Skłonna jestem przypuszczać, że z czasem rozwiążemy wszystkie zagadki. Coraz więcej wiemy, różne rzeczy układają się w logiczne ciągi, różne luki się wypełniają. Pojawiają się nowe zagadki, ale idziemy naprzód.

Rozmowa z prof. Małgorzatą Kossut, neurobiologiem, laureatką konkursu FNP "Subsydia dla uczonych 2000"

Nauka z wąsów

Myślę, że wygrana w konkursie o Subsydium Profesorskie Fundacji na rzecz Nauki Polskiej skłania do powtórzenia pytania, jakie zapewne każdy uczony sobie stawia: czy moje badania są "w pierwszej linii", zwłaszcza gdy zajmuję się biologią, która cała stanowi pierwszą linię współczesnej nauki?

- Ograniczę to może do neurofizjologii i powiem, że zagadnienia uczenia się i pamięci, którymi się zajmuję, to dzisiaj niewątpliwie wiodąca tematyka.

- Proszę powiedzieć, jak się Pani w niej znalazła? Czy była to tradycja Instytutu Nenckiego?

- Właściwie tak. Zakład Neurofizjologii stworzył przed wojną prof. Jerzy Konorski, który od początku zajmuje się właśnie tą problematyką. Ze mną natomiast było inaczej. Wybierałam się na filologię orientalną, kiedy w ostatniej klasie liceum (im. Narcyzy Żmichowskiej w Warszawie) na lekcji historii doszliśmy do powstań śląskich. Nie mogłam przez nie przebrnąć. Nauczycielka kazała mi zostać po lekcjach i po prostu to wykuć. Ślęcząc nad powstaniami, znalazłam pod ławką ZMS-owskie pismo "Płomienie", a w nim artykuł z opisem doświadczenia, już klasycznego, polegającego na tym, że do ośrodka przyjemności w mózgu szczura wprowadza się elektrodę, a szczur w klatce, naciskając pedał, powoduje przepływ prądu i doznaje przyjemności. Może to robić aż do śmierci z wycieńczenia, gdyż przyjemność, jakiej doznaje, zastępuje mu wszystko. Zafascynowało mnie to i postanowiłam zostać neurofizjologiem, zupełnie nieoczekiwanie. Później, podczas studiów na Wydziale Biologii UW, przeczytałam inny artykuł o innych doświadczeniach szwedzkiego uczonego H. Hydena, który badał DNA i RNA w komórkach wyizolowanych z mózgu i stwierdził, że kwasy nukleinowe wykazują zmiany po uczeniu się. Wtedy pomyślałam, że chciałabym być neurochemikiem i zajmować się chemią pamięci.

- Wchodziła Pani na drogę naukową wtedy, gdy i neurofizjologia, i neurochemia były bardzo młodymi dziedzinami.

- Rzeczywiście. Dwadzieścia pięć lat temu były one właściwie w powijakach. Istniała wiedza behawioralna, o zachowaniu zwierząt podczas uczenia się, ale znajomość podłoża komórkowego, neuronalnego czy biochemicznego obserwowanych zjawisk była znikoma. Mózg był dla nas takim czarnym pudełkiem, do którego z jednej strony wprowadzane są jakieś bodźce, a z drugiej "wychodzi" jakieś zachowanie. Co się dzieje w środku, to była tajemnica. No i zaczęły się pojawiać pierwsze prace z zakresu elektrofizjologii - rejestrowano odpowiedzi poszczególnych neuronów na bodźce płynące podczas uczenia się, liczono, ile procent neuronów zostało pobudzonych w danym obszarze mózgu. Nie poszerzyło to właściwie wiedzy o zmianach chemicznych, jakie wtedy następują. Bardzo trudno było znaleźć miejsce, które można by uznać za ośrodek uczenia się, stwierdzić, że właśnie tutaj zachodzą największe zmiany podczas zapamiętywania. Przebieg bodźca poprzez komórki wówczas aktywowane jawił się ciągle niewyraźnie, był rozmyty. Postępowaliśmy jakby na ślepo i to było frustrujące. Ludzie zaczęli więc badać prostsze sprawy, np. plastyczność struktur mózgowych. Zamykali oczy kotom, małpom czy szczurom, po czym porównywali poziom różnych substancji: enzymów, neurotransmiterów, białek w ich mózgach i w mózgach zwierząt normalnie widzących. Wymyślono metodę "pierwszej ekspozycji na światło", która polega na tym, że zwierzęta hodowane od urodzenia w ciemności wystawia się nagle na dzienne światło i po paru godzinach sprawdza się, czy jakieś substancje w komórkach mózgowych są specyficznie związane z układem wzrokowym.

