Iz vsakdanjega življenja vemo, da nimajo vsi ljudje enako razvite prostorske predstave. Nekateri se tudi v tujem kraju nikoli ne izgubijo, drugi pa imajo težave z orientacijo že, če je njihova stalna pot na delo začasno zaprta in morajo poiskati obvoz.

Čeprav je že dolgo znano, da je zmožnost dobre prostorske predstave povezana z dogajanjem v možganih, so začeli nevroznanstveniki delovanje možganskih struktur in mehanizmov, ki omogočajo zaznavanje in mišljenje prostora, natančneje raziskovati šele nedavno. Do nekaterih ključnih odkritij, kako si živali in ljudje s pomočjo posebnega sistema nevronov v možganih ustvarijo predstavo prostora, so raziskovalci prišli šele pred dobrim desetletjem.

Podgane v labirintu in lokacijski nevroni

Že pred drugo svetovno vojno je ameriški psiholog Edward C. Tolman sistematično preučeval, kako se podgane gibljejo v labirintu. Takrat je veljalo prepričanje, da se živali orientirajo preprosto tako, da si zapomnijo zaporedje značilnosti, ki jih srečajo ob poti. A Tolman je opazil, da podganam v labirintu velikokrat uspe hitro odkriti bližnjice, česar ni znal pojasniti s teorijo, da se lahko orientirajo le prek zaporedja znakov ob poti.

Zato je postavil hipotezo, da si podgane ustvarijo nekakšen miselni zemljevid poti, ki jim pomaga pri orientaciji in s pomočjo katerega si lahko zapomnijo lego posameznih predmetov in dogodkov v prostoru. Podgane naj bi bile sposobne razmeroma hitro najti bližnjice, ker si v glavi zgradijo miselni model labirinta. Vendar takrat žal še niso poznali metod, s katerimi bi lahko opazovali, kaj se dejansko dogaja v glavah živali, ko tekajo po labirintu, zato Tolman svojih hipotez ni mogel empirično preveriti.

Šele v šestdesetih letih dvajsetega stoletja, ko je tehnologija za spremljanje procesov v živih in normalno delujočih možganih napredovala, je angleški nevroznanstvenik John O’Keefe začel natančneje preučevati, kaj točno se dogaja v glavah živali, ko se te orientirajo v prostoru. Kmalu mu je uspelo ugotoviti, da v možganih obstajajo posebni nevroni, ki so občutljivi za položaj v prostoru. Aktivirajo se namreč le takrat, ko žival pride v bližino nekega kraja.

Poskuse je izvajal na podganah in miškah. V del možganov, za katerega je na osnovi podatkov o poškodbah možganov pri ljudeh domneval, da je tam center za zaznavo prostora, je živalim vsadil posebne elektrode, s pomočjo katerih je lahko zaznaval aktivnost posameznih nevronov. Živali je nato snemal, ko so hodile po kletki, in ugotavljal, kdaj se posamezni nevroni aktivirajo. Ugotovil je, da so nekateri nevroni aktivni le takrat, ko pride žival na prav določeno mesto v prostoru, zato jih je poimenoval prostorski ali lokacijski nevroni.

Miselni zemljevid prostora

Na osnovi meritev je sredi sedemdesetih let postavil hipotezo, da je del možganov, ki so ga anatomi po podobnosti z obliko morskega konjička poimenovali hipokampus, pomemben tudi za ustvarjanje prostorske predstave. Iz spoznanja, da obstajajo nevroni, ki so občutljivi za položaj v prostoru, je sklepal, da si podgane v hipokampusu s pomočjo lokacijskih nevronov ustvarijo nekakšen miselni zemljevid prostora. S pomočjo takšnega zemljevida se lahko orientirajo, hkrati pa si tudi beležijo lokacijske podatke posameznih spominov.

Drugi raziskovalci so kasneje ugotovili, da poleg lokacijskih obstajajo tudi nevroni, ki postanejo aktivni, ko pride žival v bližino stene ali druge ovire, in pa nevroni, ki kot nekakšen kompas spremljajo položaj glave oziroma smer pogleda. Tako se je pokazalo, da je v možganih podgan in drugih sesalcev več različnih vrst prostorsko občutljivih celic, s pomočjo katerih si živali ustvarijo predstavo prostora in se v njem orientirajo.

S poskusi na ljudeh, ki so imeli zaradi močnih epileptičnih napadov v možgane že vstavljene elektrode, so pokazali, da so poskusi, ki so jih sicer izvajali predvsem na podganah in miškah, relevantni tudi za ljudi. Izkazalo se je tudi, da je lahko isti lokacijski nevron aktiven za več različnih krajev v prostoru. Prvi se denimo aktivira doma v kuhinji in ob drevesu v parku pred hišo, drugi spet pred štedilnikom in na balkonu. Takih prostorsko občutljivih nevronov je v možganih veliko, zato si lahko ob njihovem proženju ustvarimo subjektivni občutek, kje v prostoru smo.

