Pamięć przestrzenna, czyli wewnętrzny GPS

autor: dr n. med. Adam Hamed
Instytut Psychiatrii i Neurologii w Warszawie

Nasze codzienne życie, podobnie jak życie zwierząt, poza automatycznym wykonywaniem różnorodnych czynności, wymaga świadomego działania. Czytając ten artykuł zapewne znajdują się Państwo w pomieszczeniu, do którego trafili używając informacji zakodowanej w Państwa pamięci. Czym jest ta pamięć? To szczególna zdolność organizmu do odbierania informacji pochodzących z różnorodnych bodźców, segregowania i zapisywania tych informacji pod postacią śladów pamięciowych, ich przywoływania czy usuwania, kiedy brak jest źródła tych bodźców, bądź innych bodźców kontekstowych przypominających dany ślad pamięciowy.

Ze względu na trwałość śladów pamięciowych wyróżnia się pamięć krótko- i długotrwałą. Do pamięci długotrwałej zalicza się pamięć deklaratywną. Jej nabywanie, jak i późniejsze przywoływanie angażuje świadomość i procesy poznawcze. Należy jednak zaznaczyć, że „pamięć” to bardzo szerokie pojęcie, spróbujmy więc przybliżyć jeden aspekt tego zjawiska, a mianowicie tzw. „pamięć przestrzenną” i związaną z nią nawigację przestrzenną.
Pamięć przestrzenna jest jednym z rodzajów pamięci deklaratywnej. Nie jest ona pamięcią jednorodną. Uważa się, że składa się ona z pamięci allotetycznej opartej na bodźcach wzrokowych oraz idiotetycznej, bazującej na informacjach z bliskiego otoczenia i z poruszania się. Obie pamięci mogą formować się równocześnie i działać razem lub niezależnie.

Znajdując się w nowym mieście, którego wcześniej nie znaliśmy, nabywamy pamięć o strukturze ulic oraz miejscach, kierując się z początku w głównej mierze wskazówkami wzrokowymi. Jednak proszę sobie wyobrazić sytuację, w której po dwóch tygodniach pobytu w tym mieście i po konsolidacji pamięci (nabywania pamięci; uczenia się) podstawowych uliczek prowadzących od naszego miejsca noclegu, gaśnie w całym mieście światło, a księżyc jest w nowiu, do tego przysłonięty chmurami i właściwie nic nie widać. Nikomu nie działają oczywiście latarki, również te w telefonach. Czy jesteśmy w stanie dotrzeć do naszego hotelu? Czy wówczas również kierujemy się wskazówkami wzrokowymi? Otóż nie do końca – pamiętamy drogę do miejsca docelowego, przywołujemy zbudowany obraz przestrzeni i kierujemy się ostrożnie, lecz w zaplanowany sposób.
Przywołajmy inny przykład. Wyobraźmy sobie, że jesteśmy zatrudnieni w nowej aptece, którą dopiero poznajemy. Składa się ona z wielu pomieszczeń, w której w sposób nieoczywisty są poukładane leki. Ucząc się przestrzeni – nabywamy i kodujemy informacje o położeniu odpowiednich medykamentów i nawet jeżeli zgaśnie w aptece światło, jesteśmy w stanie odtworzyć drogę do konkretnego leku, pamiętając przy tym większość przeszkód, które możemy po drodze napotkać. Gdy już przejdziemy tę drogę, zapalamy światło. Jeżeli już jesteśmy w miejscu poszukiwanego leku, używamy ponownie wskazówek wzrokowych do wyboru opakowania z szuflady lub półki kierując się wyborem dawki, ilością odpowiedniej postaci leku zapisanej przez lekarza. Ale co sprawia, że jesteśmy w stanie dotrzeć do przysłowiowej szuflady bez wskazówek wzrokowych, jednocześnie uzyskując pewność, że doszliśmy do miejsca docelowego? Czy jest to pamięć idiotetyczna czy allotetyczna?

A może wewnętrzny system nawigacji? Naukowcy już od kilku dekad wykazują, że hipokamp jest niezbędną strukturą dla nabywania pamięci allotetycznej, szczególnie w przypadkach, kiedy jej formowanie wymaga segregacji bodźców użytecznych od mylących, co angażuje procesy koordynacji poznawczej. Co ciekawe, w hipokampie znajdują się komórki, które są w stanie być wzbudzane w momencie, w którym znajdujemy się w miejscu docelowym, ale również informują nas, że znajdujemy się w miejscu zarówno związanym z bodźcem apetytywnym (np. dobra cukiernia, w której byliśmy już wcześniej) jak i awersyjnym (tu nie podchodź! – bo „tu kopnął cię kiedyś prąd”).

