Představa o mozku jako o mechanismu, v němž každý díl plní pevně danou a jasně definovatelnou funkci, by mohla být zcela mylná. To vyplývá z ambiciózní mezinárodní studie zveřejněné v časopise „Nature“, v níž vědci ze Zuckermanova institutu Kolumbijské univerzity analyzovali obrovské objemy záznamů o neuronální činnosti u myší a dospěli k jednoznačnému závěru: ačkoli existují specializované neurony, drtivá většina z nich funguje jako „všeuměl“, schopná se podílet na více procesech najednou.
Tento objev by mohl zásadně změnit způsob, jakým vědecká obec chápe fungování mozku, a také otevřít nové cesty k pochopení toho, co se děje, když mozek selže, a jak tyto procesy napravit.
Dlouhá a vášnivá debata
Otázka, zda jsou neurony uzpůsobeny k plnění jediné funkce, nebo k přizpůsobení se mnoha úkolům, není nová. Lorenzo Posani, hlavní spoluautor studie a výzkumník z Pařížského institutu pro výzkum mozku a francouzského CNRS, připomíná, že se jedná o „starou a důležitou otázku, na kterou mají vědci velmi pevné názory“. Posani tuto práci provedl během svého pobytu v Zuckermanově institutu na Kolumbijské univerzitě.
Předchozí výzkumy prokázaly, že mozek je organizován do modulů věnovaných konkrétním procesům, jako je zrak nebo čich, což zdánlivě naznačovalo, že tato specializace by se mohla rozšiřovat až na úroveň jednotlivých neuronů. Mozek však funguje také jako mimořádně výkonný univerzální počítač, schopný reagovat na obrovskou škálu situací, což by spíše nasvědčovalo existenci neuronů obecného charakteru, jak uvádí agentura Ep.
Jednotný přístup k vyřešení rozporů
Hlavní překážkou při řešení této debaty byla metodologie. Každá výzkumná skupina přistupovala k problému odlišně: některé studovaly různá zvířata, jiné se soustředily na různé oblasti mozku nebo zadávaly subjektům různé úkoly. To vše vedlo k protichůdným výsledkům, jak upozorňuje Posani: V některých experimentech se některé neurony jevily jako jasně specializované, zatímco v jiných nevykazovaly žádný definovaný vzorec.
Aby toto omezení překonali, navrhli autoři nové studie strategii zaměřenou výhradně na myši, při níž byla současně zaznamenávána aktivita četných neuronů ve 43 oblastech mozkové kůry, zatímco všechna zvířata prováděla stejný úkol. Data pocházela od konsorcia Mezinárodní laboratoře pro výzkum mozku, což poskytlo mnohem rozsáhlejší soubory záznamů, než je obvyklé, jak informuje agentura Ep.
Specialisté na periferní oblasti, generalisté téměř ve všem ostatním
Výsledky odhalily jasný vzorec. V primárních smyslových oblastech, jako je například část mozku zodpovědná za zrak, se neurony skutečně chovaly specializovaně. Mimo tyto oblasti však byly reakce mnohem rozmanitější: každý neuron se podílel na více funkcích, což potvrzuje, že převládajícím profilem je generalista.
Pozoruhodné je, že navzdory této multifunkčnosti dokázali vědci s pozoruhodnou přesností určit, ke kterému mozkovému modulu každý neuron patří, a to pouze na základě jeho vzorce reakcí na konkrétní úkol. To znamená, že neurony si zachovávají určitou stopu regionální identity, což jim však nebrání chovat se flexibilně a rozmanitě.
Nestačí se dívat jen na jeden neuron
Dalším významným objevem je, že generalistické neurony jen zřídka kopírují chování ostatních, což zvyšuje flexibilitu a výpočetní kapacitu mozku. Stefano Fusi, vedoucí výzkumník Zuckermanova institutu, člen Kavliho institutu pro mozkové vědy a hlavní spoluautor článku, to jasně vyjadřuje:
Musíme opustit představu o mozku jako o stroji s ozubenými koly, kde každé ozubené kolo má specifickou funkci, kterou lze označit štítkem. Mozek tak nefunguje. Naopak, většina neuronů je schopna vykazovat obrovskou rozmanitost reakcí, což mozku umožňuje řešit velké množství různých úkolů.
Odborníci zapojení do studie vysvětlují, že tato multifunkční povaha umožňuje každému neuronu kódovat informace o více proměnných současně. Například jeden neuron může současně zaznamenávat, zda je tvar červený nebo černý a zda se jedná o kruh nebo čtverec. Když velké populace neuronů spolupracují, vytvářejí to, co vědci nazývají vysokorozměrné reprezentace, tedy složité kombinace různých proměnných, které mozku umožňují pružně reagovat jak na přijímané informace, tak na generované reakce.
Jedním z nejvýznamnějších důsledků těchto zjištění je, že je prakticky nemožné rozluštit, co představuje jednotlivý neuron izolovaně, protože každý z nich kóduje více proměnných najednou. Teprve při analýze celých populací neuronů, stejně jako samotný mozek, je možné pochopit kódované informace. Jak autoři uvádějí, jedná se o radikální obrat v neurovědě, oboru, který se po desetiletí soustředil na studium jednotlivých neuronů a vyřazoval všechny ty, jejichž reakce nebylo snadné interpretovat, píše agentura Ep.