W niedawnym badaniu naukowcy ponownie przyjrzeli się roli, jaką odgrywa dopamina w procesach pamięci krótko- i długotrwałej. Postanowili również przeanalizować w jaki sposób wrodzone reakcje na bodźce wpływają na uczenie się nowych skojarzeń oraz ich późniejsze utrzymywanie.
Czym jest dopamina?
Dopamina to neuroprzekaźnik, który odgrywa kluczową rolę w wielu istotnych procesach organizmu. Wpływa na motywację, układ nagrody oraz proces uczenia się, wspiera również konsolidację informacji oraz utrwalanie wspomnień.
Zaburzenia aktywności dopaminowej mogą prowadzić do istotnych problemów z pamięcią. Przykładem może być choroba Parkinsona, w której spadek dopaminy wiąże się między innymi z upośledzeniem funkcji poznawczych. Neurony obecne w istocie czarnej – odpowiedzialne za produkcję tego neuroprzekaźnika – ulegają wówczas degeneracji. Niedobór tej substancji negatywnie wpływa na różne rodzaje pamięci, szczególnie na pamięć roboczą oraz proceduralną.
Wpływ dopaminy na pamięć
Poprzez wpływ na układ nagrody, dopamina wzmacnia wspomnienia związane z istotnymi emocjonalnie wydarzeniami. Można więc powiedzieć, iż jest substancją odpowiedzialną za nadawanie znaczenia bodźcom docierającym do ośrodkowego układu nerwowego. Działa jako sygnał informujący o tym, iż wydarzyło się coś dobrego, ułatwiając w ten sposób proces zapamiętywania. Również dzięki regulacji motywacji, dopamina wpływa na to, jak skutecznie zapamiętujemy informacje.
Tradycyjnie naukowcy zakładają, iż w czasie snu dochodzi do konsolidacji pamięci. Jest to proces, w trakcie którego informacje przetwarzane w pamięci krótkotrwałej są stopniowo przenoszone do pamięci długotrwałej. Stają się w ten sposób bardziej trwałe i odporne na zapomnienie.
Pamięć krótko- i długotrwała a dopamina
Naukowcy ze Stanford University oraz Yale University odkryli nową interakcję pomiędzy przedziałami pamięci krótkoterminowej i długoterminowej. W swoim badaniu wykorzystali 500 muszek owocowych (Drosophila melanogaster). Gatunek ten odgrywa ogromną rolę w badaniach naukowych i jest jednym z najczęściej używanych organizmów modelowych. Badacze wystawili muszki na działanie różnych zapachów, powiązanych z pozytywnymi (nagroda) lub negatywnymi (kara) bodźcami.
Aby zmierzyć reakcję zwierząt naukowcy zastosowali metodę obrazowania napięcia (voltage imaging). Jest to technika badawcza wykorzystywana do pomiaru zmian potencjału elektrycznego w komórkach, szczególnie neuronach. Umożliwia wizualizację aktywności elektrycznej neuronów w czasie rzeczywistym. Kiedy dochodzi do aktywacji neuronu, następuje zmiana napięcia jego błony. Technika ta obrazuje tą zmianę dzięki specjalnych czujników lub barwników.
Badania wykazały, iż w zapamiętywaniu istotną rolę odgrywa proces bramkowania. Tworzenie się wspomnień krótkotrwałych uruchamia proces (bramę), który otwiera drogę do osłabienia niektórych połączeń między komórkami mózgu. Pozwala to neuronom dopaminowym lepiej przetwarzać zarówno wrodzone, jak i wyuczone sygnały. W rezultacie łatwiej i dużo efektywniej mogą tworzyć się wspomnienia długotrwałe. Za proces bramkowania odpowiada sprzężenie zwrotne. Jest to mechanizm, w którym część wyjściowego sygnału systemu wpływa na jego działanie, modyfikując przyszłe reakcje tego systemu. Może być pozytywne, kiedy wyjście systemu wzmacnia jego dalsze działanie (podczas porodu dziecko naciskając na szyjkę macicy wpływa na pobudzenie receptorów, za pośrednictwem których dochodzi do uwalniania oksytocyny – hormonu, który zwiększa siłę i częstotliwość skurczów macicy). Może być również negatywne, kiedy wyjście systemu działa hamująco na jego działanie (po spożyciu posiłku poziom glukozy wzrasta, przez co trzustka zwiększa produkcję insuliny – hormonu odpowiedzialnego za obniżanie poziomu glukozy we krwi).
W procesie sprzężenia zwrotnego kolejna prezentacja tego samego skojarzenia, które doprowadziło do powstania początkowej pamięci krótkotrwałej umożliwia szybkie utworzenie pamięci długotrwałej. Ponadto siła opisanego wcześniej bramkowania zależy od liniowej sumy wrodzonych i uprzednio wyuczonych reakcji na bodźce sensoryczne. Wszystko to odbywa się dzięki neuronom dopaminowym obecnym w mózgu muszki owocówki. Kodują one wrodzone oraz wyuczone reakcje na zapachy (skojarzone z nagrodą i karą). Następnie sygnały te odpowiadają za regulacje sposobu przechowywania oraz zapominania wspomnień w mózgu.
Uczenie się i zapamiętywanie – wnioski z badania
Wyniki badań oparte są na analizie procesów, jakie zachodzą w mózgach muszek Drosophila melanogaster. Za proces uczenia się i zapamiętywania odpowiedzialne jest u nich ciało grzybkowate – struktura będąca odpowiednikiem hipokampa u ssaków. Na podstawie badań naukowcy byli w stanie zrozumieć, w jaki sposób różne obszary ciała grzybkowatego współpracują ze sobą w celu wytworzenia pamięci krótko- i długotrwałej. Kolejnym krokiem będzie zbadanie tego mechanizmu w organizmie ssaków. W przyszłości odkrycie może pomóc w opracowaniu skutecznych metod leczenia chorób neurodegeneracyjnych. Autorzy badania mają również nadzieję, iż ich praca może zainspirować nowe projekty algorytmów uczenia się i architektur sieciowych w dziedzinie sztucznej inteligencji.
