Learn

Kako bolje učiti: Theta za sve!

Doc. dr. sci. Goran Šimić, dr. med.

Djelovanje hipokampalne formacije: Sinaptičke promjene hipokampalnih neurona i Hebbovo
pravilo

Već je dulje vrijeme poznato da gubitak svijesti, elektrokonvulzivna terapija, anestezija, anoksija, pothlađivanje ili neki drugi sličan postupak koji kraće vrijeme onemogućuje djelovanje mozga (u novije vrijeme davanje tvari koje sprečavaju sintezu proteina) dovode do oštećenja kratkotrajnog, ali ne i dugotrajnog pamćenja. Zato je postulirano da kratkotrajno pamćenje posreduju dinamične promjene u oscilirajućim reverberacijskim krugovima, a da se dugotrajno pamćenje očigledno temelji na nekoj trajnoj fizičkoj promjeni. Ovakve fizičke, morfološke promjene, zapravo predstavljaju promjene u stupnju povezanosti izmedu pojedinih neurona i nazivaju se, zajedno sa njima sličnim promjenama koje se najintenzivnije odigravaju tijekom razvitka, fenomenom plastičnosti mozga. Današnji pogledi na konsolidaciju tj. pretvorbu kratkotrajnog u dugotrajno pamćenje imaju svoje korijene u 'perserveracijsko-konsolidacijskoj' hipotezi, koju su izvorno predložili Müller i Pilzecker početkom prošlog stoljeca. Ova hipoteza nudila je objašnjenje da je zaboravljanje nedavno naučenih informacija izazvano učenjem novih informacija. No, hipoteza tzv. 'dvostrukog traga' (dual-trace), koju je predložio Hebb 1949. godine, ponudila je bolju i određeniju teoriju o konsolidaciji pamćenja. Prema ovoj hipotezi, živčana aktivnost potaknuta iskustvom postoji u obliku reverberacijske aktivnosti u neuronskim krugovima, što predstavlja temelj za kratkotrajno pamćenje, ali je takoder i izvor promjena koje dovode do konsolidacije dugotrajnog traga pamćenja.
Bit razumijevanja procesa učenja i pamćenja, a time i sveukupnog djelovanja mozga je kako objasniti globalne promjene u ponašanju kao rezultat aktivnosti, odnosno promjena pojedinačnih stanica. Kako plastičnost neurona (lokalno svojstvo) rezultira učenjem (globalno svojstvo), tj. koje su uzročno-posljedične interakcije na staničnoj razini koje daju temelj reakcijama prilagodbe organizma na vanjski svijet? Ovo je pitanje u biti dio općenitijeg problema kako napraviti inteligentan sustav iz jednostavnih, neinteligentnih dijelova, što je ujedno i ključno pitanje inteligencije strojeva. Ako globalno učenje zavisi od lokalnih promjena, kako onda jedna stanica zna kada se treba promjeniti, koliko i gdje? Srećom, prilikom proučavanja ovih promjena široki raspon strukturalne promjenljivosti stanice može se pojednostavljeno sažeti ograničavanjem na sinapse, budući da svaka promjena uključuje, posredno ili neposredno, sinaptičku promjenu, ili se pak njome može predstaviti.
Na navedeno je pitanje prvi dao načelan odgovor 1949. godine Donald Hebb u svojoj knjizi 'Organizacija ponašanja'. Istovremena aktivacija međusobno povezanih stanica rezultira promjenom sinaptičkih težina (tj. učinkovitosti povezanosti tih dviju stanica putem sinapsi koje one čine), i to tako da će, zbog navedene istovremene aktivacije, vjerojatnost okidanja postsinaptičkog neurona koji dobiva impulse od presinaptičkog neurona biti povećana. Ovaj naizgled jednostavan odgovor omogućuje da povezani događaji budu predstavljeni putem staničnih interakcija, tj. čini mogućim asocijativno učenje pomoću jednostavnog staničnog mehanizma. On je ujedno i općenit odgovor na pitanje kako mozak predstavlja događaje iz svoje okoline, te kako pretvara ove složene predstavke u još složenije. Doslovce izrečeno, Hebbovo pravilo glasi: 'Kada je akson stanice A dovoljno blizu da ekscitira stanicu B ili opetovano ili trajno okida svoje akcijske potencijale na nju, neka morfološka ili metabolička promjena dogodit će se u obje stanice tako da će učinkovitost stanice A, kao one koja okida na stanicu B, biti povećana.'. Dakle, prema Hebbovom pravilu učenja istovremena aktivnost u pre- i postsinaptičkom neuronu ključna je za ojačavanje veze između ta dva neurona. Ovdje treba uočiti da je Hebb postulirao samo načelo, a ne algoritam ili mehanizam. Njegovo je razmišljanje bilo okvir koji je tek trebalo eksperimentalno rasvijetliti budući da on prirodu same promjene sinaptičkih težina nije pobliže odredio. Njegovo načelo učenja odredilo je jedino opće uvjete pod kojima može doći do plastičnih promjena, a to su vremenski i prostorni odnosi izmedu presinaptičkih i postsinaptičkih signala. No, pravilo dozvoljava brojne mogućnosti koje mijenjaju uvjete za postizanje plastičnosti, a da se tako nastale promjene još uvijek mogu nazvati hebovskima. Algoritmi učenja koji implementiraju Hebbovo pravilo precizno i detaljno ođreduju uvjete koji moraju biti ispunjeni da bi se određena informacija pohranila u mrežu neurona. Hebbovo pravilo učenja može se primijeniti putem različitih algoritama, a svaki od njih može biti implementiran različitim fizičkim mehanizmima. Današnje umjetne asocijativne mreže imaju sposobnost učenja iz primjera, a Hebbove su sinapse u njima do danas već uobličene u algoritmima kondicioniranja, asocijativnim mrežama s korekcijom pogreške, razvojnim modelima, itd.. Promjena povezanosti izmedu pojedinih jedinica mreže, npr. prema algoritmu za korekciju pogrešaka ('back propagation error correction'), postepeno dovodi ovakve mreže u stanje u kojem su pogreške minimalne, tj. u stanje u kojem mreža odgovara u skladu sa stvarnošcu s kojom se susreće. Iz navedenog možemo zaključiti da je Hebbovo pravilo omogućilo izradu brojnih modela neuralnih mreža putem oblikovanja asocijacija izmedu podražaja ili obrazaca aktivnosti jedne ili više populacija neurona, jer je dalo preduvjet za stvaranje globalnih asocijacija uz upotrebu informacija dostupnih isključivo na razini lokalnih, individualnih sinapsi.
Kriteriji koji pobliže odreduju hebovsku plasticnost su slijedeci: 1. Plastičnost je specifična za sinapsu gdje se nalazi pre- i postsinaptička aktivnost, 2. Plastičnost jednako ovisi i od pre- i od postsinaptičkog neurona, a nikako od jednog ili drugog posebno, i 3. Plastičnost ovisi isključivo od ovih neurona, a ne od aktivnosti drugih, dodatnih neurona. S obzirom na prvonavedeni kriterij, danas znamo da dugotrajna promjena može biti i svojstvo cijele stanice, u tom smislu da je sinaptička učinkovitost modificirana na svakom sinaptičkom završetku presinaptičke stanice, npr. nekim hipokampalnim neuronima. Buduci da promjenu uživa cijela stanica i da ona nije ograničena na specifičnu sinapsu gdje se odvijala istovremena pre- i postsinaptička aktivnost, ova promjena nije hebovska. S obzirom na drugonavedeni kriterij mehanizme koji ovise samo od stanja jednog neurona (npr. presinaptičkog kod post-tetaničke potencijacije ili postsinaptičkog kod heterosinaptičke potencijacije) ne ubrajamo u hebovske. Neke vrste ovakvih sinapsi ponekad se opisuju kao 'pseudo-hebovske', jer je promjena u sinaptičkoj učinkovitosti još uvijek, općenito govoreći, podložna Hebbovom pravilu. U hebovsku plastičnost ne ubraja se ni presinaptička facilitacija, takva vrst sinaptičke promjene gdje zajednička aktivnost presinaptičkog neurona i s njim povezanog interneurona biva dovoljna za presinaptičku promjenu, iako ovakva promjena dovodi do pojačanog učinka presinaptičkog neurona na postsinaptički. U ovom slučaju zajednička aktivnost pre- i postsinaptičke stanice očigledno nije neophodna niti dovoljna za sinaptičku promjenu. Konačno, Llinas i suradnici pronašli su i takvu vrst promjene sinapse koja je neovisna od aktivnosti presinaptičke stanice (vidi kasnije). Uzimajući u obzir navedene kriterije, vidimo da je u novije vrijeme otkriveno puno varijanti sinaptičkih promjena koje ne podliježu Hebbovom pravilu.