W roku 2014 przyznano nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny małżeństwu Moserów oraz Johnowi O’Keefe – odkrywcom „pozycjonowania wewnętrznego GPS” w mózgu, które sprawia, że możemy orientować się w pozycji w przestrzeni. Już w 1971 r. John O’Keefe odkrył pierwszy „składnik” systemu pozycjonowania. Okazało się, że istnieje specyficzny rodzaj komórek nerwowych w obszarze mózgu zwanym hipokampem. Komórki te są zawsze aktywne, gdy badane zwierzę znalazło się w określonym miejscu w pomieszczeniu. Inne komórki natomiast były aktywowane, gdy zwierzę znajdowało się w innych miejscach pomieszczenia. O’Keefe doszedł do wniosku, że komórki te tworzą swoistą mapę pomieszczenia i nazwał je „komórkami miejsca” (place cells).

W 2000 r. w badaniach obrazujących aktywność mózgu (MRI) u doświadczonych kierowców taksówek w Londynie wykazano, że mają oni powiększoną tylną część hipokampa w porównaniu z osobami, których praca nie wymaga częstego używania nawigacji przestrzennej. Jednocześnie Maguire i współpracownicy wskazują, że hipokamp przechowuje reprezentację przestrzenną otaczającego środowiska, jak również bierze udział w opracowywaniu strategii przestrzennej mającej na celu dotarcie do punktu docelowego. Podobną zwiększoną objętość hipokampa mózgu w stosunku do rozmiaru ciała zaobserwowano u małych ssaków i ptaków, których tryb życia wymaga znacznego zaangażowania pamięci przestrzennej wykorzystywanej na przykład do przechowywania informacji dotyczącej poukrywanych zapasów żywności. U niektórych gatunków wielkość hipokampa zmienia się szczególnie w okresach, gdy popyt na zdolności przetwarzania informacji przestrzennej jest wyższy.

Ponad trzy dekady po odkryciu O’Keefe, May-Britt i Edvard Moser odkryli w 2005 r. kolejny kluczowy „składnik” systemu pozycjonowania mózgu. Moserowie mapowali połączenia hipokampa u szczurów poruszających się w pokoju, gdy zaobserwowali zadziwiający wzorzec aktywności w pobliskiej hipokampowi części mózgu zwanej korą śródwęchową (entorhinal cortex). Odkryli oni, że niektóre komórki aktywowane były, gdy szczury znajdował się w wielu miejscach, a miejsca te były rozmieszczone w heksagonalnej siatce. Każde z tych komórek aktywowane jest w unikalnym wzorze przestrzennym i wspólnie te „komórki siatki” (grind cells) stanowią układ współrzędnych, który pozwala na orientację przestrzenną oraz precyzyjne pozycjonowanie i odnajdywanie ścieżki którą się poruszamy. Wraz z innymi komórkami kory śródwęchowej, które rozpoznają kierunek głowy (head dircetion cells) i granicy pomieszczenia (border cells), komórki siatki (grind cells) tworzą obwody z komórkami miejsca (place cells) w hipokampie. Obwód ten stanowi kompleksowy system pozycjonowania, „wewnętrzny GPS” w mózgu. Ostatnie badania z użyciem technik obrazowania mózgu, jak również badania u chorych poddawanych zabiegom neurochirurgicznym, dostarczyły dowodów, że komórki miejsca i komórki siatki istnieją także u ludzi.

U pacjentów z chorobą Alzheimera często dochodzi do neurodegeneracji komórek w hipokampie i korze śródwęchowej, co wpływa we wczesnym etapie choroby na to, że osoby te często tracą swoją pamięć o drodze do domu i nie mogą rozpoznać otoczenia. Wiedza na temat systemu pozycjonowania mózgu może więc pomóc nam zrozumieć mechanizm leżący u podstaw utraty pamięci przestrzennej, która dotyka ludzi z chorobą Alzheimera. Odkrycie systemu pozycjonowania mózgu reprezentuje zmianę paradygmatu w naszej wiedzy na temat zespołów wyspecjalizowanych komórek współpracujących ze sobą, mających wpływ na wyższe funkcje poznawcze. To otworzyło nowe drogi do zrozumienia innych procesów poznawczych, takich jak pamięć, myślenie i planowanie.