Jak uczy się mózg?

Jak uczy się mózg?

Uczymy się non-stop przez całe życie – niezależnie od wieku, chęci, pory dnia i nocy. Wbrew obiegowym mitom to nie żadne magiczne metody ani sposoby pokroju lejka norymberskiego, ale aktywny odbiór, selekcja i przetwarzanie informacji ze świata gwarantują powstawanie w mózgu nowych śladów pamięciowych. Podłożem tego wszystkiego jest plastyczność mózgu. Dzięki tej właściwości możliwe jest ciągłe budowanie nowych połączeń synaptycznych między komórkami nerwowymi.

O tym jak niezbędna dla przetrwania jest umiejętność uczenia się świadczy fakt, że zdolność ta występuje już u bardzo prymitywnych gatunków zwierząt. Do badań nad molekularnymi mechanizmami uczenia się wykorzystywano między innymi wypławki i muszki owocowe. Eric Kandel – laureat Nagrody Nobla z 2000 roku opisał fizjologiczne mechanizmy pamięci prowadząc badania na aplyzji (ślimaku morskim). Jej mózg składa się z zaledwie 20 tysięcy komórek nerwowych. Dla porównania - ilość neuronów w mózgu ludzkim szacowana jest na ok. 86 miliardów. Niesamowitym w tym kontekście wydaje się być fakt, że nawet aplyzja jest w stanie się uczyć!

Z neurobiologicznego punktu widzenia uczenie się to powstawanie trwałych zmian w zachowaniu będących efektem doświadczenia. Owe zmiany, czyli ślady pamięciowe przechowywane są w układzie nerwowym w postaci engramów. Engram powstaje w oparciu o określone przeżycia i działanie konkretnych bodźców – jest zmianą stałą. I właśnie tworzenie nowych engramów i przekształcanie tych już istniejących jest istotą uczenia się. Choć uczenie się jest procesem złożonym i skomplikowanym,  zbadane i opisane zostały różne mechanizmy, które się na nie składają. Najprostszymi, a więc nieasocjacyjnymi (opierającymi się na jednym bodźcu) rodzajami uczenia się są habituacja, czyli stopniowe zanikanie reakcji na stale działający bodziec oraz sensytyzacja charakteryzująca się stopniowym wzrostem progu reakcji na bodziec (np. bólowy). Ich celem jest wzmocnienie reakcji na bodźce niekorzystne i zagrażające oraz zmniejszenie reakcji na bodźce o charakterze pozytywnym i neutralnym. Bardziej zaawansowane formy uczenia się to uczenie się asocjacyjne, do którego możemy zaliczyć klasyczne warunkowanie pawłowskie (skojarzenie początkowo obojętnego bodźca z bodźcem bezwarunkowym, asocjacje bodziec warunkowy-reakcja) i warunkowanie sprawcze (kojarzenie określonych zachowań z nagrodą i karą, asocjacje przyczyna-skutek). Jak mówi teoria społecznego uczenia się autorstwa Bandury - uczymy się także dzięki modelowaniu i naśladowaniu.
 

Pamięć i jej rodzaje

Fenomen pamięci polega na tym, że to dzięki niej możemy podejmować decyzje w oparciu o wcześniejsze doświadczenia. To pamięć tworzy nas - naszą świadomość i osobowość. Poczucie własnej tożsamości budujemy na podstawie pamięci tego, że wciąż jesteśmy tymi samymi osobami, którymi byliśmy od dzieciństwa do chwili obecnej. Choć zmienia się nasza fizyczność i nie zgadzamy się z poglądami, w obronie których jeszcze jakiś czas temu mogliśmy stawać do walki, czujemy jedność i ciągłość.

Naukowiec lub terapeuta o podejściu biologicznym powie, że pamięć to zjawisko, które można badać, ponieważ ma ono swoje materialne podłoże. Wiemy jakie struktury nerwowe i jakie neuroprzekaźniki odgrywają kluczową rolę w tworzeniu i przekształcaniu się śladów pamięciowych. Warto jednak zacząć od opisu rodzajów pamięci, jakie możemy wyróżnić w oparciu o różne klasyfikacje. Ze względu na trwałość wyróżniamy pamięć sensoryczną, krótkotrwałą i długotrwałą. Pamięć sensoryczna to pamięć zmysłów – trwa zaledwie do 0,5 sekundy a jej zadaniem jest maksymalny odbiór bodźców trafiających do nas za pomocą zmysłów. Następnie informacje przenoszone są do obszaru pamięci krótkotrwałej (ang. short-time memory, STM). W tym obszarze mieszczą się informacje, które przechowywane mogą być trochę dłużej – do kilkunastu sekund. Dzięki temu rodzajowi pamięci możemy czasowo zapamiętywać dane zmysłowe (np. pamiętamy listę kilku słów przeczytanych w odpowiedniej kolejności). Tutaj także ma miejsce „obróbka” informacji pobranych z pamięci długotrwałej. Nie jest to jeszcze pamięć trwała, ale engramy tej pamięci – jeśli zostaną uznane za ważne – mogą dzięki regularnemu powtarzaniu przekształcić się w engramy pamięci długotrwałej. Pamięć długotrwała (ang. long-time memory, LTM) jest już bardzo trwałym magazynem informacji, które przechowywane mogą w niej być nawet przez całe życie. Tam znajdują się całe zasoby naszej wiedzy, które w zależności od potrzeb możemy stamtąd wydobyć, „przenieść” do obszaru pamięci roboczej (krótkotrwałej) i wykorzystać w określonym celu.