Dugoročna potencijacija hipokampalnih sinapsi

Temeljna hipoteza suvremenih neurobioloških istraživanja je da biološku podlogu procesa učenja i pamćenja predstavljaju trajne promjene sinaptičke učinkovitosti. Dva glavna procesa koji mijenjaju učinkovitost sinapsi su dugoročna potencijacija (long-term potentiation, LTP) i dugoročna depresija (long-term depression, LTD). S obzirom na Hebbovo pravilo, LTP predstavlja klasičnu korelacijsku aktivnost pre- i postsinaptičkog elementa, koja dovodi do povećanja sinaptičke učinkovitosti, dok LTD može nastati bilo kao rezultat korelacijske aktivnosti (ovakva se plastičnost tada naziva anti-hebovska) ili kao rezultat antikorelacijske aktivnosti (homo- i heterosinaptički LTD).
LTP su, proučavajući hipokampus kunića, sasvim slučajno otkrili 1973. godine Bliss i Lomo u Andersenovom laboratoriju u Oslu. Oni su tetanički (100 Hz kroz 1 sekundu) stimulirali perforantni put, tj. primarna aferentna vlakna zrnatih stanica girusa dentatusa i testirali odgovor ovih postsinaptičkih neurona na niskofrekventnu stimulaciju prije i nakon stimulacije. Uspoređujući odgovore stanica prije i nakon kratkotrajne visokofrekventne stimulacije, otkrili su da je postsinapticka podražljivost bila potencirana (oko 250%) nakon prethodne kratkotrajne visokofrekventne stimulacije. Dakle, depolarizacija na kasniji blagi (niskofrekventni) podražaj bila je puno veća nego prije tetaničke stimulacije. Iako povremeni akcijski potencijali iz presinaptičkog neurona na zrnate stanice girusa dentatusa nisu ostavljali nikakvog traga, brza i kratka okidanja dovodila su do LTP njihovih sinapsi što je značilo da su akcijski potencijali iz presinaptičkog neurona nakon toga izazivali njihov pojačani odgovor. Satima, katkad i danima i tjednima (u ovisnosti od broja i intenziteta ponavljanih okidanja), ove su stanice pokazivale potenciranu depolarizaciju. Nešto kasnije je otkriveno da i hipokampalne sinapse na CA3 i CA1 neuronima pri učestaloj aktivnosti pokazuju slične promjene sinaptičke učinkovitosti. Također je pronaden LTP i u perifernim neuronima, vidnom korteksu, te dapače u beskralježnjaka. Za razliku od LTP, potencijacija u trajanju od 20-40 minuta naziva se kratkotrajnom (short-term potentiation, STP), a može se izazvati npr. dodavanjem NMDA na CA1 neurone u mediju (bez istovremene aferentne tetanizacije). Novijim istraživanjima pronađene su i brojne razlicite 'podvarijante' LTP: 'anoksički' LTP, LTP sporog nastanka ('slow onset potentiation') i mnogi drugi.

Uloga NMDA receptora u dugoročnoj potencijaciji

Na molekularnoj razini LTP fenomen posredovan je NMDA receptorima. NMDA (zato jer se aktivira umjetnim analogom glutamata, N-metil-D-aspartatom) receptor-ionofornom kompleksu je endogeni ligand glutamat (pa se stoga i naziva ionotropnim glutamatnim receptorom) putem kojeg se otvara ionski (kationski) kanal. No, on je istodobno i polaritet-ovisan, jer je za njegovo djelovanje, tj. potpuno otvaranje ionskog kanala i ulazak iona kalcija (i natrija) kroz njega potrebna i depolarizacija od otprilike -20 do -30mV (ili više) da bi se odstranili ioni magnezija što privučeni negativnošcu stanične unutrašnjosti sjede ukotvljeni u kanalu. Dakle, ionski kanal NMDA receptora je dvostruko zatvoren. Da bi se on otvorio i omogućio kalciju ulazak u stanicu, moraju istodobno biti zadovoljena dva uvjeta: glutamat mora biti vezan za NMDA receptor, a membrana mora biti depolarizirana (da bi se uklonili ioni magnezija koji blokiraju kanal). Tako je potraga za hebovskom dinamikom na staničnoj razini dovela do otkrića komponente na molekularnoj razini koja je po svom učinku hebovska, a to je NMDA receptor. NMDA receptor za indukciju LTP zahtijeva ispunjenje dvaju uvjeta: 1. vezanje za receptorno mjesto (ovo svojstvo nazivamo specifičnost jer je