- Udało się znaleźć te substancje?

- Otóż nie. Obserwowane zmiany były maciupeńkie, niewyraźne, płynne. Frustracja, bardzo głęboka, trwała kilka lat, dopóki nie wymyślono lepszych modeli uczenia się. Pierwszy model dla kręgowców, to był tzw. imprinting kurcząt. Tuż po tym, jak się one wykluły, dostarczano im przez kilka godzin intensywnego bodźca wzrokowego lub słuchowego i kurczęta to zapamiętywały na długo. Konrad Lorentz dawno już opisał analogiczne doświadczenie z gąsiętami, które zobaczywszy swoją mamusię uczą się za nią chodzić i będą chodzić także za sztuczną mamusią, a nawet za dźwiękiem przypominającym jej głos. Innym dobrym modelem okazało się tzw. "uczenie jednopróbowe" polegające na tym, że w określonym momencie zwierzę się czegoś uczy, a my badamy jego mózg przedtem i potem, aby przekonać się, czy nastąpiły zmiany.

- Jakie bodźce się przy tym stosuje?

- Wiele ptaków ma wrodzony mechanizm uczenia się, żeby nie zjadać własnych odchodów. Kurczętom podaje się w karmie ziarna zanurzone w takiej paskudnej substancji i pomalowane na czerwono. Większość raz dziobnie i potem pamięta przez dobrych parę tygodni, żeby czerwonych ziaren nie ruszać. A ja co dzień chodzę do instytutowej stołówki i co dzień mówię sobie, że to ostatni raz... Zapamiętuję, ale nie uczę się rozsądnego zachowania. Uczestniczyłam w badaniach na tym modelu i zobaczyłam, które struktury mózgu są zaangażowane w procesie uczenia się "unikania paskudnego smaku".

- Czy to był istotny krok w głąb mózgu?

- Tak i szybko nastąpiły dalsze. W końcu lat 70. mój szef, prof. Bogusław Żernicki, wysłał mnie na stypendium post doc do Pensylvania University w Filadelfii, gdzie zaczęto wtedy stosować nową metodę całościowego mapowania aktywności funkcjonalnej mózgu. Polega ona na tym, że wprowadza się cząsteczkę bardzo podobną do cząsteczki glukozy, znaczoną radioaktywnie. Wiadomo, że metabolizm mózgu bardzo zależy od ilości dostarczanej mu glukozy. Cząsteczkę radioaktywną możemy dobrze obserwować i widzimy, że w tym miejscu był zwiększony metabolizm po takim np. jednopróbowym uczeniu się, o jakim mówiłam. Mapowanie tą metodą przyniosło dużą wiedzę o zmianach zachodzących w mózgu podczas uczenia się. Jednocześnie we Francji prowadzono badania na bezkręgowcach, a konkretnie na zającu morskim - takim ślimaku, który ma niewiele neuronów, ale są one duże. Można go dzielić na skrawki, w skrawku wywoływać trwałe połączenia międzyneuronalne i obserwować, jak się zachowują pod wpływem bodźców z zewnątrz.

- Czego ślimak się uczy?

- Na przykład tego, że dotknięcie nogi sygnalizuje nieprzyjemność i cofa nogę już po pogłaskaniu. Badania te także wiele wniosły. Trzecią rzeczą, która neurochemii otworzyła drogę uczenia się, było wynalezienie "skrawka hipokampalnego", czyli preparatu sporządzonego ze struktury tzw. starej kory (hipokamp) istotnej w procesie zapamiętywania. W latach 70. badacze norwescy wyizolowali taki skrawek z żywego zwierzęcia i obserwowali, jak wysłany bodziec przechodzi w nim przez kolejne obwody neuronalne. Udało się coś więcej: wywołano w takim skrawku zjawisko długotrwałego wzmocnienia połączeń neuronalnych, które jest najprostszym modelem uczenia się. Przy uczeniu dochodzi właśnie do wzmocnienia owych połączeń. Gdy już mieliśmy taki model - prosty i łatwy do stosowania - badania bardzo szybko poszły naprzód. Teraz staramy się "przełożyć" zgromadzoną wiedzę z układu modelowego, jakim jest skrawek hipokampu stanowiący niejako metaforę zjawisk oraz procesów, na żywe zwierzę. Badania na zwierzętach są, naturalnie, o wiele trudniejsze. Od trzech lat borykamy się w naszym laboratorium z pewnym białkiem, które na podstawie badań modelowych podejrzewamy o ważne funkcje w procesie uczenia się.

