Deficyty w rozróżnianiu wzorców wpływają nie tylko na uczenie się i pamięć, lecz również na zaburzenia lękowe i nastroju, takie jak PTSD i zespół zaburzeń lękowych.

Naukowcy z ośrodka medycznego z Uniwersytetu w Kolumbii opracowali nowy sposób stymulowania tworzenia nowych neuronów w mózgu dorosłej myszy i wykazali, że neurony powstałe w hipokampie w późnej dorosłości poprawiają niektóre funkcje poznawcze. W ostatnich latach naukowcy badali, czy stymulowanie neurogenezy (powstawania nowych neuronów) w mózgu dorosłego ma dodatni wpływ na funkcjonowanie poznawcze i nastrój. Do tej pory, badania opierały się na interwencjach, takich jak ćwiczenia i wzbogacane środowisko, które oprócz zwiększania neurogenezy wpływały na liczne procesy mózgowe w hipokampie dorosłego mózgu.

Badanie, poprowadzone przez dr. René Hena, profesora neuronauk i farmakologii na wydziale neuronauk i psychiatrii na Uniwersytecie w Kolumbii oraz w stanowym instytucie psychiatrii w Nowym Jorku, ukazało się w piśmie „Nature w Advance Online Publication”. Dr Amar Sahay jest jednym z głównych autorów badania. Po zwiększeniu ilości neuronów w hipokampie, obszarze mózgu odpowiedzialnym za zapamiętywanie i nastrój, naukowcy poddawali myszy testom na uczenie się oraz nastrój i obserwowali zmiany w zachowaniu. Wykazano zmianę w zadaniach uczenia się, w których przebiegał proces nazywany rozróżnianiem wzorców (ang. pattern separation), polegający na zdolności rozróżniania podobnych miejsc, zdarzeń i doświadczeń.

„Proces ten jest bardzo istotny dla uczenia się, gdyż umożliwia rozpoznanie tego, czy coś jest nowe, czy już znane” – mówi dr Hen. „Jeśli jest znane, przechodzi się do następnych informacji; jeśli jest nowe, trzeba być zdolnym do rozpoznania, że jest to coś nowego i nadania temu jakiegoś znaczenia. Myszy z większą ilością neuronów powstałych w wieku dojrzałym (i poza tym nie różniących się), uczą się zasadniczo lepiej w zadaniach, w których muszą rozeznać się między dwoma podobnymi sytuacjami”. Według badaczy, wcześniejsze próby manipulowania neurogenezą były szersze i mniej dokładne. „W dodatku wcześniejsze metody podczas stymulowania neurogenezy, powodowały również inne zmiany na mózgu. W rezultacie nie wiadomo było, co należało przypisać neurogenezie, a co tym innym zmianom. My wykazaliśmy, że stymulacja neurogenezy u dorosłego osobnika ma bardzo subtelne efekty. W odróżnieniu od większych manipulacji, nie wpływa ona na wszystkie formy uczenia się, lecz bardzo dokładnie odnosi się do zadań wymagających rozróżniania wzorców” – powiedział dr Hen.

Rozróżnianie wzorców jest istotne nie tylko dla uczenia się. Może być ważne również dla zaburzeń lękowych, wliczając w to zespół stresu pourazowego (PTSD) i zespół lęku napadowego. Ludzie cierpiący na PTSD charakteryzują się ogólną odpowiedzią lękową, toteż kiedy znajdują się w sytuacji, która przypomina im o jednym z aspektów traumy, często reagują pełną odpowiedzią lękową. „Myślę, że dobrym przykładem tego jest osoba, która zachorowała na PTSD wskutek ataków z 11 września. Dla nich zwykły widok samolotu lub wysokiego budynku wystarczy, aby rozbudzić pierwotny epizod traumatyczny i przypomnieć awersyjne wspomnienia. Niektóre spośród owych generalizacji stają się tak dotkliwe, że ludzie nawet nie chcą opuszczać swoich domów, ponieważ wszystko przypomina im o tym wydarzeniu” – mówi dr Hen.

Autor badania powiedział, że normalna odpowiedź adaptacyjna polega na odseparowaniu podobnych wydarzeń od doświadczeń. „Chociaż mogę pamiętać dzień 11 września, gdy spojrzę na samolot ponad Nowym Jorkiem, jestem zdolny do rozpoznania, że sytuacja jest inna i odpowiednio do niej podejść, natomiast osoba z PTSD w tej samej sytuacji może doświadczyć ponownie traumatycznych wydarzeń z 11 września i przejść atak paniki. Jest to jednym z powodów, dla których stymulowanie neurogenezy może ulepszyć rozróżnianie wzorców i wspomóc proces leczenia zaburzeń lękowych” – powiedział dr Hen.

Wzmacnianie rozróżniania wzorców, albo poprzez metodę badaczy z Kolumbii, albo poprzez inne sposoby, może być również pomocne w leczeniu niektórych deficytów w uczeniu się u ludzi z normalnym lub patologicznym starzeniem się, np. w chorobie Alzheimera. Istotnie są dowody na to, że rozróżnianie wzorców osłabia się w toku zwyczajnego starzenia się.

