Kolegové, chci zde představit nové vědecké pracoviště fakulty – Laboratoř experimentální neurofyziologie. Je součástí Biomedicínského centra LFP a její vznik umožnil management fakulty vytvořením podmínek na evropské úrovni pro kvalitní přístrojové a personální zázemí. Jsem o to radši, že nabídka na vybudování laboratoře mi umožnila návrat po mnoha letech strávených v cizině.

Chci porozumět fyziologickému základu kognitivních funkcí mozku, především paměti. Paměť je primárně psychologický fenomén tradičně studovaný behaviorálními přístupy, doplněnými o experimentální manipulace jako farmakologické či genetické ovlivnění, mozkové stimulace či léze atd.… Nicméně pro její mechanistické pochopení je měřitelný výstup klasických paměťových testů, ať pro lidi či zvířata, příliš komplexní a pomalý, takže pro fyziologa je nutné behaviorální a psychologickou rovinu opustit a potřebnou informaci extrahovat přímo z mozkové tkáně.

Metodickým základem naší experimentální práce je tak přímá registrace aktivity jednotlivých neuronů během řešení paměťových úloh a následné dekódování tohoto signálu. Neurony spolu komunikují univerzálním jazykem akčních potenciálů, trvajících zlomek milisekundy. V některých systémech mozku dokážeme tento univerzální komunikační jazyk mezi neurony číst, což nám umožňuje zkoumat organizaci paměti na úrovni jednotlivých buněk a jejich sítí až v milisekundovém rozlišení.

Koncept organizace paměti prochází za poslední desetiletí výraznými změnami. Již drahnou dobu je opuštěna představa, že by danou vzpomínku kódovala malá exkluzivní skupina neuronů či buňka jediná (tzv. „neuron Štědrovečerní večeře“) a mnoho experimentálních důkazů nasvědčuje tomu, že paměťové stopy či jejich samostatné části jsou formovány funkčně posíleným propojením mezi vybranými buňkami v neuronové síti. Jednotlivé neurony pak mohou figurovat v mnoha různých takovýchto podskupinách, jež jsou substrátem paměťových stop (ohromně to zvyšuje informační kapacitu sítě).

Orientujeme se hlavně na tzv. prostorovou paměť, která je u laboratorních potkanů (s nimiž rutinně pracujeme) srovnatelně vyvinutá jako u člověka, a svou organizací v mozku je technicky poměrně přístupná. Jejím strukturálním těžištěm je hipokampus, fylogeneticky velmi stará část mozkové kůry, přítomná v různých obměnách napříč všemi obratlovci. Hipokampus dostává mj. informaci z entorinální kůry, jejíž některé neurony se chovají jako metrická síť na mapě (grid cells) a jiné poněkud jako kompas (head direction cells). Hipokampus pak vytváří reprezentaci prostředí podobnou GPS, ale optimálnější našim potřebám, složitější a schopnou se učit. V principu jde o fyziologický substrát prostorové paměti a jeho obecný vědecký význam spočívá v tom, že jeho kód dokážeme poměrně dobře číst.