- Jakich zwierząt się używa?

- Używamy głównie myszy i szczurów.

- Mówiła Pani o swojej pracy w Filadelfii. Czy nasze badania są na porównywalnym poziomie?

- Uważam, że tak. Wróciłam ze Stanów w 1979 roku, kiedy w Polsce zaczynał się kryzys. Dzięki pomocy kolegów z Zachodu udało nam się nie zostać daleko w tyle, ale byliśmy wtedy skazani na badania metodycznie prostsze, choć koncepcyjnie bywały one wyrafinowane. Tylko my wiemy, ile trudu to kosztowało.

- Subsydium FNP dostała Pani za badania nad interneuronami hamującymi kory mózgowej i, jak się domyślam, za kontynuowanie poznawania ich roli w procesach uczenia się?

- Tak jest. W pewnym momencie zaczęłam pracować nad układem somatosensorycznym, czyli tym, co rządzi - w mózgu - uczuciem dotyku. U szczurów i myszy (u tygrysów także) uczucie dotyku, związane z wąsami na pyszczku, odgrywa bardzo ważną rolę, a jeśli jakiś organ zmysłowy jest dla życia ważny, to jego reprezentacja w mózgu jest duża. Reprezentacja wąsów stanowi u szczurów i myszy połowę całej reprezentacji zmysłu dotyku. W dodatku badacze mają szczególny, jak mówię, prezent od natury w postaci takiego układu komórek nerwowych, który łatwo badać. Na prostym preparacie histologicznym widać wyraźnie, że gdy ruszamy określonym wąsem, to w określonym miejscu mózgu coś się dzieje. Okazało się, że u myszy, które uczą się, że głaskanie wąsów sygnalizuje przyjemne bądź nieprzyjemne uczucie, rośnie w komórkach nerwowych poziom substancji zwanej neurotransmiterem hamującym. Inaczej mówiąc, neurony odpowiadające wąsom stają się bardziej aktywne, co sprawia, że zmienia się mapa powierzchni ciała w korze mózgowej.

- Czy to są właśnie owe interneurony hamujące?

- Tak je nazywamy, wyobrażając sobie, że one hamują aktywność innych interneuronów odpowiadających innym organom zmysłowym, dzięki czemu szerzej się rozprzestrzenia sygnał idący z wąsów - niejako ich własna aktywność.

- Rozumiem, że te inne mogą się zachowywać podobnie, mogą także hamować?

- Tak jest i normalnie panuje równowaga pobudzenia oraz hamowania. Jej zakłócenie może wywołać np. objawy epileptyczne. Podejrzewamy, że interneurony mogą także czasami hamować same siebie, co ma znaczenie dla owej równowagi, a ta, być może, jest podłożem pewnych zjawisk z zakresu uczenia się. Chciałabym się tym zająć.

- Właściwości interneuronów, o jakich Pani mówi, służą najogólniej temu, żeby bodziec został dobrze odebrany?

- Żeby miał większą siłę, żeby wyróżniał się z tła. Proszę pamiętać, że w całym obszarze mózgu te zjawiska dzieją się jednocześnie, bo z otoczenia dochodzi jednocześnie mnóstwo bodźców.

- Czy metody, o których Pani wspominała, pozwalają to wszystko badać?

- Przełom, jaki nastąpił w drugiej połowie lat 70., rozwój biologii molekularnej przyniósł fantastyczne możliwości.

- Czy poznanie wszystkiego tymi wspaniałymi metodami jest kwestią czasu?

- Skłonna jestem przypuszczać, że z czasem rozwiążemy wszystkie zagadki. Coraz więcej jednak wiemy, różne rzeczy układają się w logiczne ciągi, różne luki się wypełniają. Pojawiają się nowe zagadki, ale idziemy naprzód. Są jednak ludzie przekonani, że komplikacja takiego systemu, jak układ nerwowy człowieka, sfera psychiki, świadomość, percepcja, pamięć, jest nie do przeniknięcia dla człowieka.

- Co skupia dzisiaj najwięcej uwagi i budzi największe nadzieje na tym obszarze zagadnień?