„To badanie w konsekwencji może otworzyć drogę do całego nowego obszaru badań i pomóc w ustaleniu, jaka część populacji posiada deficyty w zakresie rozróżniania wzorców i tego, czy odnosi się to tylko do domeny emocjonalnej, czy jest obecna również w czasie wykonywania zadań pozbawionych emocji. Po przeprowadzeniu badań na ludziach, będzie możliwe leczenie ludzi za pomocą dokładnie opracowanych leków i spersonalizowanych terapii” – przekonuje dr Hen.

Naukowcy mówią, że strategia genetyczna w stymulowania neurogenezy w ich eksperymencie może zostać zreprodukowana farmakologicznie, potencjalnie prowadząc do opracowania nowych leków mających zniwelować deficyty w rozróżnianiu wzorców. Wśród leków obecnie testowanych przez naukowców znajdują się inhibitory z białek rodziny bcl-2, działające poprzez blokowanie śmierci komórek.

„Leki te zasadniczo robią to samo, co my robiliśmy przy manipulacji genetycznej – tzn. zwiększają przeżywalność w nowych neuronach , które zwykle przechodzą proces umierania komórkowego, który eliminuje co najmniej połowę tych neuronów. Teraz, zamiast umierać, neurony będą przeżywały” – powiedział dr Sahay.

Niektóre inhibitory białkowe zostały wykorzystane w badaniach nad wylewami, gdzie celem również jest powstrzymanie śmierci neuronów. Naukowcy z Kolumbii planują rychłe rozpoczęcie testów z inhibitorami na myszach. Jeśli uda im się osiągnąć pozytywny efekt w funkcjonowaniu poznawczym, testy zostaną przeprowadzone w próbach klinicznych, aby sprawdzić ich działanie na ludziach.

„Sądzę, że przybliżamy się do wykorzystania procesu neurogenezy w ulepszaniu funkcjonowania poznawczego i nastroju u ludzi. Badania te być może będą mogły wytłumaczyć tajemnicę, której w dalszym ciągu nie rozumiemy, czyli w jaki sposób hipokamp może być odpowiedzialny zarówno za poznanie – co jest jego klasyczną funkcją – oraz za nastrój i napady niepokoju. Być może fakt, że rozróżnianie wzorców wpływa zarówno na dziedzinę poznawczą, jak i nastrój, jest odpowiedzią na ten paradoks” – powiedział dr Hen.

Dekadę temu, naukowcy zostali zdumieni odkryciem, że mózgi dorosłych wciąż są zdolne do tworzenia nowych neuronów. Niemal natychmiast pojawiła się idea ulepszania pamięci poprzez zwiększanie ilości nowych neuronów w mózgu.

Jednak pomimo odnalezienia poszlak – głównie u gryzoni – że nowe neurony w dojrzałych mózgach są zaangażowane w uczenie się i pamięć, nie dowiedziono, że nasilanie neurogenezy wpłynie pozytywnie na umysł. Problem w tym, że naukowcy nie byli zdolni do tego, aby stymulować neurogenezę bez wpływania na inne procesy w mózgu. „Wykorzystywano ćwiczenia, wzbogacane środowiska, aby zwiększyć liczbę neuronów, ale nie można na takiej podstawie stwierdzić, czy uczenie się i pamięć jest ulepszana przez nowe neurony, czy przez skutki uboczne tych manipulacji”. Obecnie, z pomocą nowych technik mających zwiększyć liczbę neuronów, badania Hena i współpracowników sugerują, że potencjał neurogenezy jest realny. Technika, opracowana przez Hena i Sahaya, zwiększa liczbę neuronów u myszy poprzez genetyczną zmianę w obszarze dojrzałego mózgu, bezpośrednio odpowiedzialną za tworzenie neuronów. Po przeprowadzeniu na myszach szeregu testów, wykazano, że zwiększenie ilości neuronów poprawia specyficzny typ funkcjonowania poznawczego nazywany rozróżnianiem wzorców.

Nazwa jest ezoteryczna, ale rozróżnianie wzorców jest ważną częścią systemu uczenia się. „Wykorzystujemy rozróżnianie wzorców do ciągłego rozpoznawania i tych rzeczy, które są nowe i tych znanych. Jeśli są znane, przechodzimy dalej; jeśli nowe, poświęcamy temu więcej uwagi”. Niedawne studia innych uczonych wykazywały, że rozróżnianie wzorców osłabia się z wiekiem; obecnie idea minimalizowania, wynikłej z upływu czasu, utraty pamięci poprzez stymulowanie tworzenia neuronów staje się rzeczywistością. „Idea, że zwiększanie neurogenezy może poprawić pamięć istnieje już od pewnego czasu, ale teraz pokazujemy, że ta strategia działa”.