Przejście informacji z pamięci krótkotrwałej do obszaru pamięci długotrwałej to konsolidacja. Powiązany z tym efekt Kamina mówi, że istnieje pewien okres czasu, w którym engramy pamięci krótkotrwałej już nikną, a ślady pamięci długotrwałej nie są jeszcze dostatecznie uformowane. Dlatego właśnie niejednokrotnie ma miejsce sytuacja, w której zdolność przypomnienia sobie wyuczonego materiału jest chwilowo obniżona. Naukowe potwierdzenie znajduje zatem popularna opinia, że po nauce należy się przespać i dać tym samym naszemu umysłowi czas na trwałe uformowanie długotrwałych śladów pamięciowych.

Bardziej obrazowym podziałem pamięci jest ten, którego dokonać możemy z uwagi na jej treść. Pamięć, którą przechowujemy i odtwarzamy w sposób jawny i świadomy to pamięć deklaratywna. Obejmuje ona pamięć epizodyczną, czyli pamięć zdarzeń, które jesteśmy w stanie ulokować w konkretnym miejscu i czasie (np. egzamin, własny ślub czy bycie świadkiem napadu). Drugim rodzajem pamięci deklaratywnej jest pamięć semantyczna, w skład której wchodzi ogólna wiedza o świecie (np. Warszawa jest stolicą Polski) i reguł postępowania (pamiętam, że nowo poznanej osobie wypada się przedstawić). Posiadamy także ogromne zasoby pamięci niedeklaratywnej (niejawnej), która obejmuje pamięć proceduralną, czyli ruchową. Dzięki niej pamiętamy, w jaki sposób należy wykonywać określone czynności, takie jak chociażby pływanie czy prowadzenie samochodu. W odróżnieniu od pamięci deklaratywnej, pamięć proceduralna jest odporna na amnezję. Osoby, które w wyniku różnorakich urazów niejednokrotnie nie pamiętają wydarzeń ze swojego życia lub ogólnie znanych faktów dotyczących życia społecznego wciąż potrafią wykonywać złożone czynności ruchowe jak np. taniec (oczywiście pod warunkiem, że w wypadku urazu nie zostały uszkodzone ośrodki odpowiedzialne za ruch).
 

Anatomia pamięci

Skoro każdy ślad pamięciowy ma swoje materialne podłoże, jakie struktury anatomiczne są odpowiedzialne za kondycję naszej pamięci? Obecnie przyjmuje się, że pamięć krótkotrwała ma charakter elektryczny – polega na jednoczesnym pobudzeniu określonych grup neuronów. Następstwem tego jest fakt, że w wyniku przerwania czynności elektrycznej komórek nerwowych (np. za pomocą elektrowstrząsów stosowanych niekiedy w leczeniu depresji) często ma miejsce utrata pamięci obejmującej niewielką ilość czasu przed zabiegiem. Na temat charakteru pamięci długotrwałej i mechanizmów jej formowania się powstało wiele, mniej i bardziej trafnych teorii. Ze względu na swój charakter, podłoże tego rodzaju pamięci musi mieć formę materialną. Współcześnie największe uznanie zyskała teoria plastyczności synaptycznej mówiąca, że równoczesne wielokrotne pobudzanie dwóch neuronów prowadzi do trwałej zmiany plastycznej i zwiększenia drożności synapsy. Dzięki temu takie synapsy są wydajniejsze, a sygnały przez nie płynące- silniejsze. Zjawisko to nosi nazwę długotrwałego wzmocnienia synaptycznego (ang. long-term potentiation, LTP), które z kolei prowadzić może do mechanizmów ekspresji genów i tworzenia nowych białek. Są to zmiany morfologiczne, będące - w dosłownym tego słowa znaczeniu – materialnym podłożem pamięci.

