Atsakymai į šiuos egzistencinius klausimus patenkins ne tik mūsų smalsulį, bet turės ir labai svarbią praktinę pusę: juk tik supratę kaip veikia atmintis ir sąmonė sugebėsime padėti tiems, kuriems šios funkcijos sutrinka (pvz., Alzheimerio ligos atveju).
Neuromoksle (kitaip – neurobiologija, angl. neuroscience) šis klausimas kartais formuluojamas taip: kaip veikia centrinė nervų sistema ir ypač galvos smegenys? Nors galutinis tikslas taip pat yra proto pažinimas, šio mokslo tyrimo objektas yra toks sudėtingas, jog pirmiausia būtina atsakyti į daug paprastesnius klausimus. Pvz.: kaip žinduoliai suvokia juos supančią erdvę? kaip smegenyse generuojama ir saugoma informacija apie gyvūnų ir žmonių padėtį juos supančių objektų atžvilgiu? Šių metų rugpjūčio 17 d. prestižiniame mokslo žurnale „Science“ pasirodė jaunos mokslininkės iš Lietuvos, Londono Universitetinio Koledžo (University College London, UCL) doktorantės Julijos Krupič straipsnis (angliškas straipsnio pavadinimas „Neural representations of location composed of spatially periodic bands”), parašytas kartu su jos moksliniais vadovais, prof. Johnu O‘Keefe'u ir prof. Neilu Burgessu, kuriame buvo paskelbti svarbūs rezultatai, padėsiantys atsakyti į šiuos iškeltus klausimus. Paprašiau Julijos, kurią, prisipažinsiu, jau seniai pažįstu, su ja susitikti ir detaliau papasakoti Lietuvos skaitytojams apie savo tyrimų rezultatus. Bet prieš detaliau juos pristatant – nedidelė įžanga į vieną specifinę neuromokslo sritį, tyrinėjančią tam tikrų smegenų dalių funkcijas.
Didelis postūmis atminties formavimosi smegenyse supratimui buvo vieno amerikiečio paciento Henry Molaison (žinomo kaip HM) atvejis. HM sirgo sunkia epilepsijos forma. Gydytojai nustatę, kad epilepsiniai židiniai yra susiformavę smilkininėje galvos smegenų skiltyje, pašalino dalį nervinio audinio. Operacijos metu HM neteko keletos svarbių smegenų dalių, tarp jų ir vadinamųjų hipokampo ir aukščiau jo esančios galvos smegenų smilkininės skilties vidinės žievės (angl. entorhinal cortex). Operacija buvo tik iš dalies sėkminga: pacientas nebepatyrė sunkių ligos priepuolių, bet buvo paveiktos kitos proto funkcijos. Nors HM galėjo mąstyti ir prisiminti įvykius iš praeities, beveik visiškai pranyko jo sugebėjimas įsiminti bet kokią naują informaciją, net trumpiausiai akimirkai. Piršosi išvada, kad smilkininės skilties vidinė žievė ir giliau esantis hipokampas dalyvauja apdorojant ir išsaugant su aplinka susijusią informaciją. Šis atvejis, be abejo, sukėlė labai didelį biologų ir medikų susidomėjimą. Tai buvo 1953-ieji.
Didelis proveržis šių smegenų dalių funkcijų iššifravimui buvo UCL mokslininkų J. O‘Keefe'o (būsimo J. Krupič vadovo) ir J. Dostrovskio 1971-ųjų darbas, kuriame jiedu atrado, jog informacija apie aplinkos geometriją yra užkoduota tam tikrose hipokampo ląstelėse. Šiedu mokslininkai tyrinėjo žiurkes (didžioji dalis neuromokslo eksperimentų atliekami su žiurkėmis ir pelėmis, bet manoma, kad dauguma išvadų galioja visiems žinduoliams, taip pat ir žmonėms) ir pastebėjo, jog kai kurie neuronai tampa elektriškai aktyvūs („iššauna“, kalbant moksliniu žargonu) tik kai gyvūnas yra tam tikroje apibrėžtoje kambario (ar eksperimentinės patalpos) dalyje. Šių ląstelių yra ne viena, ir tokiu būdu kiekvienoje kambario vietoje „iššauna“ vis skirtinga neuronų grupė. Šios ląstelės buvo pavadintos „vietos neuronais“ (angl. place cells). Nors atradimas iš pradžių buvo sutiktas su skepsiu (kaip daugelis svarbių mokslo atradimų), dabar jau nebeabejojama, kad vietos neuronai yra itin svarbūs formuojant mus supančios aplinkos žemėlapį smegenyse.