- Komórki macierzyste. Od paru lat wiemy, że w dojrzałym już układzie nerwowym może przybywać neuronów. Przez poprzednich sto lat myśleliśmy, że jest wręcz przeciwnie, że powstałe w mózgu "dziury" nie dają się załatać. Skoro neuronów przybywa, to chciałoby się, żeby to następowało tam, gdzie ich potrzeba, np. w miejscu udaru czy degeneracji wywołanej schorzeniem. Wiadomo, że komórki macierzyste, czyli takie komórki embrionalne, które mogą "zostać wszystkim", udaje się "namówić", żeby przekształciły się w neurony, pod wpływem odpowiedniego pobudzenia. Pracuje nad tym wiele laboratoriów i wiele firm biotechnologicznych.

- Na koniec spytam, na co przeznaczy Pani subsydium?

- Gros środków pójdzie na odczynniki, które są nieprawdopodobnie drogie. Chciałabym kupić specjalny mikroskop do obserwowania połączeń neuronalnych w odpowiednio zabarwionej komórce. Planuję badania wspólne z docentem Grzegorzem Hessem z UJ - na skrawkach kory mózgowej zwierząt, które się czegoś nauczyły za pomocą wąsów - żeby zobaczyć zjawiska bioelektryczne z tym związane, dalej przekształcenia biochemiczne, wreszcie zmiany anatomiczne.

- Wszystko to razem jest przedmiotem neurofizjologii?

- Używamy na ogół angielskiego określenia neuroscience. Pracujemy zwykle w dużych zespołach. Myślenie koncepcyjne jest wspólne, ale potem, kiedy się koncepcje weryfikuje w doświadczeniu, z pomocą ogromnej liczby skomplikowanych metod, robią to specjaliści z zakresu neurofizjologii, neurochemii, elektrofizjologii, biologii molekularnej itd., często pracujący w różnych ośrodkach na świecie. Czasami zdarzają się prace oparte na zupełnie prostym pomyśle, jak w przypadku grupy badaczy francuskich, których jedynym narzędziem był... metronom. Ich eksperyment wyglądał mniej więcej tak: wyobrażamy sobie np. przebieranie palcami po stole, a potem robimy to rzeczywiście w takt metronomu. Okazuje się, że nie jesteśmy w stanie wykonywać ruchów szybciej niż to sobie wyobrażamy. Upraszczając, można powiedzieć, że nasza percepcja jest szybka, ale nasza świadomość jest znacznie wolniejsza.
- Proszę na koniec wymienić pytania, na które chciałaby Pani odpowiedzieć albo poznać odpowiedzi innych.
- Ciągle nie znamy lokalizacji tzw. śladu pamięciowego w mózgu. Wiemy, że jest on rozproszony, ale jak bardzo? Ostatnio powstało parę prac wskazujących, że ślad pamięciowy jest labilny, że za każdym razem, kiedy sobie coś przypominamy, cała ta kaskada zjawisk biochemicznych, które zachodziły przy zapamiętywaniu, zaczyna się od początku i wtedy pewnie łatwo można modyfikować ślad pamięciowy. Może tu jest źródło rozmaitych zakłamań? Jeśli o mnie mowa, chciałabym zrobić, razem z kolegami z Oxfordu, pierwszy zapis optyczny z mózgu uczącej się myszy. Polega on na tym, że obserwuje się, jak zmiany aktywności neuronalnej w różnych miejscach kory mózgowej modyfikują odbicie światła laserowego. Robi się to na żywym zwierzęciu, obserwując mózg poprzez kość, która - pod wpływem specjalnej substancji - staje się przezroczysta. Chciałabym w ten sposób zobaczyć, jak zachowują się określone miejsca w mózgu podczas uczenia się, co się dzieje, gdy zwierzę odbiera bodziec przyjemny, a co - gdy nieprzyjemny, jak zmienia się mózg pod wpływem środków farmakologicznych itd.

Rozmawiała Magdalena Bajer

Prof. Małgorzata Kossut jest neurobiologiem. Zajmuje się neuronalnymi mechanizmami zjawisk plastycznych w mózgu, przede wszystkim neuronalnymi i molekularnymi mechanizmami uczenia się i pamięci. Doktorat zrobiła w 1976 roku, habilitację w 1988, profesorem została w 1994. Kieruje Pracownią Plastyczności Kory Mózgowej w Instytucie Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN w Warszawie. Pracuje w Europejskim Stowarzyszeniu na rzecz Krzewienia Wiedzy o Mózgu DANA. Jest laureatką konkursu FNP SUBSYDIA dla UCZONYCH 2000.

Uwagi.