GPS mózgu

Uczeni od dawna zadawali sobie pytanie – jak zwierzęta i ludzie odnajdują drogę? Odpowiedzi na nie udzieliła w końcu dwójka norweskich naukowców z niewielkiego uniwersytetu w Trondheim, a ich niezwykłe odkrycie podważyło wszystkie dotychczasowe teorie dotyczące zmysłu orientacji u ludzi i zwierząt.

Książka Unni Eikeseth jest opowieścią o zwieńczonych Nagrodą Nobla badaniach małżeństwa Edvarda i May-Britt Moserów, którzy wiele lat poświęcili na poszukiwania tzw. GPS-a mózgu, czyli umiejętności orientowania się w przestrzeni. Towarzyszymy im od początku studiów przez lata żmudnych eksperymentów aż po ceremonię przyznania najważniejszej nagrody naukowej na świecie. Fascynujące opisy przeprowadzanych doświadczeń pozwalają nam poznać i zrozumieć świat badań laboratoryjnych, a przystępnie przedstawione zagadnienia związane z funkcjonowaniem mózgu uświadamiają czytelnikom, jak złożonym jest on narządem.

Ta niezwykła historia to dowód na to, że kreatywność i pasja pozwalają pokonywać przeszkody, a bycie wybitnym naukowcem nie musi oznaczać rezygnacji ze zwyczajnego życia.

CZY WIESZ, ŻE:
Już Karol Darwin sformułował pytanie, czy w mózgu może się znajdować struktura wyspecjalizowana w orientacji przestrzennej?
Dopiero 130 lat później odpowiedzi na nie udzieliła para naukowców z małego norweskiego uniwersytetu.

„Świetna książka popularyzująca naukę. Unni potrafiła tchnąć w nią życie. Oprócz niezliczonych wywiadów z nami zgromadziła masę informacji i dotarła do ludzi z naszego otoczenia, którzy na co dzień raczej nie bywają dostępni”.
Edvard Moser, „Adresseavisen”

„Unni wykonała kawał doskonałej roboty, by zapoznać się z naszą pracą. Książka świetnie przedstawia codzienność w laboratorium”.
May-Britt Moser, „Adresseavisen”

„Nowa książka o May-Britt Moser i Edvardzie Moserze dowodzi, że jednym z filarów ich sukcesu była chęć rozmowy z innymi badaczami nawet o nieopublikowanych odkryciach, mimo wiążącego się z tym ryzyka”.
Svein Inge Meland, „Adresseavisen”

Unni Eikeseth (ur. 1974) – chemiczka z wykształcenia, dziennikarka naukowa i prezenterka w telewizji NRK. Autorka książek popularnonaukowych dla dzieci i dorosłych. Obecnie pracuje w Instytucie Kształcenia Nauczycieli na Uniwersytecie Techniczno-Przyrodniczym w Trondheim.

