Ucz się Jasiu – neurobiologia uczenia się

Jak pewnie pamiętasz z dwóch poprzednich artykułów, tłumacząc tajniki działania mózgu porównuję go do miasta. Jak pewnie również pamiętasz, na poziomie komórkowym mózg budują neurony, które tworzą ze sobą połączenia (synapsy). Tym razem zajmiemy się właśnie synapsami. W naszym mózgu-mieście odpowiednikiem synapsy będzie po prostu spotkanie dwojga ludzi, dajmy na to przedstawiciela handlowego z klientem. Otóż ów przedstawiciel firmy Presynapto (neuron presynaptyczny) chce przekazać swojemu klientowi policjantowi starszemu post. Synapsie (neuron postsynaptyczny) informację handlową dotycząca nowego produktu firmy. Dodajmy, że ten przedstawiciel pracuje w oddziale, który jest europejskim odgałęzieniem japońskiej firmy (akson neuronu). Dostaje on polecenie od szefa (pobudzenie neuronu presynaptycznego). Następnie przedstawia klientowi różne ulotki, broszury, gazetki reklamowe produktu (wyrzuca neuroprzekaźnik do szczeliny synaptycznej). Klient czyta te materiały reklamowe (neuroprzekaźnik przyłącza się do receptorów na błonie postsynaptycznej) i albo jest przekonany co do wartości produktu (otwierają się kanały sodowe i zachodzi depolaryzacja – w skrócie informacja idzie dalej) i kupuje towar, albo nie daje się przekonać (otwierają się kanały potasowe i zachodzi hiperpolaryzacja – informacja zostaje zatrzymana). Niezależnie od efektu przedstawiciel zabiera z powrotem ulotki (transport zwrotny neuroprzekaźnika do neuronu presynaptycznego).

A teraz do opisanego wyżej obrazu dołóżmy pewien z pozoru nieznaczący szczegół. Co jeśli w momencie oglądania ulotek reklamowych przez sceptycznie nastawionego klienta zadzwoni do niego żona i pochwali reklamowany przez przedstawiciela produkt? Będzie to sytuacja wzmocnienia efektu reklamy i prawdopodobnie nasz klient kupi dany produkt. Będzie to także prosta ilustracja bardzo ważnego dla procesu uczenia się zjawiska nazywanego długotrwałym wzmocnieniem synaptycznym (Long-Term Potentiation – LTP). Żeby dokładniej je wytłumaczyć, spójrzmy raz jeszcze na sytuację reklamowania produktu, tym razem już konkretnego – prawdziwego kwasu chlebowego, prosto z Łotwy (neuroprzekaźnik kwas glutaminowy). Przedstawiciel zachwala kwas chlebowy. Pan Marek, klient, myśli sobie dwojako (ma dwa typy receptorów na błonie postsynaptycznej). Z jednej strony: „A Może, faktycznie PAnie przedstawicielu, chętnie bym sobie ten kwas chlebowy kupił” (receptory AMPA, które po przyłączeniu się do nich kwasu glutaminowego przekazują informację dalej). Z drugiej zaś strony myśli sobie: „Nie kupię, bo Mam Definitywnie Absolutnie za niski magnez i ten kwas mi go wypłuka, nie mogę się pozbyć magnezu” (receptory NMDA, które są blokowane przez jon Mg2+ przed aktywacją). W tym momencie tylko dwa scenariusze mogą sprawić, że pan Marek w końcu kupi kwas chlebowy. Albo przedstawiciel zacznie ze zdwojoną siłą opowiadać o korzyściach produktu (neuron presynaptyczny zwiększa częstotliwość stymulacji), albo do pana Marka zadzwoni żona i przekona go żeby się tak nie przejmował tym magnezem (zajdzie depolaryzacja pochodząca od innego neuronu, która usunie magnez blokujący receptory NMDA). Odblokowanie receptorów NMDA spowoduje depolaryzację i pojawianie się coraz to nowych receptorów AMPA na błonie postsynaptycznej, przedstawicielowi będzie coraz łatwiej pana Marka przekonać, aż w końcu zakupi on kwas chlebowy i co więcej, będzie od teraz kupował go regularnie (synapsa ulegnie wzmocnieniu i utrwaleniu).…”aby zaszedł proces uczenia, muszą zostać zbudowane i utrwalone synapsy”…

Ryc. 1 Uproszczony schemat LTP. Glutamate – kwas glutaminowy, Magnesium – magnez, AMPA receptor – receptor selektywnie aktywowany przez kwas α-amino-3-hydroksy-5-metylo-4-izoksazolopropionowy, NMDA receptor – receptor aktywowany przez kwas Nmetylo-Dasparaginowy. Kwas glutaminowy ulega egzocytozie (wyrzuceniu) do szczeliny synaptycznej i przyłącza się do receptorów AMPA i NMDA. Aktywacja receptora NMDA możliwa jest tylko po usunięciu blokującego ją jonu magnezu, co zachodzi podczas depolaryzacji błony poststynaptycznej.