Kitas lūžis šioje srityje įvyko praėjus daugiau nei trims dešimtmečiams, 2005-aisiais. norvegų mokslininkų grupė, vadovaujama sutuoktinių E. Moserio ir M. B. Moser, smilkininės galvos smegenų skilties vidinėje žievėje atrado neuronus, kurie, nors iš pradžių pasirodė esantys labai panašūs į vietos neuronus, funkcionavo kiek kitaip. Jie aktyvuodavosi ne judančiam gyvūnui atsidūrus tam tikroje konkrečioje patalpos dalyje, bet keliose vietose, kurios kartu paėmus sudarė tvarkingą trikampę gardelę. Moksliniu žargonu – bet gana vaizdžiai – galėtume pasakyti, kad gyvūnui judant aplinkoje šie neuronai „nupaišo“ gražų, periodišką raštą (kompiuterio ekrane taip iš tikro ir yra!). Ši funkcija išlikdavo net tamsoje, kai gyvūnas negalėdavo matyti supančių daiktų. Taigi šie neuronai, pavadinti gardelės neuronais (lietuviškas norminis terminas dar nenusistovėjęs, angl. grid cells), padeda ne tik koduoti informaciją apie aplinkos geometriją, bet taip pat dalyvauja nors ir gana paprasto, bet užtat abstraktaus mąstymo procese.
Į aplinką reaguojančių neuronų buvo atrasta ir daugiau. Vieni iš jų tampa elektriškai aktyvūs gyvūno galvai pakrypus į vieną ar kitą pusę, priėjus patalpos kraštą, ir t.t., ir pan. Vadinasi, elektriniai signalai iš juslinių organų (uoslės, klausos, regos), o taip pat raumenų judesio generuojami impulsai apdorojami taip, jog tam tikru metu „iššauna“ didelė grupė neuronų hipokampe ir smilkininės skilties vidinėje žievėje (o taip pat, žinoma, ir kitose smegenų dalyse), todėl tai leidžia gyvūnams ir žmonėms sąmoningai ar nesąmoningai suprasti savo padėtį erdvėje. Bet kaip tai vyksta? Kaip signalai generuojami ir apdorojami? Klausimo netrivialumas tampa aiškus pasitelkus analogiją iš kompiuterių pasaulio. Įsivaizduokime, kad vienu metu galime tirti tik kelių puslaidininkinių procesorių ar iš jų sudarytų loginio grandyno elementų fizikinį būvį – įtampą ir srovę. Jei tik tiek tegalime, neturime jokių šansų suprasti, nei iš kur signalai atėjo, nei kaip jie atsirado – ar jų atsiradimą lėmė klaviatūros mygtuko paspaudimas, ar operacinės sistemos veikimas be jokios išorinių įrenginių pagalbos, ar tuo metu vykdoma programa, ar neplanuota programišių ataka, ar kas kita. Mažiausia, ką galime padaryti – tai ištirti šalia esančius grandyno elementus, ir tokiu būdu bent lokaliai atrasti priežastinį ryšį tarp įvairių signalų.