potencijacija ograničena samo na sinapse koje su bile aktivne za vrijeme tetaničkog podražaja) i 2. prethodnu ili istovremenu depolarizaciju stanice (ovo svojstvo nazivamo kooperativnost jer potencijacija nastaje samo u slučaju kad presinaptička stanica izbija u vrijeme kad je postsinapticka membrana depolarizirana, bilo prethodnim ponavljanim izbijanjem iste presinaptičke stanice ili na neki drugi način). Iz navedenog se vidi da NMDA receptor djeluje kao detektor spregnutog djelovanja, tj. ponaša se prema Hebbovom pravilu. Ovo svojstvo NMDA receptora zato nazivamo asocijativnošću (slična svojstva odgovora na dva neovisna signala ima i adenilat ciklaza u fenomenu presinaptičke facilitacije). Asocijativnost LTP je dokazana i in vivo i in vitro, na preparatima kriški hipokampusa u mediju. Način na koji NMDA receptor posreduje hebovski mehanizam učenja je slijedeći: kainat-kviskvalatni (kainate-quisqualate, K-Q) ili AMPA (jer je alfa-amino-3-hidroksi-5-metil-4-izoksazol propionska kiselina agonist oba ova receptora) receptori na nekoj sinapsi S1, ne mogu sami depolarizirati membranu dovoljno da bi potpuno aktivirali NMDA receptor, tako da depolarizacija mora doći elektrotoničkim širenjem iz neke druge, a visoko aktivirane sinapse S2, smještene u blizini, npr. na susjednoj spini. Kad su obje sinapse aktivirane, i S1 i S2, tada je depolarizacija na S1 dovoljna da bi se NMDA kanal otvorio i dopustio ulazak ionima kalcija i aktivirajaciju enzima kao što su PKC (protein-kinaza C), CaM-dPKII (protein-kinazu II ovisnu o kalcij-kalmodulinskom kompleksu), tirozin kinazu, kalpain, fosfolipazu A2, NOS i druge, koji svojim daljnjim djelovanjem dovode do takve modifikacije sinapse koja pojačava sinaptičku vezu izmedu S1 i presinaptičke stanice (vidi kasnije). Dakle, ako se za vrijeme dok stanica prima ponavljanu stimulaciju putem jedne skupine sinapsi, pojavi jedan jedini akcijski potencijal na nekoj drugoj sinapsi te stanice, ta će sinapsa također doživjeti dugotrajnu potencijaciju. Kažemo, jaki i slabi ulaz bit će spareni: depolarizacija proizvedena jakim ulazom proširit se do mjesta slabog ulaza i tako doprinijeti stvaranju LTP na toj sinapsi (tzv. heterosinapticki LTP). NMDA i non-NMDA receptorski kanali mogu biti smješteni i na istoj spini: depolarizacija dovoljna da otvori NMDA ionski kanal bude proizvedena djelomično pomoću non-NMDA ionskih kanala u samoj spini, jednako kao i putem heterosinaptičkog širenja struje od drugih aktivnih sinapsi. Kao potvrda za navedene tvrdnje služi i činjenica da blokiranje NMDA receptora specifičnim inhibitorima sprečava nastanak LTP (vidi kasnije), iako se uobičajeni sinaptički prijenos i dalje nastavlja. Eksperimentalne životinje tretirane ovakvim inhibitorima pokazuju nemogućnost učenja, ali se inače ponašaju gotovo normalno. Nastanak LTP također se može blokirati i sa EGTA helatom koji veže na sebe ione kalcija. Budući da njegovo injiciranje u postsinaptičku piramidnu stanicu u njoj sprečava porast koncentracije kalcijevih iona, ono također dovodi i do sprečavanja nastanka LTP. U ovom smislu je važno spomenuti i nalaz pozitivne korelacije povećane inkorporacije radioaktivnog kalcija i porasta depozita kalcijevih iona u dendritima s LTP. Jednom kad se NMDA ionski kanal otvori, on ostaje otvoren kroz 100-200 milisekundi. Ovo trajanje je spregnuto s vremenom koliko je glutamat dugo vezan za receptorni protein. U svijetu sinaptičkih događaja, gdje glutamatni kanali budu tipično otvoreni kroz samo 5 do 10 milisekundi kad se za njih veže samo agonist, a membrana nije depolarizirana, 100-200 milisekundi je vrlo dugo razdoblje. Misli se da je ova vremenska konstanta direktno povezana s učinkovitošću učenja, odnosno koordinacijom događaja u kontekstu učenja, i da stoga ima ulogu u asocijativnom pamćenju.