Wyciągnijmy teraz, Czytelniku, wnioski z tego opisu. Widzisz, że aby zaszedł proces uczenia, muszą zostać zbudowane i utrwalone synapsy. W jaki sposób się to dokonuje? Albo poprzez powtarzającą się stymulację tej samej synapsy (namawianie przedstawiciela handlowego do kupna produktu) albo poprzez depolaryzację pochodzącą od innego neuronu (telefon od żony). Mechanizm utrwalania synapsy może więc zachodzić albo poprzez proces wielokrotnego powtarzania danego bodźca (powtarzalna stymulacja neuronu presynaptycznego), albo poprzez wykształcenie skojarzenia z danym bodźcem (depolaryzacja od innego neuronu). Być może właśnie ten drugi mechanizm odpowiedzialny jest za ułatwione uczenie się poprzez wykorzystywanie różnych mnemotechnik, historyjek, dziwnych skojarzeń i pomocy naukowych angażujących różne zmysły. Dzieje się to zgodnie z zasadą: „neurons that fire together, wire together” – „neurony, które wspólnie ulegają aktywacji, łączą się w synapsy”. Czyli jeśli próbując zapamiętać trudny wyraz w języku obcym skojarzysz go z czymś (np. drzewem w parku), najlepiej ubierając to skojarzenie w ramy zmyślnej historyjki – łatwiej to słowo zapamiętasz. Co więcej, efektywność uczenia poprawia aktywowacja jak największej liczby różnych zmysłów oraz emocji – sprawdź sam! …”W jaki sposób się to dokonuje? Albo poprzez powtarzającą się stymulację tej samej synapsy (namawianie przedstawiciela handlowego do kupna produktu) albo poprzez depolaryzację pochodzącą od innego neuronu (telefon od żony)”.

Na koniec warto przytoczyć jeszcze pewien znany eksperyment związany z LTP. Pewien profesor, Richard Morris, w 1968 roku zaprojektował niewielki (2,1m średnicy, 0,5m głębokości) zbiornik wody. Został on później nazwany wodnym labiryntem (water maze), a eksperyment przeprowadzony przez pana Morrisona: „Morrison water maze task”. Nie byłoby w tym nic niezwykłego gdyby nie fakt, że pod taflą wody ukryta była 10-centymetrowa platforma. Eksperyment polegał na wpuszczeniu do tego głębokiego zbiornika myszy, która nie miała możliwości się z niego wydostać. Jedynym ratunkiem dla niej była owa podwodna platforma. Okazało się, że zwierzęta te świetnie się uczą. Potrafiły już po kilku próbach w wodzie z powodzeniem odnajdywać platformę. Jednak gdy pan Morris wstrzyknął im substancję blokującą zjawisko LTP (AP5, substancja blokująca kanał NMDA), myszy nie potrafiły odnaleźć platformy! Nie potrafiły uczyć się orientacji w przestrzeni. Wytłumaczenie tego faktu było jednym z pierwszych dowodów na istnienie mechanizmu LTP w mózgu, a konkretnie w hipokampie (por. artykuł „Uwaga! Emocje!”). W strukturze tej, odpowiedzialnej za orientację w przestrzeni, neurony „uczą się” wykorzystując właśnie opisany wcześniej mechanizm LTP. Jeśli zablokujemy kluczowe dla tego mechanizmu kanały NMDA (No Mam Definitywnie Absolutnie za niski magnez) to uniemożliwimy budowanie synaps w hipokampie. Skutkować to będzie tym, że myszy nie nauczą się odnajdywania platformy i utoną.

Podsumowując, nauczyliśmy się z tego artykułu dwóch rzeczy. Tworzenie synaps to podstawowy sposób na uczenie się ludzkiego mózgu. LTP (Long-Term Potentiation) to podstawowy sposób na tworzenie synaps. Mechanizm ten zachodzi szczególnie łatwo, gdy jednej synapsie pomogą inne neurony – czyli gdy kojarzymy, używamy różnych zmysłów i mnemotechnicznych „trików”. Wniosek: wykorzystujmy cały potencjał naszego mózgu. Szkoda tego nie robić wiedząc że ma się 1011 neuronów, które tworzą 1000 razy tyle synaps.

Literatura:

1. Morris RGM. Synaptic Plasticity and Learning: Selective Impairment of Learning in Rats  and Blockade of Long-Term Potentiation in viva by the IV-Methyl-D-Aspartate Receptor Antagonist AP5. The Journal of Neuroscience, September 1989, g(9): 3040-3057 http://www.jneurosci.org/content/9/9/3040.long

Tekst w kategorii: Aktualności.