Možgani kot GPS-naprava

Do novega, zelo pomembnega odkritja nevronov, ki so odgovorni za malo drugačno zaznavanje prostora, sta leta 2005 prišla zakonca Edvard in May-Britt Moser, ki imata laboratorij v Trondheimu na Norveškem. S podobnimi poskusi, kot jih je desetletja prej izvajal John O’Keefe, sta odkrila celice blizu hipokampusa, ki se ne vzbudijo zgolj na točno določenih krajih v prostoru, ampak se sistematično prižigajo in ugašajo, ko se žival giblje po navidezni prostorski mreži.

Ko sta izrisala zemljevid točk, kjer se takšni nevroni aktivirajo, se je pokazal vzorec v obliki pravilne heksagonalne mreže oziroma satovja. Ko žival naključno bega po kletki, elektrode zaznajo proženje te nove vrste nevronov zgolj na mestih, ki ustrezajo točkam satovja. Ugotovila sta, da obstaja pet različnih ravni takšnih nevronov prostorske mreže, ki tvorijo satovja različnih velikosti, tako da se znajo živali orientirati in slediti svojim premikom na manjših in večjih razdaljah. Odkrila sta tudi, da obstajajo posebni nevroni, katerih proženje je sorazmerno s hitrostjo gibanja. Hitreje ko se žival premika, bolj so te celice aktivne.

Pri nevronih mreže je treba posebej poudariti, da beležijo gibanje v prostoru samem in niso osnovani na orientaciji s pomočjo predmetov ali drugih vidnih znakov v prostoru. Odkritje nove vrste prostorsko občutljivih nevronov sta znanstvenika zato interpretirala kot del možganskega sistema, ki skrbi za sledenje premikom v prostoru tudi v primeru, ko ni nobenih zunanjih opornih referenčnih predmetov, prek katerih bi se žival lahko orientirala. Podatki za nevrone prostorske mreže ne prihajajo iz čutil, ampak iz celic, ki se odzivajo na smer in hitrost gibanja, kar pomeni, da podobno kot GPS-naprava tudi možgani sproti izračunavajo položaj telesa v prostoru.

Nobelova nagrada za medicino

Nevrone prostorske mreže so zaznali tudi v možganih miši, netopirjev, opic in ljudi. Ležijo v predelu, od koder prihajajo signali v hipokampus, zato domnevajo, da pomagajo pri prostorskem urejanju podatkov, ki nato tvorijo miselne zemljevide oziroma prostorske predstave okolice. Ugotovili so tudi, da se v enakem okolju vsakič vzpostavijo enake celice prostorske mreže. Tvorijo se tudi v popolni temi, tako da gre za sistem, ki črpa podatke iz različnih virov.

Pri novorojenih miškah so približno dva tedna po rojstvu, ko so prvič odprle oči, že lahko zaznali proženje nevronov, ki zaznavajo položaj, smer in meje v prostoru. Iz tega so sklepali, da se teh procesov živalim ni treba posebej učiti, ampak so jim že prirojeni. Pri nevronih mreže pa so ugotovili, da takoj po rojstvu še niso aktivni, iz česar so sklepali, da so za njihovo tvorjenje potrebne določene izkušnje. V tem je verjetno vir razlik med posamezniki, zaradi katerih imajo nekateri boljšo prostorsko predstavo kot drugi. Z dodatnimi poskusi so namreč pokazali, da miške, ki odraščajo v vizualno pustem okolju sferične posode, ne razvijejo nevronov prostorske mreže, miške v prostorih z jasnimi ravnimi stenami in oglišči pa jih hitro vzpostavijo.

Novejši eksperimenti kažejo, da posamezni nevroni morda niso specializirani zgolj za eno samo funkcijo, denimo za označbo lokacije, meje, smeri ali mreže, ampak se lahko prožijo tudi pri več različnih funkcijah. Prav tako so zgradili tudi že nekakšen simulator navidezne resničnosti za miške, tako da so tekale po vrteči se žogi, pred njimi pa se je usklajeno projicirala podoba navidezne realnosti. Ugotovili so, da se tudi v tem primeru prožijo lokacijski nevroni, kot da bi žival dejansko tekala po prostoru.

John O’Keefe ter zakonca May-Britt in Edvard I. Moser so za svoje odkritje prostorsko občutljivih celic in raziskave možganskih mehanizmov zaznavanja prostora leta 2014 prejeli Nobelovo nagrado za medicino. Kaj točno vsa ta spoznanja o dojemanju prostora v možganih pomenijo za bolj kompleksno mišljenje prostora pri ljudeh, za zdaj sicer še ni povsem jasno, a pokazali so že, da so mehanizmi, ki so jih odkrili predvsem z opazovanjem gibanja podgan in miši, prisotni in aktivni tudi v človeških možganih.

(Sestavek je bil izvorno objavljen v reviji Outsider št. 13.)