Na mém předchozím pracovišti jsme s kolegy objevili, že hipokampus procesuje paměť nikoli kontinuálně, ale v diskrétních časových paketech – kvantech, zhruba o 120 milisekundách. Souvisí to s mozkovými rytmy, zde konkrétně s lokální theta oscilací (6-12 Hz) a má to ten důsledek, že hipokampová paměťová mašinerie vstupní informaci neustále přepočítává, čímž je zhruba 8-krát za vteřinu organismus schopen zareagovat na jakoukoli změnu ve vnějším prostředí a vybavit související vzpomínku. Navíc se podařilo vypracovat spolehlivý experimentální protokol, jenž otevírá možnosti zkoumat ultrarychlé paměťové procesy, jako okamžik přechodu z jednoho paměťového stavu do jiného (aktivace paměti) ve vysokém časovém rozlišení. Tato změna vzorce aktivity v neuronových sítích hipokampu je dle mého pohledu počátečním substrátem aktivace paměti, který je dosud téměř zcela neprozkoumán. V naší laboratoři jej chci studovat napříč propojenými mozkovými oblastmi – tzn. počínaje hipokampo-entorinálním okruhem, přes prefrontální kůru, eventuálně až k efektorovým oblastem v motorické kůře. Je to plán ambiciózní, ale věřím, že proveditelný. Velmi úzce souvisí s rolí mozkových elektrických oscilací v komunikaci mezi jeho oblastmi a s kódováním/zpracováním informace v nervovém systému. Věřím též, že práce bude mít silný dopad na patofyziologii kognitivních chorob, především schizofrenie a Alzheimerovy nemoci, neboť současný převládající koncept jejich studia se až příliš orientuje na jimi způsobené poruchy plasticity (tedy učení), a pomíjí finální část paměťové kaskády, tedy vybavení informace.

Srdcem laboratoře a hlavní investicí fakulty je 64-kanálová digitální nahrávací jednotka, která dokáže snímat signál z mozku stejným počtem mikroelektrod, chronicky implantovaných do oblasti našeho zájmu – hipokampální formace. To umožní zaznamenat aktivitu velkého počtu neuronů současně (až sto buněk) a po vyhodnocení účinně pamětí “listovat“. Neurony hipokampu se chovají velmi individuálně a pro analýzu nesené informace je tedy klíčové rozeznat, který z mnoha registrovaných akčních potenciálů pochází od které buňky. To zajišťuje systém svinutých čtveřic mikroelektrod (fig. 1), vůči nimž má každá buňka unikátní prostorovou konfiguraci a velikost akčních potenciálů zaznamenaných danou čtveřicí elektrod je tedy unikátní též. Takto roztříděná aktivita se pak vztahuje k souběžně zaznamenanému chování potkana a pak již můžeme usuzovat, jakou kvalitu daný neuron reprezentuje. V hipokampu je touto kvalitou pozice subjektu v prostoru – každá aktivní buňka tak kóduje jedinečné místo v místnosti, kde se experiment odehrává, takže suma všech hipokampových neuronů s touto funkcí tvoří tzv. kognitivní mapu neboli reprezentaci okolního prostředí (fig. 2).

Je až neuvěřitelné, že na úrovni limbického systému, který tyto informační vstupy dostává vysoce zpracované (což ve fyziologii znamená většinou nečitelné), je reprezentace prostoru tak transparentní. Považte, že jen na základě nahrávky aktivity několika desítek hipokampových pyramidových neuronů při volném pohybu v experimentální aparatuře dokážeme nepříliš složitou analýzou přesně zrekonstruovat kde se potkan v daném vteřině pohyboval, a dokonce kde se „pohyboval“ během svého snění v REM či nREM spánku (zdálo-li se mu o experimentech jako nám).

Přestože se jedná o značnou redukci, jsem přesvědčen, že hipokampová reprezentace prostoru též „reprezentuje“ obecný princip interpretace světa mozkem, a představuje tak vědomostní materiál, jenž lze přímo projikovat nejen do obecné či kognitivní psychologie, ale též disciplín filozofických – pozitivismu, existencialismu či fenomenologie.

Před dokončením novostavby Biomedicínského centra fungujeme, podobně jako informace v mozku, distribuovaně v prostorách ústavů patofyziologie, histologie a centrálního zvěřince. Chci poděkovat vedení fakulty a všem kolegům za fantastickou podporu, s níž se setkáváme, zvláště pak doc. Králíčkové, doc. Vožehovi a prof. Matějovičovi, bez jejichž účasti by se laboratoř rozjet nemohla. Myslím, že v posledních letech fakulta nabrala skvělý kurz a má stále větší potenciál. Přeji Vám všem mnoho zdaru při studiu i výuce a tvůrčího nepokoje v experimentální práci!

Karel Ježek