Uloga dušičnog monoksida u dugoročnoj potencijaciji

Dok indukcija LTP ovisi o postsinaptičkoj depolarizaciji, njegovo održavanje zavisi od pojačanog otpuštanja glutamata iz presinaptickog neurona. No, da bi se ovo dogodilo potreban je signal iz postsinaptickog neurona koji bi govorio presinaptičkom aksonskom terminalu da pojača otpuštanje neurotransmitera. Još otkad je Cajal uveo načelo dinamičke polarizacije, pa sve do prije desetak godina, za svaku sinapsu se potvrdilo da se na njoj tijek informacija odvija samo u jednom smjeru. No, fenomen LTP ukazuje da to možda i ne mora biti slučaj, barem ne sa svim sinapsama. Tako je nastala teorija o difuznom (volumskom) retrogradnom prijenosu signala. Buduci da postsinaptički terminal nema mjehurića s pohranjenim neurotransmiterom, pretpostavljeno je da je to vjerojatno neka difuzibilna molekula. Četiri potencijalna kandidata za ovu funkciju bila su: PAF ('platelet-activating factor'), AA (arahidonska kiselina), CO i NO (prije EDRF - 'endothelium-derived relaxing factor'). Nekoliko je skupina istraživaca istodobno i neovisno tijekom 1991. godine došla na različite načine do indirektnih dokaza da je ta molekula najvjerojatnije dušični monoksid (nitric oxide, NO) (a nedavno je slično potvrđeno i za CO). Neki od najvažnijih dokaza za to su bili: 1. kompetitivni inhibitori NOS (nitric oxide synthase) enzima primijenjeni istodobno s tetaničkom stimulacijom aferentnih aksona sprečavaju pojavu LTP, a ovaj se učinak može poništiti istodobnim dodavanjem veće količine L-arginina koji se onda uspješno natječe s inhibitorima za katalitičko mjesto NOS; 2. apsorpcija NO u izvanstaničnoj tekućini putem hemoglobina (veže NO) koji se doda istodobno sa stimulacijom (a ne može ući u stanicu) sprečava nastanak LTP, dok met-hemoglobin nema takav ucinak (jer gotovo uopće ne veže NO); 3. Inhibicija sinteze NO blokira indukciju LTP, dok davanje NO-a pospješuje otpuštanje neurotransmitera iz presinaptičkog neurona; 4. imunocitokemijskim metodama je dokazano da neki CA1 neuroni doista sadrže malu količinu neuronalnog oblika NOS enzima. No, stvaranje NO je nužno samo za indukciju, ali ne i za održavanje LTP, jer primjena inhibitora NOS enzima 20-30 minuta nakon tetaničke stimulacije više ne poništava nastali LTP. Održavanje LTP posredovano je topljivom gvanil-ciklaze (sGC) i ADP-ribozil-transferazom u presinaptičkom neuronu (koje aktivira NO iz postsinaptičkog neurona), a to dovodi do stimulacije sinteze cGMP, tj. pojačanog lučenja neurotransmitera. Dakle, NO je retrogradni glasnik, a sGC je 'receptor' za NO. Djelovanje NO je vrlo kratko jer se on zbog jednog nesparenog elektrona spontano raspada kroz 2-6 sekundi (nastaju nitriti, peroksinitriti itd.), i specifično jer samo neki presinaptički završetci u određenom trenutku imaju na raspolaganju sGC.