Populiariai pasakojant, būtent toks buvo UCL doktorantės J. Krupič ketverių metų darbo tikslas: ištirti elektrinį giminingų neuronų aktyvumą žiurkėse ir bandyti užčiuopti priežastinius ryšius tarp signalų formavimosi reaguojant į aplinkos pokyčius. Po kruopštaus ir atkaklaus darbo (elektrodų implantavimo į smegenis, fizikinių matavimo metodų įsisavinimo ir pritaikymo, pačių eksperimentų su gyvūnais, o taip pat duomenų kaupimo bei jų naujoviško apdorojimo) Julija atrado neuronų klasę, kurie nebuvo gardelės neuronai pagal įsigalėjusį apibrėžimą, bet pasižymėjo tik kai kuriomis jų savybėmis. Naudodami tą pačią vaizdžią analogiją pasakytume, kad gyvūnui judant patalpoje šie neuronai „išpaišo“ ne tvarkingą trikampę gardelę, o visą rinkinį skirtingų geometrinių raštų, kurie yra trikampės gardelės sudedamosios dalys (skaitytojai, turintys matematikos žinių, čia atpažins Furjė komponentės sąvoką).
Be to, šių neuronų savybės yra kiek mažiau pastovios, nei gardelės neuronų, mat atliekant eksperimentą su tuo pačiu gyvūnu po kelių valandų ar dienų „nupaišomi“ raštai pasikeisdavo dažniau, nei gardelės neuronų. Julijos rezultatai puikiai atitiko kai kurias teorines hipotezes apie į aplinkos geometriją reaguojančių neuronų tarpusavio sąveikas. Tos teorijos, pasiūlytos prof. O‘Keefe'o ir prof. N. Burgesso, postulavo, kad tokių neuronų išvadas (pagal mūsų jau naudotą paralelę su loginiais elementais kompiuteryje) yra gardelės neuronų įvadas. Tokiu būdu būtų galima apibendrinti, kad J. Krupič eksperimentai padėjo užčiuopti elektrinių signalų transformaciją ir hierarchiją nors ir nedidelėje, bet labai svarbioje žinduolių loginio grandyno dalyje. Žinoma, ateityje laukia dar daug įdomių atradimų šioje aktyviai besivystančioje mokslo srityje. Nes turbūt galima drąsiai teigti, kad XXI amžiuje neurobiologija jau yra ir tikrai liks viena iš kertinių gamtos mokslo sričių.
Paklausinėjau Julijos, entuziastingos ir uždegančios mokslininkės, ginsiančios daktaro disertaciją 2012-ųjų lapkričio mėnesį, apie kitus svarbius dalykus, tiesiogiai susijusius ar esančius truputį tolėliau nuo jos mokslinių tyrimų.
- Julija, baigei bakalauro studijas VU Fizikos fakultete 2006-aisias, bet magistrantūros studijoms ir doktorantūros moksliniam darbui pasirinkai neuromokslus Londone. Ar fizikės išsilavinimas padėjo Tavo moksliniame darbe? Galbūt net įžvelgti tai, ko kitas nebūtų įžvelgęs?
- Susidariau įspūdį, kad visus ketverius metus buvai labai nepriklausoma. Pati atradai konkrečią tyrimų temą, išmokai atlikti chirurgines operacijas su gyvūnais, iškėlei naujų idėjų ir pati jas įgyvendinai, žodžiu, turėjai labai stiprią motyvaciją. Kaip suformuluotum savo pagrindinį ilgalaikį mokslinį tikslą?
- Man labiausiai patinka fundamentiniai mokslai. Trumpai pasakius, noriu suprasti ir aprašyti, kaip veikia smegenys. Ypač mane domina atmintis ir kognicija (arba, kitaip tariant, savęs suvokimas viso kito atžvilgiu). Kaip būtent tai vyksta, koks yra šio proceso matematinis algoritmas? Manau, jog kai žmonės tai supras, pasekmės bus rimtesnės nei, tarkim, atominės bombos sukūrimas ar net religijos atsiradimas civilizacijoje.
- Nors buvai gana nepriklausoma, bet taip pat sakei, kad vienas iš tavo mokslinių vadovų, prof. Johnas O‘Keefe'as, kurio laboratorijoje ir dirbi, yra tau didžiausias autoritetas. Ko iš jo išmokai? Ir koks, Tavo manymu, yra mokytojo vaidmuo mokslininko kelionėje?