5. Pływające szczury

Pewnego dnia w 1988 roku Edvard i May-Britt Moser zapukali do drzwi gabinetu Pera Andersena.
 – Wszyscy darzyli go wielkim szacunkiem, my również. Musieliśmy zebrać się na odwagę, by wejść do jego gabinetu – czuliśmy, że to dla nas za wysokie progi. Byliśmy jednak zdesperowani. Cała nasza przyszłość zależała od tego, czy pozwoli nam pisać u siebie pracę dyplomową – opowiada badaczka.
Tak jak się obawiali, na początku rozmowy Andersen powiedział, że nie ma już miejsc w grupie badawczej. May-Britt postanowiła jednak, że nie pozwoli się wyprosić z gabinetu, dopóki nie usłyszy zgody.
Co za natręci, pomyślał sobie Per Andersen, chociaż bez niechęci. Po trzydziestu latach kierowania badaniami wiedział już, że najzdolniejsi studenci często bywają natrętni, bo są zdeterminowani i dążą do celu. Młodzi Moserowie najwyraźniej zaliczali się do tej kategorii. Zwrócił na nich uwagę już wcześniej i wiedział, że są zdolni i pracowici. Wyglądało na to, że nie poddadzą się tak łatwo, postanowił więc dać im szansę i jednocześnie sprawdzić, czy mają w sobie chociaż odrobinę ikry. Dlatego wręczył im artykuł Richarda Morrisa, opisujący tak zwany labirynt wodny, służący do badań pamięci przestrzennej u szczurów. Powiedział, że jeśli Moserowie chcą pisać u niego pracę dyplomową, muszą przeczytać artykuł, zrozumieć go i zbudować taki labirynt.
 – Fantastycznie! Chcielibyśmy jeszcze napisać u pana doktorat – wykrzyknęła May-Britt.
Po wyjściu ze spotkania byli rozradowani, a zarazem lekko przerażeni otrzymanym zadaniem. Potrzebowali zbiornika z wodą na dwa metry szerokiego i pół metra wysokiego, w którym dałoby się zanurzyć platformę z pleksiglasu. Andersen, będąc zapalonym żeglarzem, doradził im zbudowanie akwarium od zera z materiałów stosowanych w konstrukcji łodzi. May-Britt zadzwoniła jednak do swojego szwagra, pracującego w Veritas, i dowiedziała się, że pewna firma z Sunnmøre produkuje i sprzedaje gotowe zbiorniki w dużych rozmiarach.
Stworzyli własne laboratorium w ciasnym pomieszczeniu w piwnicy. Nie ukończyli jeszcze studiów psychologicznych, spędzali więc całe dnie na wykładach, a wieczory – na pracy nad swoim projektem. Zdobyty zbiornik mieścił 1250 lit­rów wody. Aby go napełnić, musieli przyczepiać długi wąż do kranu w toalecie znajdującej się na korytarzu. Wreszcie skorzystali z rady Andersena i kupili pompę stosowaną na łódkach do opróżniania ubikacji.
Na suficie nad zbiornikiem zainstalowali kamerę pozwalającą im przyglądać się szczurom, a zatrudniony w instytucie programista Bruce Piercey napisał program pozwalający na śledzenie ruchów zwierząt. Szczury doświadczalne nie powinny widzieć ani dna pojemnika, ani bezbarwnej platformy, dlatego Moserowie zabarwiali wodę mlekiem. Należało ją codziennie wymieniać, żeby mleko nie skwaśniało i nie zaczęło śmierdzieć. Poranne napełnianie zbiornika i opróżnianie go wieczorem zajmowało wiele godzin każdego dnia. Moserowie nie przejmowali się jednak takimi drobnostkami. Najważniejsze, że mieli własne laboratorium.
Na początku wykorzystywali do badań białe szczury – albinosy, które jednak trudno było obserwować w białej od mleka wodzie. Radzili sobie jakoś, malując szczurze łebki wodoodpornym tuszem do rzęs. Po jakimś czasie zaczęli pracować ze szczurami kapturowymi o ciemno ubarwionych główkach. Szczury kapturowe prościej było śledzić, miały też mocniejszy wzrok niż albinosy i łatwiej przychodziło im orientowanie się w basenie.
Moserowie pragnęli sprawdzić, czy możliwe jest zaobserwowanie procesów uczenia się w hipokampie szczurów. Struktura była jednak zbudowana ze zbyt wielu komórek, by dało się przypadkowo natrafić na ślady aktywności. Było to szukanie igły w stogu siana. Andersen zasugerował swoim studentom zawężenie obszaru poszukiwań przez usunięcie większości hipokampa i pozostawienie jedynie jego niewielkiej części. Edvard i May-Britt zgodzili się z nim, ale postanowili najpierw sprawdzić, czy zwierzęta w ogóle są w stanie czegokolwiek się nauczyć po uszkodzeniu hipokampu. Wówczas nie wiedziano jeszcze, czy w pamięć przestrzenną jest zaangażowana cała struktura, czy tylko niektóre jej części. Dlatego postawili sobie za cel zbadanie, jaki wpływ mają różne obszary hipokampa na pamięć przestrzenną.