Uloga dugoročne potencijacije u učenju

Nakon otkrića LTP, a s obzirom na kliničke nalaze pacijenta H.M. i ostalih, nametnulo se pitanje da li LTP ima veze s učenjem na razini ponašanja? Na ovo pitanje nije bilo jednostavno odgovoriti, jer je LTP prouzročen eksperimentalnom manipulacijom na umjetan način, a ne za vrijeme dok životinja uči neki zadatak. Istraživaci koji su željeli pomnije istraživati LTP, našli su da je puno elegantnije i jednostavnije vršiti ispitivanja na bloku tkiva hipokampusa (obično debljine 200-700 mikrometara) koji se u prikladnom mediju održava 'živim', nego na cijeloj životinji. Tako je in vitro preparacija kriški hipokampusa postala najkorišteniji model za istraživanje različitih fizioloških i farmakoloških učinaka. No, da bi se dao odgovor na pitanja što se u određenom trenutku događa s ponašanjem životinje, bilo je potrebno izvršiti eksperimente na cijelim životinjama. Zato je Richard Morris osmislio niz eksperimenata koji su dali podlogu za stvaranje odnosa izmedu LTP, kakav se vidi u eksperimentalnim uvjetima, i učenja. Dobiveni rezultati, iako ne konačni, potvrdili su na razini ponašanja životinja važnost LTP na sinaptičkoj razini. Eksperimenti su se temeljili na prethodno otkrivenoj tvari AP5 (2-amino-5-fosfonovalerična kiselina, APV) koja je antagonist NMDA receptora i za koju se znalo da blokira indukciju LTP u preparatima kriški hipokampusa. Budući da je AP5 imao takav selektivan učinak na indukciju dugoročne potencijacije, da je taj učinak bio reverzibilan i netoksičan, bio je ujedno i izvanredno pogodan za manipulaciju uvjetima u kojima se testiralo da li su LTP i učenje ovisno o hipokampusu međusobno povezani. Pokazalo se da se indukcija LTP pomoću tetaničke stimulacije in vivo može blokirati s AP5, i da je stupanj te blokade ovisan o dozi. Ovo je bio važan korak, budući da farmakološki profil in vitro i in vivo ne mora biti uvijek isti. Zatim su uslijedili testovi na razini ponašanja cijele životinje u cilju davanja odgovora na pitanje da li će injiciranje AP5 u hipokampus štakora imati utjecaja na njegovo učenje. Da bi se testirala navedena hipoteza, Morris je dizajnirao poznati zadatak u kojem se štakor stavi u veliku okruglu posudu s mutnom vodom (da ne može kroz nju gledati u dubinu). Budući da štakor radije stoji u vodi nego pliva do iscrpljenja, on u zadatku mora naučiti gdje se nalazi uronjena platforma. Početna je pretpostavka bila da bilo kakvo prostorno učenje zahtijeva neoštećen hipokampus. Rezultat je bio da je učenje tzv. 'Morris water-maze' zadatka bilo usporeno aplikacijom AP5, a stupanj usporenja bio je proporcionalan dozi. I ne samo to, već su AP5 krivulja učenja na razini ponašanja i AP5 blokirajuća krivulja bile gotovo identične, tj. pokazivale su pozitivnu korelaciju. Navedeni su rezultati dali potporu hipotezi da je LTP stanični fenomen koji posreduje učenje. Karika koja nedostaje je to što se LTP još uvijek nije uspjelo snimiti in vivo kao rezultat prirodne stimulacije, tj. bez pomoći tetaničke stimulacije koja se daje izvana.