- Manau, mokytojo vaidmuo yra milžiniškas. Ir svarbiausia, mokytojas yra ne tas, kuris pasakys tau ką daryt ir kaip daryt, bet tas, kuris tau leis atskleisti savo maksimalų potencialą. John'as man visad sakydavo: „aš dar niekada nieko nesustabdžiau nuo eksperimento“. Patikėkit, ne kiekvieną pirmametį studentą žavi toks požiūris – labai jau sunku kapstytis pačiam. Jis man leido klysti, o tai yra labai svarbu. Be to, man jis yra pats įdomiausias mokslininkas pasaulyje, ir jo pasakojimai labai įkvepia, net tuomet, kai eksperimentai nesiseka.
- Minėjai, jog pasakyti, kad Tau mokslas patinka yra gerokai per maža. Tu juo gyveni. Neuromokslas turbūt yra Tavo mėgstamiausias sritis, bet kokios kitos mokslo sritys Tave domina? Jei nebūtum neurobiologė, kas būtum?
- Užsiimčiau genetine inžinerija ir kamieninėmis ląstelėmis – kurčiau dirbtinę gyvybę kaip Frankenšteinas! Dar, manau, man labai patiktų robotika ir dirbtinis intelektas.
- Kokie Tavo planai po doktorantūros?
- Toliau tęsiu savo darbus hipokampo srity. Mes baigiame įdiegti naują optinę įrangą. Jos pagalba galėsime ne tik registruoti neuronų elektrinį atsaką, t.y. jų „klausyti“, bet ir juos gana tiesiogiai „matyti“.
- Esi nuoširdi Lietuvos patriotė. Kaip norėtum ir galėtum prisidėti prie neuromokslo plėtros mūsų šalyje?
- Labai norėčiau prisidėt. Visų pirma, labai norėčiau, kad jauni būsimi mokslininkai pabandytų pastudijuot užsienyje – manau, tai jiems padarytų didžiulę įtaką ir jie daug išmoktų. Neurobiologijos srityje geriausios šalys yra Didžioji Britanija, Vokietija, Šveicarija ir JAV. Stipendijas Anglijoje įmanoma gauti per įvairias programas ir konkursus (nuorodas galima surasti internete). Jos leistų išbandyti kelias laboratorijas. Manau, jei atsirastų vis daugiau jaunų Lietuvos neuromokslininkų, padidėtų tikimybė, kad pakankamai didelis jų skaičius grįžtų į Lietuvą (nes būtų lengviau, nei grįžt po vieną). Be abejo, tai irgi priklauso nuo Lietuvos mokslinių institucijų, sukuriančių palankias sąlygas žmonėms sugrįžti.
Dar ateity norėčiau užmegzt kontaktus su Lietuvos neuromokslinkais ir bendradarbiauti su jais. Galbūt, net galėtume suorganizuoti studentų stažuotes tarp Anglijos ir Lietuvos.
- Labai ačiū už atsakymus ir sėkmės!
+++
Lietuvoje neurobiologijos magistrantūros studijas galima pasirinkti Vilniaus Universiteto (VU) Gamtos mokslų fakultete. Programa sukurta 1996-1999-aisias metais finansuojant TEMPUS PHARE programai ir bendradarbiaujant su Oksfordo, Mančesterio (Jungtinė Karalystė) ir Kuopio (Suomija) specialistais. Moksliniai tyrimai neurobiologijos srityje vykdomi VU Gamtos Mokslų ir Filosofijos fakultetuose, VU Ligoninės Santariškių Klinikose, Respublikinėje Vilniaus Psichiatrijos Ligoninėje, Lietuvos Sveikatos Mokslų Universiteto (LSMU) Neuromokslų ir Anatomijos institutuose Kaune, LSMU ligoninės Kauno Klinikose, o taip pat LSMU Elgesio Medicinos Institute Palangoje.
Autorius dėkoja VU Gamtos mokslų fakulteto dekanui prof. O. Rukšėnui už patarimus rašant straipsnį.
