Vědci přemýšlejí, jak naložit s fascinující schopností mozku opakovaně se přeškolovat ze zavedené rutiny na úplně nové režimy

Když vědci řeknou, že je mozek proměnlivý a tvárný, zní to jako banalita. Jenže se ukazuje, že není tvárný jen tak nějak obyčejně, ale překvapivě. Dokonce mnohem překvapivěji, než si ještě před pár lety dokázali experti představit. Do lidského života to vnáší radosti a naději.Někdy ovšem i nečekané trápení.

Vidím teď mnohem ostřeji, pane profesore,“ svěřuje se pacientka Samuelu Jacobsonovi. Profesor se jen shovívavě usmívá: „To by bylo krásné, ale není to možné…“

„Ale já opravdu vidím líp!“ nedá se odbýt mladá žena. „Samozřejmě, pořád nevidím dobře. Nemůžu řídit auto a všude mě vozí otec. Sedávám vedle něj a vidím na přístrojovou desku. Jako malá holka jsem tam vždycky sledovala zelené číslice digitálních hodin. Když pak u mě naplno propukla amauróza, viděla jsem je jen jako zelenou skvrnu. Ale teď už zase vidím číslice! Je to skvělé, pane profesore!“

Samuela Jacobsona výpověď pacientky zaskočila. Mladá žena se jako jedna z prvních na světě podrobila genetické léčbě dědičné oční choroby označované jako Leberova vrozená amauróza. Lidé s tímto onemocněním zdědili poškozený gen RPE65, který je důležitý pro přežití světločivných buněk v sítnici oka. V teenagerovském věku jim začne sítnice postupně odumírat a svět se jim halí do tmy.

Samuel Jacobson spolu s dalšími lékaři z Pensylvánské univerzity ve Filadelfii vnesl třem takto nemocným do oka virus upravený genovými inženýry do podoby, vníž funguje jako genetický „trojský kůň“: do buněk sítnice propašovával náhradní neporušený gen RPE65. Degenerativní proces se zastavil a ani po roce se neprojevily žádné nežádoucí vedlejší účinky léčby. Pacienti byli s to rozlišit zrakem zdroje světla. Ale ostrost vidění se jim neobnovovala, protože odumřelé buňky sítnice byly nenávratně ztraceny. Tohle všechno Samuel Jacobson dobře věděl. Jenže mladá žena mu s plnou vážností tvrdila, že opět vidí číslice na přístrojové desce otcova auta.

„Provedeme vám nějaká vyšetření očí a uvidíme,“ pronesl lékař zamyšleně.

Já mám pravdu, vy se nemýlíte

Zevrubná vyšetření odhalila, že pravdu měli oba –lékař i jeho pacientka. Samuel Jacobson se nemýlil v tom, že se sítnice oka nevyspravila. Pacientka ale skutečně viděla ostřeji. Umožnila jí to změna, která se neodehrála v oku, ale v mozku.

Už v nejranějším dětství se naučíme dívat na svět tak, aby obraz toho, co nás zajímá, dopadal na sítnici na takzvanou žlutou skvrnu. V této nevelké části sítnice je na jediném čtverečním milimetru natěsnáno kolem 200 000 buněk citlivých na světlo. Dopad světla na žlutou skvrnu nám zajistí nejostřejší možný obraz. Pacientce ale Leberova vrozená amauróza žlutou skvrnu těžce poničila. V místě, kde lékaři vnesli do sítnice léčebné viry s ozdravným genem, však přestaly buňky odumírat a byly na sítnici oka k dispozici v nejvyšších počtech. Pacientčin mozek se pak naučil tuto léčenou část sítnice používat místo žluté skvrny. Dokázal přepsat instrukce, které byly do příslušné části mozku natvrdo uloženy už ve chvílích, kdy se jako novorozenec učila dívat na svět.

Schopnost lidského mozku opakovaně se přeškolovat ze zavedené rutiny na úplně nové režimy činností patří k nejúžasnějším –a také nejpřekvapivějším –dovednostem tohoto orgánu. Zaskočila i experty, kteří jí nejprve nemohli uvěřit, dnes o ní ale běžně hovoří jako o neuroplasticitě.

Co vidělo kotě

Mozek je nejtvárnější v útlém věku, kdy musí zvládnout celou řadu nových úkolů. Názorně to ukázaly experimenty švédského neurobiologa Torstena Nilse Wiesela a jeho kanadského kolegy Davida Huntera Hubela. Ti před více než půlstoletím zkoumali, jak se vyvíjí zraková centra v mozku koťat. Krátce po narození sešili koťatům víčka jednoho oko a zabránili jim tak v jeho používání. Zároveň tím znemožnili mozku, aby se naučil oko používat. Zrakové centrum určené ke zpracování signálů ze zaslepeného oka ale nezůstalo prázdné. Zabralo si je pro své potřeby oko, kterým koťata viděla. Když pak vědci po nějaké době stehy z víček odstranili a dovolili koťatům koukat oběma očima, bylo pozdě. Zraková mozková centra už ztratila původní tvárnost. Koťata se už nenaučila zpracovávat podněty z oka, kterým začala koukat se zpožděním. Oko bylo v pořádku, ale mozek se jeho prostřednictvím neuměl dívat na svět kolem.

Objevy Hubela a Wiesela, oceněné v roce 1981 Nobelovou cenou, vysvětlovaly celou řadu jevů, s nimiž si do té doby věda nevěděla rady. Rázem bylo například jasné, proč u dětí, které se narodí s šedým zákalem, nelze otálet s operací, jež malým pacientům navrací zrak. Pokud dítě prožije období tvárného zrakového centra s výhledem zastřeným zakalenou oční čočkou, škody napáchané tímto fatálním opožděním se v mozku už nikdy nenapraví.

Podobnými „tvárnými obdobími“ procházejí i další mozková centra. Současně se zrakem se mozek učí zvládat práci dalších smyslů. Ještě v prvním roce života se otevírá „tvárné období“ řečových center. Díky tomu se dítě naučí druhý nebo i třetí jazyk stejně dobře jako svou mateřštinu, ale dospělý má s tak dokonalým zvládnutím cizích řečí velké problémy. V útlém dětství musí mozek zvládnout také úskalí základních sociálních dovedností.

V řadě ohledů zůstává mozek plastický a přístupný změnám nutným pro získání nových dovedností i teenagerům. Těžíme z toho nejen ve škole, kde jsme s to nabrat obrovské množství znalostí a dovedností, ale třeba i ve sportu, když se učíme lyžovat, jezdit na skateboardu nebo hrát tenis. Neznamená to ale, že by mozek dospělého člověk už neuroplasticitu definitivně ztratil, jak se dříve mělo za to. Dokazují to příklady lidí, kteří se po úrazu své „šikovnější“ ruky „přeškolili“ na užívání méně zručné zdravé končetiny. Také pacienti, kteří zvládají rekonvalescenci po mozkové cévní příhodě, využívají plasticity svého mozku. Jeho část poškozená narušením krevního oběhu se jim už neobnoví. Ale její původní role mohou s větším či menším úspěchem převzít jiná mozková centra.

Tvárnost mozku vysvětluje jinak těžko pochopitelný fenomén fantomové končetiny. Ten se projevuje u mnoha lidí, kteří přišli amputací nebo úrazem o ruku nebo nohu, a přesto někdy cítí, že je ztracená končetina svědí nebo je pronásledují její bolesti. Na vině jsou centra mozku, která zajišťovala její vnímání. Když přijdou o práci, začnou fušovat do činnosti sousedních mozkových center. Z těch mohou putovat do nezaměstnaného centra nejrůznější podněty, které mozek prezentuje jako události odehrávající se ve ztraceném údu.

Neuroplasticita dospělého mozku se projeví i za méně dramatických okolností. Zajímavé výsledky přinesl například nedávný výzkum negramotných Indů, kteří se učili číst až ve velmi pozdním věku. Vědci porovnávali aktivity negramotného mozku se stavem po šestiměsíčním intenzivním kurzu čtení. Zjistili, že významnou změnu neprodělala jen mozková kůra, kde se odehrává proces učení. Citelnou přestavbu zaznamenali iv částech mozku zodpovědných za základní životní funkce. Těmto lidem pracoval jinak mozkový kmen, který kontroluje reflexy a základní tělesné pochody, a také thalamus, jímž procházejí informace ze smyslových orgánů a jsou odtud nasměrovány do dalších center ke zpracování.

Potřeba rozsáhlé přestavby mozku vyplývá ze skutečností, že ke čtení je zapotřebí mnohem více než si jen zapamatovat písmena. Čtenář se musí naučit také dalším dovednostem, například sledovat zrakem řádek textu. A k tomu potřebuje i jiné části mozku.

Podobné výzkumy vrhají nové světlo na některé poruchy, jako je dyslexie, kterou trpí podle odhadů přinejmenším desetina všech školáků. Malým čtenářům se přestavuje mozek a díky tomu zvládají čtení slov se stále menší námahou. Mozky dyslektiků se tak dokonale nárokům čtení nepřizpůsobí. Přestavba příslušných center neproběhne, jak by měla. Při čtení se neustále perou se svými úkoly, jako kdyby to děti dělaly poprvé. Jednou z významných příčin dyslexie a dalších poruch učení je tak zřejmě nedostatečná neuroplasticita jejich klíčových mozkových center.

Lidští netopýři

Úžasnou ukázkou velmi rozsáhlé přestavby vrozeného spořádání mozku nabízí životní příběh dvaapadesátiletého Daniela Kishe ze Spojených států. Tomu se někdy s trochou nadsázky přezdívá „lidský netopýr“, protože se umí orientovat podle odrazu zvuků. Jeho schopnosti tak připomínají echolokační smysl netopýrů, kteří získávají dokonalý přehled o svém okolí tím, že vyluzují ultrazvuky a citlivým sluchem naslouchají jejich odrazům od překážek.

Kish přišel o zrak v důsledku nádorového onemocnění jako roční dítě. Přesto chodí na dlouhé procházky, jezdí na kole nebo hraje basketbal. Nezasvěcený pozorovatel by jen těžko uhodl, že Daniel nic nevidí. Svůj „netopýří“ talent odhalil Kish jako malý kluk, když lezl na stromy a zjistil, že dokáže odhadnout, jak vysoko vyšplhal. Stačilo mu vyluzovat jazykem mlaskavé zvuky a naslouchat jejich odrazům od země. Od těchto skromných začátků se Kish prokousal úskalími echolokace až úplnému k mistrovství. Jeho dovednosti zaujaly neurology a ti se jim pokoušeli přijít na kloub.

Vědci zjistili, že umění echolokace „lidských netopýrů“ netkví v citlivosti sluchu. Tito lidé neslyší ostřeji než ostatní. Jejich echolokace není závislá na zpracování odražených zvuků sluchovými centry mozku. Ta by takový úkol vůbec nezvládla.

Čemu tedy vděčí „lidští netopýři“ za své úžasné schopnosti? Sledování aktivity mozku Daniela Kishe a dalších podobně obdařených lidí odhalilo, že signály přicházející z uší zpracovávají zraková centra. Kishův mozek odražené zvuky neslyší, ale vidí. Díky tomu z nich zřejmě dokáže získat celou řadu informací, které by sluchová centra nezprostředkovala. Do „echolokačního“ režimu uvádějí Kishova zraková centra v mozku jen zvuky, které tento „lidský netopýr“ používá k echolokaci. Jiné mu putují zcela spořádaně do sluchového centra. Běžnou konverzaci proto mozek Daniela Kishe nevidí, ale slyší.

Echolokaci se dokáže naučit prakticky kdokoli. Při experimentech zvládali dobrovolníci základní dovednosti po dvou až třech týdnech intenzivního výcviku. Někteří „lidští netopýři“ spoléhají na mlaskavé zvuky vyluzované jazykem, další na luskání prsty a někteří si vypomáhají zvuky ťukání slepecké hole. Běžně tak zaznamenají přítomnost předmětů vzdálených i méně než metr. Hranici jejich možností představuje detekce předmětů vzdálených pouhých 10 centimetrů. Pokud jde o velikost objektů, dokážou „lidští netopýři“ echolokací odhalit předměty větší než 2 centimetry.

V některých ohledech své zvířecí protějšky dokonce předčí. Dokážou například určit, jestli se k nim odráží zvuk od malého blízkého předmětu, nebo od předmětu velkého a vzdáleného. Řešení podobných úloh zrakem je snadné. Když máme zhodnotit dva zdánlivě stejně velké objekty, nezaváháme ani na okamžik nad tím, zda se díváme na malý blízký předmět, nebo velký předmět, který se jeví malý jen proto, že je od nás daleko. Netopýři, orientující se echolokací, s tím však mají někdy problém a pletou se. Ti lidští se ovšem nemýlí. Nevděčí za to schopnosti odhadnout vzdálenost podle délky prodlevy, s jakou k nim dorazí odražený zvuk. Blízké předměty rozeznají od vzdálených podle toho, že na nich echolokací odhalí mnohem víc detailů.

Je možné, že naši pravěcí předkové echolokaci běžně využívali. Pomáhala jim například při orientaci v hlubinách jeskyní nebo za temných, bezměsíčných nocí. Schopnost bezpečného pohybu ve tmě mohla nejednou rozhodovat o přežití. Moderní civilizace nepřipravila člověka o tuto schopnost. Zbavila ho motivace k jejímu rozvíjení „otiskem“ do tvárného mozku. Udrželi si ji však lidé, kteří přišli o zrak.

Nejnovější výzkumy naznačují, že tvárnost mozku typická pro rané dětství není nenávratně ztracená a za určitých okolností bychom ji mohli v dospělosti vrátit. Už před pěti lety vzrušily odborníky výsledky experimentu mezinárodního týmu pod vedením psychologa Allana Younga z londýnské King’s College, při kterém vědci dokázali dobrovolníkům významně posílit absolutní hudební sluch. Tato schopnost bezpečně rozeznat jednotlivé hudební tóny je v populaci vzácná a nevládnou jí ani mnozí špičkoví muzikanti.

Young a jeho kolegové podávali dospělým dobrovolníkům lék valproát, běžně používaný k léčbě epilepsie nebo bipolární poruchy. Zároveň je podrobili intenzivnímu tréninku v rozlišování tónů. Výsledky byly přesvědčivé. Medikovaným užívajícím valproát se absolutní hudební sluch prokazatelně zlepšil. Dobrovolníci, kteří polykali tablety placeba, ale navzdory stejně intenzivnímu tréninku zlepšení nezaznamenali.

Valproát a některé další látky působí na dědičnou informaci nervových buněk mozku. Nemění v nich písmena genetického kódu, ale dokážou aktivovat některé geny. Jsou mezi nimi zjevně i ty důležité pro plasticitu mozku.

Sklář a neurochirurg

Výsledky pokusu vzrušily především psychiatry, protože mnoho vážných duševních onemocnění propuká v době, kdy si ještě mozek udržuje poměrně značnou plasticitu. Choroby by tak mohly být důsledkem nevhodného tvarování mozku. Nebylo by možné vrátit nemocnému mozku dospělého člověka jeho ztracenou plasticitu a pak zařídit, aby se v něm vše nastavilo tak, jak má? Mohli by lékaři tímto způsobem vymazat těžké psychické následky traumat prožitých v dětství?

„Bylo by to, jako když sklář nejprve z taveniny vyfoukne pokřivenou baňku. Tu už po ztuhnutí skla není možné opravit, a pokud se o to budeme snažit, hrozí, že nádobu rozbijeme. Když ale sklář vrátí v peci sklu jeho plasticitu, může dát baňce dodatečně správný tvar,“ vysvětluje americký psychiatr Richard Friedman z newyorské Weill Cornell Medical College a dodává: „Tenhle příběh by však mohl mít i svou odvrácenou tvář.“

Existuje řada velmi dobrých důvodů, aby zvýšená plasticita mozku trvala jen po určitou dobu a pak se vytratila. Udržet mozek v tvárném stavu vyžaduje obrovské množství energie. Mozek je v tomto období vystaven enormní zátěži, kterou nemůže snášet donekonečna. Pokles plasticity ho chrání před poškozením.

Při jakýchkoli významnějších zásazích by bylo velice obtížné udržet pod kontrolou, co se do mozku obtiskne a co ne. Třeba bychom se snadno naučili čínsky. Možná by se nám ale zároveň natrvalo „vypálily“ do paměti všechny prožité trapasy, životní fiaska, traumata a vzpomínky na ně by nás pak jako noční můra pronásledovaly až do konce života.

„V nervových spojích je uložena naše osobnost. Opravdu si chceme zahrávat s tím, že zásadně změníme, kdo jsme?“ ptá se Richard Friedman a dodává, že pokud nám obnova plasticity mozku nabídne léčbu autismu, Alzheimerovy choroby nebo nápravu traumat z dětství, bude to pro nás pokušení, jemuž bude těžké odolat.

Autor, biolog, je profesorem České zemědělské univerzity

LN, 1.12.2018