Oblici dugoročne potencijacije

U nizu iznenadujucih rezultata svojih eksperimenata, Llinas i suradnici opisali su u zvjezdastim stanicama drugog sloja entorinalne moždane kore morskog praseta fenomen potencijacije koji je sličio na klasični LTP ako se promatrala pojačana depolarizacija na testni podražaj, no ova je potencijacija bila snimljena u bitno drugačijim uvjetima. Naime, u potpuno istim zvjezdastim stanicama oni su snimili dva razlicita oblika dugoročne potencijacije, jednu hebovsku, a drugu ne-hebovsku. Hebovski učinak je postignut na klasičan način, visokofrekventnom tetaničkom stimulacijom danom na presinaptička vlakna. Ne-hebovski način je postignut injiciranjem 5-Hz-ne oscilirajuće struje u samu postsinaptičku stanicu, kroz oko 20 sekundi. Unutar 30 sekundi od početka stimulacije, stanica je razvila potencirani odgovor, i ta je potencijacija bila klasičnog LTP tipa. Struja frekvencije 5 herca primijenjena je zato jer je theta ritam hipokampusa 4-8 Hz, a eksperimentalnom stimulacijom željelo se oponašati ulaz koji bi zvjezdasti neuron dobivao dok životinja istražuje svoju okolinu. Ovaj je nalaz važan i zanimljiv jer ukazuje na procese koji izabiru što u struji iskustava treba zapamtiti. U Llinasovim eksperimentima je za izazivanje LTP-ja bila dovoljna samo depolarizirajuća elektrotonička struja, tj. upravo izravno širenje struje električnim vođenjem u tekućini dendrita, bez stvaranja AP, ali je bitno uočiti da je ta struja bila oscilirajuća, a ne stalna. Tako proizveden, ovaj oblik LTP-a ('aroma'), nazvan je 'čokolada' LTP jer nije sličan hebovskom prototipu LTP-ja koji je dobio ime 'vanilija' LTP. Za 'čokolada' LTP nije potreban visokofrekventni presinaptički ulaz u cilju da bi nastao LTP, odnosno da bi nakon toga i blagi presinaptički impuls bio potenciran. Dakle, Hebbov uvjet za zajedničku, istovremenu pre- i postsinaptičku aktivnost nije ispunjen. Također, kod 'čokolada' LTP sve su sinapse stanice koja prima oscilirajuću struju zahvaćene promjenom (dok su kod 'vanilija' LTP promijenjene samo one sinapse u direktnoj komunikaciji s presinaptičkom stanicom). I 'vanilija' i 'čokolada' LTP mogu se blokirati s AP5, što govori da su NMDA receptori uključeni u nastanak obiju vrsta. Kada se pak AP5 aplicirao nakon indukcije 'čokolada' LTP, poništavao je potencijaciju sve dok je bio prisutan, ali kad se AP5 aplicirao prije oscilirajuće struje smanjivao je stanicni EPSP na testni podražaj. To znači da je uloga NMDA receptora u 'čokolada' LTP ključna i za održavanje i za izazivanje LTP, što ukazuje da je cjelokupni odgovor nakon potencijacije nastao putem NMDA receptora. No, to također znači da postoji NMDA komponenta čak i prije nego se primijeni oscilirajuća struja, vjerojatno zbog prisutnosti izvanstaničnog glutamata. Naime, NMDA receptor nije savršeno zatvoren za vrijeme mirovanja, budući da ion Mg2+ može ispasti i prije nego li slijedeći dođe na njegovo mjesto, pa može nastati curenje iona Ca2+ u unutrašnjost stanice. Dosadašnji su pokušaji indukcije čokolada LTP u CA1 bili neuspješni.
Ako imamo na umu njegovu pretpostavljenu funkciju koincidentnog detektora, zašto bi NMDA imao i ulogu izvan 'vanilija' LTP? 'Čokolada' LTP nema svojstvo koje čini vaniliju toliko zanimljivom, a to je specifičnost potenciranih sinapsi. Zašto bi jedna te ista stanica imala i hebovsku i ne-hebovsku komponentu, obje posredovane NMDA receptorima? Odgovor koji predlažu Llinas i suradnici je taj da je ne-hebovski LTP vjerojatno uključen u neka druga stanja vezana za učenje, npr. uz pažnju. Pažnja ima važnu ulogu u procesu pamćenja, ali nije sama po sebi ekvivalent pohrane informacija. Npr. za vrijeme eksploracije posude sa skrivenom platformom, ako želi zapamtiti gdje se platforma nalazi, štakor treba obratiti pažnju na objekte ('orijentire') koji se nalaze okolo platforme. Zato je pretpostavljeno da neke, s pažnjom povezane projekcije entorinalnog korteksa, preko talamusa i cingularnog korteksa, možda aktiviraju određene kortikalne kolumne koje odgovaraju različitim vrstama osjetnih informacija na koje treba usmjeriti pažnju. Kada subpopulacija neurona koja je potencirana na ovaj način primi ulazni signal osjetnim putovima, njihovi odgovori bit će potencirani. Stoga, izgleda, ipak postoji određena specifičnost u tome koji su ulazni signali uključeni u 'čokolada' LTP, dok 'vanilija' postiže još veću specifičnost u ojačanim sinapsama. Kako se zna da su zvjezdolike stanice drugog sloja entorinalne moždane kore oscilirajuće same po sebi, pretpostavka je da eksperimentalno izazvane ritmičke depolarizacije izazivaju: 1. oslobođanje NMDA kanala, što je normalno, uz pretpostavku da postoji raspoloživost glutamata, i 2. rezoniraju s intrinzičkom frekvencijom stanice. Ova rezonancija omogućuje komparativno veće poraste koncentracije Ca2+ unutar stanice, a posljedično se depolarizacija može širiti daleko niz membranu dendrita, možda uzrokujući oslobađanje susjednih NMDA kanala. Jedna takva NMDA kaskada značila bi selektivni porast NMDA komponente staničnog ekscitacijskog postsinaptičkog potencijala. Dakle, NMDA receptor ne treba dovoditi isključivo u vezu s hebovskom plastičnošću jer on ima brojne druge uloge od uloge u razvitku ovisnom o aktivnosti (što također može biti indirektno u odnosu sa učenjem na različite načine), pa do uloga koje u svojoj biti nemaju nikakve veze s učenjem. Neki od zanimljivih nalaza u tom pogledu su npr. da normalni odgovor stanice na vidni podražaj ovisi o NMDA receptoru ili pak da AP5 reducira nastanak okulodominantnih kolumni.