Andersen nauczył Edvarda i May-Britt przeprowadzania operacji mózgu na szczurach. Młodym naukowcom pomagał też wieloletni partner badawczy Pera, Theodor Blackstad, światowej klasy ekspert w zakresie anatomii hipokampa. Wyjaśnił im, jakich „punktów orientacyjnych” należy szukać w tym obszarze mózgu i jak odgraniczyć hipokamp od otaczających go tkanek.
Per Andersen miał znajomych na całym świecie. Światowej sławy naukowcy, tacy jak noblista John Eccles albo Eric Kandel, często przyjeżdżali do Oslo. Na cześć gości wyprawiano zwykle wystawne przyjęcia, albo w letniej posiadłości Andersena w Hemsedal, albo w jego domu na Blommenholm w Bærum. Andersen i jego żona, Kari Sletten, zapraszali na kolacje tylu gości, ilu dało się pomieścić wokół stołu. Z reguły trzeba było być przynajmniej doktorantem, żeby uczestniczyć w takim spotkaniu. Gdyby wykładowca zapraszał też studentów piszących u niego prace dyplomowe, po prostu zabrakłoby miejsca dla wszystkich. Czasami robił jednak wyjątek dla May-Britt i Edvarda, którzy dzięki temu mieli okazję poznać wielu wybitnych badaczy.
Eksperymenty rozpoczęły się w styczniu 1989 roku. May-Britt i Edvard najpierw znieczulali szczura i kładli go na stole operacyjnym, upewniając się, że zwierzę przez cały czas pozostaje pod wpływem gazu anestezjologicznego. Następnie ostrożnie wywiercali otwór w czaszce i za pomocą ssaka usuwali fragmenty tkanki z hipokampów po obu stronach szczurzego mózgu. U niektórych zwierząt usuwali brzuszną część struktury, u innych – grzbietową. W badaniu brała też udział grupa kontrolna, w której albo usuwano fragmenty kory mózgowej, albo nie naruszano mózgu w ogóle, wywiercając jedynie otwory w czaszce. Grupa taka była konieczna, by Moserowie mieli pewność, że rzeczywiście badają skutki usunięcia hipokampa.
Po operacji szczury odpoczywały w klatkach przez mniej więcej tydzień, po czym rozpoczynały trening w basenie. Ich zadaniem było odnalezienie platformy z pleksiglasu, ukrytej kilka centymetrów pod powierzchnią wody i niewidocznej w mlecznej cieczy.
Każde zwierzę doświadczalne było ostrożnie opuszczane do wody z głową skierowaną w stronę krawędzi basenu. Niemal od razu zaczynało pływać dookoła, szukając miejsca, w którym mogłoby stanąć. Tak nakazywał mu wrodzony instynkt. Kiedy tylko szczur znalazł platformę, badacze pozwalali mu zostać na niej przez pół minuty, po czym wyjmowali go ze zbiornika. Gryzonie, które po dwóch minutach wciąż nie zdołały odnaleźć platformy, mogły liczyć na pomoc. Po krótkiej przerwie zwierzę było po raz drugi wkładane do letniej wody, tym razem w innym miejscu. Później odpoczywało przez cztery godziny i wracało do basenu na kolejną rundę badań.
Eksperyment trwał osiem dni. Szczury z grupy kontrolnej nauczyły się odnajdywać platformę w czasie krótszym niż 12 sekund. Zwierzęta pozbawione dolnej części hipokampa też nieźle radziły sobie w testach, w odróżnieniu od tych, którym usunięto górne fragmenty struktury. Tym szczurom dużo trudniej było znaleźć drogę. Wyniki testów zaskoczyły badaczy, dowodząc, że grzbietowa część hipokampa szczura jest ważniejsza od dolnej dla orientacji przestrzennej. May-Britt i Edvard nie potrafili jednak wyjaśnić, z jakiego powodu.
Kilka miesięcy po złożeniu pracy dyplomowej Moserowie zaprezentowali wyniki swoich badań na europejskiej konferencji neurofizjologicznej w Sztokholmie. Jedną z osób, która zatrzymała się przy ich plakacie, był Richard Morris, twórca używanego przez nich wodnego labiryntu. Morris pochwalił młodych badaczy za interesujące doświadczenie. On sam nie wpadł na pomysł usuwania różnych fragmentów hipokampa. Zwrócił im też jednak uwagę na ryzyko zniszczenia komórek nerwowych należących do innej części formacji, których wypustki przechodzą przez usuwany fragment. Dlatego zaprosił Moserów do Edynburga, gdzie mogliby się nauczyć nowej, mniej inwazyjnej metody minimalizującej to ryzyko. Edvarda i May-Britt ogarnęło podniecenie. Jeden z najbardziej poważanych ekspertów w ich dziedzinie zainteresował się ich pracą i zaprosił do swojego laboratorium!
Teraz byli gotowi dalej szukać śladów uczenia się w mózgu szczurów.