Pamięć, którą „przechowujemy” w mózgu możemy sobie wyobrazić jak ogromne sieci połączonych ze sobą komórek nerwowych o różnym stopniu trwałości owych połączeń. Liczba potencjalnych sposobów, na jakie sieci te mogą być zbudowane jest nieograniczona i to ten fakt właśnie jest powodem, dla którego pamięć każdego człowieka zawiera całkowicie inną pulę engramów - jest inna i niepowtarzalna! Ciągle tworzą się nowe sieci i przebudowywane są te już istniejące. Co więcej – wraz z automatyzacją pewnych zjawisk – obszary pobudzenia przesuwają się z kory do ośrodków podkorowych. Dzieje się tak w wypadku zjawisk, za które odpowiedzialna jest głównie pamięć proceduralna i jest to powód automatyzacji pewnych czynności – nikt z nas nie zastanawia się w jaki sposób chodzi i nie potrzebuje w tym celu przypominania sobie tego, w jaki sposób robił to wczoraj.

Określone rodzaje pamięci w nieco inny sposób angażują określone struktury mózgu. Dla pamięci roboczej kluczową rolę pełni kora przedczołowa odpowiedzialna za funkcje wykonawcze mózgu. Strukturą mózgu, która nierozerwalnie kojarzy się z pamięcią jest hipokamp – niewielka, parzysta struktura umieszczona w płacie skroniowym. Jest on odpowiedzialny za tworzenie trwałych śladów pamięciowych w obrębie pamięci deklaratywnej, a więc „przenoszenie” informacji z pamięci krótkotrwałej do długotrwałej oraz za pamięć przestrzenną. Specjalizacja hipokampa sprawia, że odgrywa on centralną rolę w uczeniu się. Za pamięć proceduralną odpowiadają z kolei przede wszystkim jądra podstawy i ich połączenia z płatem czołowym.
 

Glutaminian i acetylocholina – neuroprzekaźniki pamięci

Komunikacja między komórkami nerwowymi tworzącymi sieci pamięci zachodzi przy udziale chemicznych sygnałów, za powstanie których odpowiedzialne są neurotransmitery. Glutaminian – podstawowy neuroprzekaźnik pobudzający w CUN ma fundamentalny wpływ na tworzenie się opisanego powyżej LTP. Działa za pośrednictwem jonowych receptorów NMDA, których pobudzenie rozpoczyna cały cykl przemian w komórce nerwowej i w efekcie – przy współudziale innych neuroprzekaźników aktywujących czynniki transkrypcyjne – prowadzi do nasilenia ekspresji genów. Największa ilość receptorów NMDA w mózgu występuje w hipokampie – są one niezbędne do tworzenia się śladów pamięciowych. Inaktywacja tych receptorów prowadzi z kolei do poważnych zaburzeń poznawczych.
Jądra podstawne przodomózgowia jako neuroprzekaźnika używają acetylocholiny. Ich projekcie biegną do różnych miejsc kory i układu limbicznego, w tym hipokampa. Wysoki poziom acetylocholiny w tych obszarach jest niezbędny do operacji wykonywanych przez pamięć roboczą i spada podczas snu ułatwiając tym samym rozprzestrzenianie się śladów pamięciowych poza hipokamp. Cholinergiczny charakter ma także jądro podstawne Meynerta – struktura kresomózgowia niezbędna dla integralności pamięci, jej uszkodzenie prowadzi do amnezji.

Rozwój wiedzy na temat neurobiologicznych podstaw pamięci i mechanizmów uczenia się jest jednym z głównych celów współczesnej nauki. Dzięki temu coraz bliższa staje się perspektywa korygowania dysfunkcji pamięci pojawiających się głównie u osób starszych, w przebiegu chorób neurodegeneracyjnych. Wielu naukowców uważa nawet, że dzięki współczesnym odkryciom możliwe stanie się inwazyjne ingerowanie w naturę ludzkiej pamięci, wytwarzanie fałszywych wspomnień, a nawet genetyczne przygotowanie osobników o niezwykłych zdolnościach intelektualnych. Kwestie te są przedmiotem burzliwych dyskusji głównie z powodów etycznych . Zanim jednak science fiction będzie miało szansę stać się rzeczywistością, nauka – miejmy nadzieję - rozwiąże jeszcze wiele zagadek funkcjonowania ludzkiego umysłu i pomoże w uleczeniu wielu poważnych schorzeń.

Łucja Kudła

Literatura:

  • Longstaff A., Neurobiologia. Krótkie wykłady. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2012
  • Vetulani J., Mózg – fascynacje, problemy, tajemnice. wyd. Homini, Kraków 2011

 

W naszym społeczeństwie niewiele mówi się o Zespole Kruchości - schorzeniu, które dotyka osoby w wieku geriatrycznym. Zazwycz... czytaj więcej
Czy moc generowana przez elektrownie jądrowe w USA jest przyczyną utonięć w basenie, a rosnąca liczna prawników w Portoryko -... czytaj więcej
Czym jest synestezja? Synestezja bywa często rozumiana jako proste „poplątanie” zmysłów lub mechanizmów odpowiedzialnych za p... czytaj więcej
Mózgowy zespół utraty soli (ang. cerebral salt-wasting syndrome, CSWS) to zaburzenie, którego istotą jest obniżenie poziomu s... czytaj więcej