Održavanje dugoročne potencijacije

U stvaranju i održavanju dugotrajne potencijacije sinapsi pored NMDA receptora veliku ulogu igraju i dendritičke spine. Spine obično na sebi imaju jednu, ponekad i više ekscitatornih sinapsi. Ako je sinapsi više, katkad neke mogu biti i inhibitorne, ali se nikadinhibitorna sinapsa ne nalazi sama na spini. Kada se NMDA kanal otvori, koncentracija Ca2+ u spini promijeni se samo za 10 puta ili manje u odnosu na stanje mirovanja. Već otprije znamo da LTP neće nastati ako presinaptička vlakna budu stimulirana malim frekvencijama, npr. 5 Hz. No, na 100 Hz LTP je vrlo jak. Dakle, postoji stimulacijski prag ispod kojega se ne događa potencijacija, i iznad kojega dolazi do dramatične potencijacije. Kako onda objasniti da je mali porast Ca2+ dovoljan za nastanak LTP? Izgleda da barem dio rješenja ovog problema leži u ustroju kalmodulina. Na niskim razinama koncentracije kalcija, neki kalmodulini imat će neka od svoja 4 vezna mjesta za Ca2+ popunjena, a vrlo rijetki sva četiri (što dovodi do aktivacije molekule). Ako se koncentracija udvostruči, odjednom ima dovoljno kalcija da bi ispunio preostala neispunjena mjesta kalmodulinskih molekula. Tako nastaje nagla promjena u broju aktivnih kalmodulinskih molekula: mala promjena u razini Ca2+ proizvesti će veliku promjenu u razini aktivirane Ca-kalmodulinske molekule - koncentracija aktivirane Ca-kalmodulinske molekule povećat će se skoro na četvrtu potenciju koncentracije kalcija. Aktivirani kalmodulini zatim induciraju različite protein-kinaze što u konačnici dovode do LTP. Budući da je glava spine ekstremno mala - ima oko 1 mikrometar u dijametru, i relativno mala promjena u broju kalcijevih iona unutar unutarstanicnog prostora spine dramatična je promjena u lokalnoj koncentraciji. Tako koncentracija iona kalcija u spini može porasti za deset puta sa samo oko 1000 iona kalcija. Tako malena glavica spine ('minijaturni kemijski reaktor') i njezin uski vrat pridonose amplifikaciji kalcijskog signala. Fluorescentne boje osjetljive na koncentraciju kalcija dale su direktnu potvrdu navedenih činjenica.
Najvažnije dosad otkrivene postsinapticke promjene odgovorne za održavanje LTP su: 1. povećana raspoloživost postsinaptickih receptora, putem demaskiranja glutamatergickih receptora (aktivacijom o kalciju ovisne proteaze kalpaina) i alosteričke promjene receptora (povećava se osjetljivost na glutamat); 2. NMDA-inducirana promjena membrane dendritičke spine (uključuje promjenu genske ekspresije i sintezu proteina de novo); 3. morfološke promjene spine posredovane reorganizacijom citoskeleta. No, za održavanje LTP neophodne su i presinapticke promjene. Dosad pronađene presinapticke promjene, možda odgovorne za LTP, su: 1. povećano otpuštanje neurotransmitera zbog pojačanog utoka kalcija; 2. promjena u autoreceptorima (presinaptickim receptorima); 3. promjena (zatvaranje) kalijevih kanala putem forbol estera što produžuje djelovanje akcijskog potencijala; 4. povećana aktivacija inozitol-trifosfatnog puta; 5. fosforilacija proteina GAP-43 (growth associated protein, prije F1 i B50) koji učestvuje u rastu aksonskog završetka; 6. aktivacija i premještanje PK-C u sinaptosomalne membrane itd..
Već 1973. godine Bliss i Lomo primijetili su da je pored potencijacije na sinapsi, sam prag za izazivanje šiljka ekscitacijskog postsinaptičkog potencijala smanjen kad signal uđe na potenciranu sinapsu. Ovo zapažanje je potvrđeno snimanjem potencijala unutar dendrita CA1 piramidnih stanica hipokampusa. Jedina moguća interpretacija je da jedna komponenta vanilija LTP nastaje zbog promjene negdje u stanici, a koja je u nekakvoj uzročnoj vezi s potencijacijom na sinapsi. Stoga bi trebalo načiniti daljnje razdvajanje izmedu sinaptičkog LTP i izvansinaptičkog LTP. Po daljnjoj analogiji aroma, koja je mnemotehnicki lakša od akronima, ova je potencijacija nazvana 'preljev od jagode' budući da je to vanilija plus još nešto. Iako mehanizam za ovu 'aromu' još uvijek nije točno poznat, pretpostavlja se da je posredovana putem polaritet-ovisnih Ca2+ kanala (a koji nisu NMDA kanali) smještenih na dendritičkim granama. Specifične promjene u ovim kanalima mogu pridonositi izvansinaptičkom LTP jer omogućuju da se signal koji dođe na potenciranu sinapsu prenese do aksonskog brežuljka.
Piramidne stanice CA3 područja hipokampusa pokazuju LTP koji izgleda ovisi o polaritet-osjetljivom receptoru koji nije NMDA kanal-receptor kompleks. Kao što smo već naveli, CA3 piramidne stanice imaju tri glavne linije ekscitatornog ulaza: 1. mahovinasta vlakna što dolaze od zrnatih stanica, 2. vlakna perforantnog puta iz entorinalnog korteksa i 3. povratne kolaterale iz hipokampusa obiju hemisfera. Naročito kod mahovinastih vlakana, LTP se ne može blokirati sa AP5, što je gotovo siguran dokaz da je profil LTP koji nalazimo ovdje drugačiji, pa se označava s 'non-NMDA LTP'. I ovaj nalaz govori u prilog da postoje različite vrste LTP, vjerojatno prilagođene jednistvenim anatomskim vezama.

