodzi tu tylko o oszczędność czasu. Sieci
stanu spoczynkowego mogą także, choć nieświadomie, wpływać na percepcję.
Aby zbadać, jak spontaniczne wejście w ten stan może zmienić sposób
odbierania bodźców, Kleinschmidt i jego koledzy przeskanowali mózgi
ludzi, którym pokazano obrazek, który można było interpretować na dwa
sposoby- jako wazon lub twarz ludzką. Ci z nich, którzy zobaczyli na
obrazku twarz wykazywali większą aktywność w rejonie mózgu,
odpowiedzialnym za rozpoznawanie twarzy jeszcze zanim pokazano im
ilustrację. Kleinschmidt podejrzewa, że mózg przetwarza kilka wersji
świata gdzieś na tyłach, przygotowany na to, że jedna z nich pojawi się
naprawdę. „To tak jakbyś zawsze był przygotowany na to, co nastąpi”,
mówi.
Corbetta z kolei odkrył dowody na to, że u ludzi
z uszkodzeniami mózgu, stan spoczynkowy może powodować zmiany
w zachowaniu. W swoich jeszcze nieopublikowanych badaniach pokazał, że
uszkodzenia w czołowych częściach mózgu, wywołane przez udar na
przykład, mogą wpływać na zmiany w aktywności spoczynkowej bardziej
odległych obszarów. „To jasny dowód na to, że upośledzenie działania
stanu spoczynkowego ma wpływ na dobór odpowiednich połączeń mózgowych
podczas wykonywania zadań”.
ŁAD I SZTUKA PIELĘGNOWANIA SIECI MÓZGOWYCH
Raichle
jest zdania, że aktywność w odpoczywającym mózgu pomaga w utrzymywaniu
w nim porządku. Połączenia między neuronami stale zmieniają się w miarę
jak ludzie się starzeją i uczą, jednak człowiek zachowuje poczucie
własnej tożsamości przez cały ten czas. Spontaniczna aktywność może mieć
wpływ na podtrzymywanie tej ciągłości. „Połączenia między neuronami
zmienią się w ciągu minut, dni, miesięcy i lat. Struktura naszego mózgu
będzie inna jutro, a pomimo to nie zapomnimy o tym, kim jesteśmy”,
tłumaczy Raichle.
Być może aktywność ta jest także częścią
systemu, który „dostraja” połączenia podczas gdy my odpoczywamy. Kilka
ekip zarejestrowało zmiany w połączeniach spoczynkowych po wykonaniu
zadań pamięciowych lub językowych. Chris Miall, neurobiolog behawioralny
z Uniwersytetu w Birmingham w Wielkiej Brytanii, wraz ze swoimi
kolegami, pokazali, że na spontaniczną aktywność spoczynkową mają wpływ
poprzedzające ją zdarzenia. W swoim doświadczeniu badali uczestników
w stanie spoczynku, a następnie dali im do wypełnienia zadanie
polegające na trafieniu w cel z użyciem joysticka. Kiedy ochotnicy
zostali zbadani ponownie w stanie odpoczynku, w sieciach mózgowych widać
było efekty wykonywanego wcześniej polecenia. To badanie i kilka
innych, które nastąpiły po nim, dało do zrozumienia, że „mózg nie tylko
z wyprzedzeniem myśli o twojej kolacji, ale też przetwarza różne
przeszłe zdarzenia w długoterminowe wspomnienia”, mówi Miall. Zmiany
w sieciach są ściśle określone przez wykonywane zadania.
Badania
nad konsolidacją pamięci u zwierząt zdają się potwierdzać tę konkluzję.
Kiedyś myślano, że wspomnienia, które tworzymy w dzień wzmacniają się
w nocy podczas snu. Po szeregu eksperymentów na szczurach jednak, Loren
Frank i Mattias Karlsson- neurobiolodzy z Uniwersytetu Kalifornijskiego
odkryli, że mózg przetwarza wspomnienia przy każdej możliwej okazji,
w dowolnej chwili dnia czy nocy. „Badania pokazały, że ma to miejsce
w momentach, w których zwierzę wydaje się nic nie robić”, wyjaśnia
Frank. Twierdzi, że to samo może mieć miejsce w mózgach ludzkich. Przy
tym wszystkim, aktywność w stanie spoczynku może też normować
i porządkować mózg. „Jak sprawić, żeby mózg był sprawny i elastyczny?
Gdy podczas odpoczynku pojawia się w nim spontaniczna aktywność, to
odciąża ona ścieżki, które odpowiedzialne są za to, czego się właśnie
nauczyliśmy”, zwraca uwagę Frank, „być może jest to jedna z ról tego
stanu”.
Shmuel podkreśla jednak, że nie można wykluczyć hipotezy,
że aktywność spoczynkowa jest po prostu produktem ubocznym życia mózgu.
„Impuls może przepływać po prostu dlatego, że gdzieś musi. Mózg nie
jest martwy, a anatomiczne struktury uniemożliwiają temu rodzajowi
aktywności przyjęcia losowej formy”, mówi. Po chwili dodaje jednak: „Mam
nadzieję, że tak nie jest. To by było bardzo nudne...”.
Zawężenie
szerokiego wachlarza możliwości zajmie trochę czasu, zwłaszcza biorąc
pod uwagę, że sama natura stanu spoczynkowego utrudnia jego badanie.
Kiedy naukowiec podłącza kogoś do skanera i każe mu nie myśleć o niczym,
ciężko jest przetestować jakąś konkretną hipotezę. Badacze muszą więc
po prostu gromadzić sterty danych i na ich podstawie wysnuwać wnioski.
„To, że uczestniczę w czymś takim to prawie herezja!”, żartuje Milham,
który z wykształcenia jest neurobiologiem poznawczym, czyli kimś, kto
ściśle opiera swoje badania na hipotezach.
Jakikolwiek cel ma
aktywność mózgu w momentach odpoczynku, jej istnienie jasno dowodzi
jednego. Miall stwierdza to bez ogródek: „Mózg odpoczywa tylko wtedy,
gdy nie żyjesz”.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz