25 rozmów na 25-lecie Fundacji.
Fundacja na rzecz Nauki Polskiej obchodzi w tym roku 25-lecie swojej działalności. Z tej okazji zaprosiliśmy 25 laureatów naszych programów do rozmowy o tym, jak się ?robi? naukę. Co ich fascynuje? Co jest tak ciekawe, frapujące i ważne w tym, czym się zajmują, że zdecydowali się poświęcić temu większą cześć życia? Jak osiąga się sukces?
Bohaterki i bohaterowie wywiadów to badacze reprezentujący wiele odległych od siebie dziedzin, znajdujący się na różnych etapach kariery naukowej, mający różnorodne doświadczenia. Łączy ich jedno ? uprawiają naukę na światowym poziomie, mają na koncie imponujące osiągnięcia, a w swoim bogatym CV ? różnego typu wsparcie od FNP. Rozpoczynamy publikację naszego cyklu, kolejne wywiady będą się ukazywać cyklicznie na stronie FNP.
Zapraszamy do lektury!
Zwykła chęć poznania
z dr hab. Eweliną Knapską, biologiem badającym mózgowe podłoże emocji, rozmawia Patrycja Dołowy
PATRYCJA DOŁOWY: Badacie neurobiologiczne mechanizmy emocji przekazywanych społecznie. To niezwykle potrzebne badania we współczesnym świecie. Czym się dokładnie zajmujecie?
EWELINA KNAPSKA: Zajmujemy się badaniami podstawowymi. Interesuje nas, jak działa mózg, a w szczególności, jak kontroluje emocje. Jedną z takich emocji ? starą, konserwowaną ewolucyjnie i ważną dla przeżycia ? jest strach. Występuje on praktycznie u wszystkich organizmów. Podłoże nerwowe strachu wydaje się bardzo podobne u ludzi, myszy i szczurów. Umożliwia nam to pracę na modelach zwierzęcych, w których możemy manipulować układem nerwowym, a nawet pojedynczymi komórkami i sprawdzać mechanizmy działania strachu na bardzo szczegółowym poziomie. Najpierw badaliśmy strach i wygaszanie strachu w modelach klasycznych. Uczyliśmy szczura, by bał się pewnych określonych bodźców, a potem ordynowaliśmy mu terapię. Okazuje się, że terapia jest skuteczna następnego dnia, ale po upływie czasu strach wraca. Podobnie jest u pacjentów. To dość powszechne zjawisko ? u ludzi po terapii behawioralnej strach powraca w ciągu 3-4 lat. Prawdopodobnie ślad pamięciowy terapii, czyli procesu zwanego wygaszaniem strachu, jest dużo słabszy niż oryginalny ślad strachu. Możliwe, że połączenia nerwowe ścieżki wygaszania osłabiają się albo rozpadają. O roli poszczególnych struktur mózgu w warunkowaniu i wygaszaniu strachu wiadomo całkiem sporo. Najważniejsze są trzy struktury: kora przedczołowa, ciało migdałowate, które kontroluje emocje oraz hipokamp, będący bramką rozpoznającą, czy sytuacja jest znajoma czy nowa. Wszystko działa dzięki połączeniom między tymi strukturami, które się nawzajem kontrolują. Obecnie próbujemy badać te struktury oraz połączenia między nimi w modelach strachu przekazywanego społecznie, czyli w sytuacji zarażania się strachem. Zarówno szczury, myszy, jak i ludzie odbierają bodźce od innych osobników. Jeżeli jeden zostanie przestraszony, a drugi się o tym dowie, wyraźnie przekłada się to na aktywację jego mózgu. My tę aktywację badamy ? patrzymy, jak w sytuacjach społecznych zmienia się reakcja na strach i pamięć strachu.
Jak to robicie?
W pierwszym modelu prowadzimy obserwacje w warunkach klatki domowej, w której hodowane są razem dwa szczury. Jeśli zabierzemy jednego szczura i nastraszymy go, a następnie umieścimy go z powrotem w klatce domowej, obserwujemy, że szczur demonstrator, jak go nazywamy, przekazuje strach drugiemu szczurowi. Krótko mówiąc, zwierzęta wymieniają się informacjami, a w szczególności pojawia się wyraźny sygnał, że już nie jest bezpiecznie. Zarażanie strachem można obserwować także u ludzi, doskonałym przykładem jest sytuacja, gdy w tłumie wybucha panika. U szczurów zarażaniu strachem towarzyszy charakterystyczny wzór zachowania. Demonstrator wraca do klatki, biega, drugi szczur biega za nim, wącha go tam, gdzie zapachy-komunikaty są wydzielane, czyli w okolicy karku i ogona. Zwierzęta wydają także charakterystyczne dźwięki. Sprawdzaliśmy, jak ta sytuacja wpływa na warunkowanie strachu, czyli jak one się od siebie uczą. Okazuje się, że szczury, które odebrały strach od kolegi, uczą się szybciej i lepiej zapamiętują, z kolei u demonstratorów strach słabnie. W drugim modelu badamy właśnie to zjawisko, zwane buforowaniem strachu (ang. social buffering). Obserwujemy, że obecność drugiego szczura, najlepiej znajomego, powoduje, że strach u tego pierwszego szczura się zmniejsza. W tym wypadku szczur demonstrator jest wyjmowany, straszony, a następnie umieszczany w tzw. klatce eksperymentalnej. Jeśli szczur znajdzie się w tym środowisku sam, wyraźnie boi się. Kiedy jest umieszczany w klatce, w której znajduje się inny szczur, boi się znacznie mniej. W tych testach mierzymy strach poziomem tzw. freezingu, czyli charakterystycznego dla gryzoni zamierania. Jak się nastraszy osobno dwa szczury, a potem włoży je razem do klatki, to zmniejsza się strach u obu przynajmniej o połowę.
Taka terapia grupowa?
To na szczęście dość odległa analogia, bo gdy następnego dnia badamy pamięć strachu, mierząc poziom strachu w odpowiedzi na bodziec warunkowy, np. dźwięk, to okazuje się, że ta pamięć u osobników, które były straszone samotnie, i u tych, które po nastraszeniu znalazły się w klatce razem z partnerem i szybciej przestały się bać, wcale się znacząco nie różni. Bodziec i u jednych, i u drugich wywołuje podobny poziom strachu, czyli nie jest to trwały efekt. Ale interesuje nas w tej sytuacji przede wszystkim, jak obecność drugiego szczura modyfikuje aktywność ścieżki uczenia i wygaszania strachu. Czy to jest ten sam mechanizm, czy inny. Patrzymy na aktywność specyficznie związaną z pojawieniem się drugiego szczura. Sprawdzamy, jakie neurony są aktywne i jak są one połączone w obrębie wspomnianych wcześniej struktur: kory przedczołowej, ciała migdałowatego i hipokampa.
U obu szczurów obserwujecie, co się im aktywuje w mózgu w takich sytuacjach?
A także porównujemy modele społeczne i niespołeczne. Osobnik najpierw jest poddawany klasycznemu warunkowaniu strachu (stymulacja niespołeczna), a następnie staramy się zobaczyć, jak to wygląda na poziomie obwodów neuronalnych. Jest to możliwe dzięki temu, że w naszym laboratorium wdrożyliśmy technikę zwaną optogenetyką, dzięki czemu możemy manipulować ? aktywować i dezaktywować ? poszczególne obwody nerwowe, a nawet pojedyncze komórki. Jak już wspomniałam, interesuje nas przede wszystkim rola poszczególnych połączeń.
Na czym polega technologia optogenetyczna?
Do komórek, które są aktywne ? w naszym przypadku podczas interakcji społecznej ? wprowadzamy światłoczułe białka, które pozwalają potem, poprzez wprowadzenie światłowodu i świecenie na te komórki, albo je pobudzić albo zahamować. W ten sposób próbujemy się dowiedzieć, które komórki kontrolują określone zachowania, w jakich strukturach mózgu one występują i jak wpływają na siebie nawzajem. Patrzymy też, jak zwierzęta zachowują się w interakcji z drugim osobnikiem czy w nowym środowisku, gdy im te komórki pobudzimy lub zahamujemy. Udało nam się stwierdzić, że wzbudzenie komórek w jądrze środkowym ciała migdałowatego powoduje przerwanie interakcji społecznej. Szczur się zaczyna interesować otoczeniem, co jest rozsądne, bo ma poczucie zagrożenia i stara się znaleźć niebezpieczne bodźce. Zarażanie strachem, które badamy, jest uważane za najprostszą formę empatii, którą można obserwować nawet u bardzo prymitywnych zwierząt.
Czyli analizujecie proste modele empatii?
Trzeba zacząć od tego, jak definiujemy empatię. Część psychologów definiuje ją jako zjawisko czysto ludzkie. W tej chwili mamy jednak wiele badań na zwierzętach, które sugerują, że jest ona bardziej powszechna. Pierwsze badania, dotyczące małp, przeprowadzono w latach 60., a całkiem niedawno pojawiły się także prace dotyczące gryzoni. Okazuje się, że i one przejawiają zachowania empatyczne. Powstały hipotezy mówiące, że jest w tych zachowaniach ciągłość ewolucyjna. Chciałabym opowiedzieć krótko o jednym takim badaniu. W laboratorium w Chicago badano szczury, z których jeden był zamknięty w małym, przezroczystym pudełku. Szczury bardzo nie lubią być w takich ciasnych, oświetlonych miejscach. To pudełko miało sprytne zamknięcie, które drugi szczur, będący na zewnątrz, mógł otworzyć. Badania pokazały, że jedną z pierwszych rzeczy, które wolny szczur robi, jest oswobodzenie uwięzionego kolegi. Eksperymentatorzy wkładali mu nawet kawałki czekolady, którą szczury bardzo lubią i okazało się, że to wcale nie rozprasza szczura ? najpierw ratuje kolegę, a dopiero potem zabiera się za czekoladę. Czasem nawet się tą czekoladą z kolegą dzieli. Szczury chętniej pomagają znajomym szczurom. Obcym też, ale decyzja o pomocy zajmuje im więcej czasu. Robiono doświadczenia na szczurach, które wyglądały inaczej, np. biały szczur miał uwolnić szczura w czarne łatki. Okazało się, że te inaczej wyglądające były uwalniane najmniej chętnie. Sytuacja zmieniała się jednak zupełnie, jeśli szczury były wcześniej hodowane razem. W takim wypadku szczury w łatki były uwalniane równie szybko co inne znajome szczury. Empatyczne zachowania małp są dobrze opisane w książkach Fransa de Waala. U szympansów i bonobo obserwowano, że zdrowe osobniki dorosłe opiekują się małpami z zespołem Downa (z trisomią). Te zachowania są bardzo złożone i trudno by je było kontrolować w warunkach laboratoryjnych. Nasze modele są znacznie prostsze, co ma dwie podstawowe zalety. Po pierwsze, możemy precyzyjnie kontrolować wpływ poszczególnych czynników, np. jednego genu, a po drugie, chodzi o to, by uzyskiwać powtarzalne wyniki. My koncentrujemy się na tym, jak obwody neuronalne wpływają na zachowania empatyczne. Optogenetyka pozwala precyzyjnie manipulować aktywnością neuronów. To pierwszy krok, żeby zobaczyć, jak mogą być kontrolowane zachowania społeczne. Możemy dowiedzieć się, które struktury w mózgu, co więcej, które neurony są odpowiedzialne za konkretne reakcje.
Nie tak dawno odkryliście, że w procesie zapamiętywania przyjemnych doznań u myszy bierze udział konkretna część mózgu.
Jądro środkowe, stanowiące część ciała migdałowatego, to bardzo interesująca struktura, kontrolująca wiele aspektów zachowania. Zaczęło się od tego, że badaliśmy myszy, które nie miały genu warunkującego białko macierzy zewnątrzkomórkowej MMP-9. Ten enzym bierze udział w uczeniu się. Ku naszemu zdziwieniu stwierdziliśmy, że myszy bez tego genu nieźle się uczą reakcji obronnych, jak dostają np. dmuchnięcie powietrza w nos w systemie Intellicage. To duża klatka, w której myszy żyją w grupie, są oznaczone, więc każda mysz jest rozpoznawana, gdy wchodzi do jednego z rogów. W rogach znajdują się dwie butelki, jedna ze zwykłą wodą, a druga z wodą posłodzoną ? żeby się do nich dostać, mysz musi włożyć nos w dziurkę, otwierają się drzwi i może się napić. W pozostałych rogach jest możliwość dmuchnięcia na mysz powietrzem, czego mysz nie lubi. Okazało się, że myszy bez wspomnianego białka uczą się znajdywania wody z cukrem dużo wolniej niż myszy kontrolne. Natomiast tego, gdzie dmucha na nie powietrze, uczą się równie szybko, co inne myszy. W trudniejszym wariancie w jednej z butelek była słodka woda, w drugiej zwykła, a w trzeciej woda o smaku gorzkim (z chininą). Okazało się, że myszy szybko nauczyły się gdzie jest woda z chininą, natomiast miały duży problem, żeby nauczyć się, gdzie jest woda z cukrem. Zastanawialiśmy się, czy może cukier im po prostu nie smakuje, ale ich chęć na wodę z cukrem, gdy już ją dostaną, jest równie duża, co u myszy kontrolnych. Pozwoliło nam to wnioskować, że zwierzęta miały zwyczajnie problem z nauczeniem się, gdzie znaleźć słodką wodę. Zaczęliśmy podejrzewać, że brak konkretnego białka ma tu coś do rzeczy. Stworzyliśmy więc dość subtelne narzędzie ? nanocząsteczki, które po wstrzyknięciu do mózgu uwalniają inhibitor białka MMP-9, czyli substancję hamującą wytwarzanie tego białka. Kiedy wstrzyknęliśmy nanocząsteczki zwykłym myszom, efekt był ten sam co u myszy bez genu ? zaczynały mieć problem z uczeniem się przyjemnych doznań. W tym przypadku mieliśmy dużo szczęścia, że za to jest odpowiedzialna jedna struktura. Zwykle jest tak, że obwody kontrolujące pozytywne i negatywne emocje są bardzo blisko siebie, można je rozróżnić, ale komórki są wymieszane, więc wspomniana technologia nie wchodzi w grę. W laboratorium mamy też myszy z zespołem łamliwego chromosomu X. Choroba objawia się między innymi zaburzeniem interakcji społecznych. Te myszy, podobnie jak myszy bez białka MMP-9, mają problemy z uczeniem przyjemnych emocji, gdyż ich wada genetyczna wpływa na zaburzenia poziomu MMP-9. Manipulowanie specyficznie MMP-9 w jądrze środkowym może im pomóc. Chcemy to jeszcze przetestować, żeby sprawdzić, na ile można pomóc myszom w funkcjonowaniu w różnych sytuacjach społecznych. Do zastosowań u ludzi jeszcze daleka droga, ale jeśli kiedyś uda się wprowadzić opartą na tym pomyśle terapię, odpowiednie nanocząsteczki mogłyby być podawane dożylnie i służyć np. w leczeniu autyzmu.
Myszy miewają autyzm?
Autyzm jest złożony. Nie wiemy, jakie jest podłoże większości przypadków obserwowanych u ludzi. Wiadomo jednak, że u kilku procent wszystkich chorych autyzm jest konsekwencją uszkodzenia pojedynczego genu. Mamy więc do czynienia z przekazywaną dziedzicznie mutacją, która powoduje charakterystyczne zaburzenia społeczne. Na tej podstawie stworzono mysie modele autyzmu, gdzie ten jeden gen jest znokautowany ? nie ma go i myszy te rzeczywiście wykazują zaburzenia społeczne. Są też modele tzw. środowiskowe, gdzie podczas życia płodowego oddziałuje się na rozwój mózgu myszy, np. podając kwas walproinowy, będący składnikiem czynnym leku przeciwpadaczkowego (to wynik obserwacji, że w populacji kobiet biorących w ciąży te leki częściej rodzą się dzieci z autyzmem). Szukamy specyficznych zaburzeń zachowań społecznych, które się obserwuje przy autyzmie. Wielu z autystyków słabo się socjalizuje, źle funkcjonuje w grupie, ma problem z karami i nagrodami społecznymi. Natomiast dobrze odpowiada na nagrody czy kary behawioralne (tzw. tradycyjne). Nawiasem mówiąc, gdy byłam na stażu w USA, trwała akurat dyskusja dotycząca terapii dzieci autystycznych, gdzie stosowano wcześniej bodźce elektryczne dostarczane ze specjalnej bransoletki. Zakazano jednak tego, co wywołało protesty rodziców, gdyż podobno była to bardzo dobra metoda w ograniczaniu dzieciom zachowań niebezpiecznych, takich jak samookaleczanie. Na poziomie mózgowym do jakiegoś stopnia za bodźce behawioralne i społeczne mogą odpowiadać oddzielne mechanizmy. Ich właśnie szukamy.
?na modelach mysich.
Konstruujemy klatki do badania zautomatyzowanego. Myszy, w odróżnieniu od szczurów, są bardzo czułe na obecność eksperymentatora. Człowiek może być dla nich silnym czynnikiem stresowym. Testujemy klatki, w których można myszy oznaczyć specjalnym chipem, żeby mieć informację, gdzie mysz jest i co robi, ale nie dotykać jej ani nie zaglądać do pokoju doświadczalnego. Mamy układ klatek połączonych korytarzami, a specjalne anteny sczytują, jak mysz się przemieszcza. W dwóch przeciwległych klatkach myszy mają jedzenie i picie, a w kolejnych dwóch są przegrody, za którymi można położyć np. bodziec zapachowy. Myszy sobie tam żyją w grupie, a my sprawdzamy, jakie bodźce je interesują. To wszystko jest sterowane komputerowo. Rozwój tych technik był możliwy dzięki współpracy z fizykami ? wiele z tych urządzeń jest projektowanych i wykonywanych przez naukowców z Politechniki Warszawskiej.
Przydaje się wam interdyscyplinarność.
Ja mam podwójne wykształcenie ? skończyłam biologię i psychologię. Współpracujemy z genetykami ? transgeniczne modele, których używamy, są tworzone przez nich ? i biologami molekularnymi, którzy badają reakcje na poziomie komórkowym. Działamy też wspólnie z fizykami, bo potrzebujemy nowych technologii, takich jak optogenetyka, oraz z psychologami ludzkimi ? ten projekt ma ruszyć jesienią. Nawiązaliśmy współpracę z badaczem z Karolinska Institutet ze Szwecji, gdzie wykonuje się neuroobrazowanie u ludzi. Współpracujemy oczywiście z psychologami zwierząt. Ta interdyscyplinarność wynika także z doświadczenia nabywanego w różnych laboratoriach. Sama, dzięki udziałowi w programie Kolumb FNP, spędziłam pewien czas na Uniwersytecie w Michigan w Ann Arbor (USA), przywiozłam stamtąd kontakty oraz pomysły, które rozwijałam w ramach innego programu Fundacji, Homing/Powroty. Takie działanie ponad ściśle zdefiniowanymi podziałami dziedzinowymi i instytucjonalnymi jest niezwykle inspirujące.
Teraz chyba naukę tak się właśnie robi?
Rzeczywiście, do przetworzenia jest coraz więcej informacji pochodzących z różnych poziomów złożoności układów biologicznych odpowiadających różnym dziedzinom wiedzy. Poza tym posiadanie sprzętu, wiedza o tym, jak go używać, to nie jest coś, co da się zrobić w jednym laboratorium. Jeśli się chce stosować więcej technik, to współpraca jest jedyną opcją. Obserwujemy duży postęp technologiczny, w mojej specjalizacji ogromny skok nastąpił w ciągu ostatnich 2-3 lat dzięki konstrukcji małych mikroskopów, które się wkłada do mózgu i ogląda bezpośrednio, jakie struktury się aktywują. Badacze, którzy tę metodę stosują, wchodzą do hipokampa i widzą kilkaset, kilkadziesiąt aktywnych komórek, podczas gdy badany zwierzak ma po prostu jakieś małe, praktycznie niewyczuwalne coś na głowie. Żeby nadążać, trzeba się cały czas rozwijać. Bez współpracy to mogłoby być trudne.
Na początku od razu powiedziałaś, że robicie badania podstawowe. To ważne, bo trend jest taki, żeby wciąż podkreślać, jakie coś będzie miało zastosowanie.
Gdy spojrzymy na historię nauki, okazuje się, że większość odkryć i wynalazków wzięła się ze zwykłej chęci poznania. Ktoś coś robił, a przy okazji coś odkrył. To jest ważna lekcja. Trzeba o tym przypominać ludziom, którzy decydują o finansowaniu nauki. Badania podstawowe to potencjał. Byłam w zeszłym tygodniu na zjeździe biomedycznym. Bardzo mało wiemy o chorobach umysłowych. Ani depresja, ani autyzm nie mają jednolitego podłoża. Jedyna droga, żeby poszerzyć naszą wiedzę, to badania podstawowe, a nie te nakierowane na wymyślenie leku. Jest wiele badań, które zdają się nie prowadzić do żadnych konkretnych zastosowań ? jakieś robale, jakieś bakterie? Dobry przykład, jak ważne jest wspieranie badań podstawowych, to świecące bakterie. Technologia z zastosowaniem świecących białek, która zrewolucjonizowała współczesną biologię, wzięła się z tego, że w laboratorium był sobie pan, który badał świecące bakterie. Manipulował białkami. A potem się okazało, że to można wykorzystać. Inna pani badała skorupiaki. Zarzucano jej, że marnuje pieniądze podatnika. A jej badania okazały się mieć bardzo poważne przełożenie na konstrukcję silników samolotów ? skorupiaki mają bowiem mechanizm, który im pozwala wyrzucać powietrze pod dużym ciśnieniem. Przy składaniu grantów, gdy procedura oceny wniosków się kończy i przyznawane są środki na badania, jesteśmy już zwykle w innym miejscu, niż byliśmy w trakcie pisania. Dostajemy pierwsze wyniki, często inne niż się spodziewaliśmy. Są dwie strategie, albo zamiatamy pod dywan i badamy tylko ten jeden mały przewidywany wcześniej kawałek (mało obiecujące), albo zmieniamy cele i idziemy za tym, co nam wyszło. Ja stosuję tę drugą strategię. Badanie buforowania strachu zaczęło się w naszym przypadku od zupełnie innych badań na myszach. Obserwowaliśmy, że gdy do myszy, która już przestała się bać, dołożymy drugą mysz, jej strach gwałtownie wraca. Chcieliśmy powtórzyć ten model, ale u szczura, bo łatwiej. I wtedy się okazało, że szczury przestają się bać. Zrobiliśmy bardzo ciekawe badania, które wywróciły nasze wcześniejsze plany do góry nogami. Naukowcy czasem mają opory przed takimi działaniami, bo co pomyśli grantodawca. Moim zdaniem, warto być elastycznym. Warto też jeździć na konferencje i słuchać, co ludzie robią. To wartość networkingu. W naszej dziedzinie, w odróżnieniu od tych, które przynoszą bezpośrednie zyski finansowe, ludzie przeważnie się dzielą pomysłami, bo napędza nas głównie motywacja poznawcza: prestiż i ciekawość naukowa. Mamy więc kooperację, a nie współzawodnictwo i możemy łączyć siły.
DR HAB. EWELINA KNAPSKA jest kierownikiem Pracowni Neurobiologii Komórki w Instytucie Biologii Doświadczalnej PAN w Warszawie. Jest laureatką programów FNP: KOLUMB (2006) oraz POWROTY/HOMING (2008).