Dugoročna depresija hipokampalnih sinapsi

Pod pretpostavkom da postoji mehanizam, kao što je LTP, za osnaživanje veza izmedu sinapsi, onda vjerojatno postoji i suprotan mehanizam za smanjivanje sinaptičke snage koji služi da se izbjegne saturacija, tj. da sve sinapse na kraju dodu u stanje maksimalne snage. U odsutnosti ponavljanog korištenja veze mogu postepeno oslabiti tijekom vremena, a neki takav proces mogao bi korelirati s postepenim zaboravljanjem na psihološkoj razini. Oslabljivanje veza izmedu sinapsi ipak se ne bi trebalo direktno povezivati samo s psihološkim fenomenom zaboravljanja, jer je redukcija sinaptičke snage pod određenim uvjetima neophodna komponenta učenja novih informacija.
Dugotrajnu depresiju (long-term depression, LTD), kao suprotnu stranu LTP, najprije je otkrio u malom mozgu Masao Ito, a do danas je dokazana i u hipokampusu, neokorteksu, strijatumu, nukleus akumbens, itd.. Heterosinapticki LTD izgleda ima ulogu u normalizaciji, tj. podešavanju stanica tako da one budu saturirane LTP promjenama, dok je homosinaptički LTD više selektivan i stoga bi se moglo pretpostaviti da ima ulogu u otklanjanju nepotrebnih informacija. Stanton i Sejnowski prvi su 1989. godine snimili homosinaptički LTD u CA1 piramidnim stanicama: na uobičajen način je najprije izazvan LTP, visokofrekventnom stimulacijom Schafferovog puta, a zatim je struja injicirana u postsinaptičku stanicu tako da negativno korelira s presinaptičkom aktivacijom. Korelirana postsinaptička hiperpolarizacija CA1 neurona sa stimulacijom sinapsi na CA1 dovela je do LTD specifičnog za aktivirani put, dok je sparivanje postsinaptičke depolarizacije sa sinaptičkom stimulacijom proizvelo za sinapsu homosinaptički LTP. Desmond i Levy našli su heterosinapticki LTD u obrnutim uvjetima: kad je postsinaptička stanica bila depolarizirana, presinaptička je bila inaktivna. Stoga, kao funkcija prirode antikorelacije, bilo sinapse bilo cijele stanice, potencijacija očigledno ima dva smjera. Ponovna visokofrekventna stimulacija iznova potencira stanicu (repotencijacija). Homosinaptički LTD može se blokirati s AP3 (2-amino-3-fosfonopropionska kiselina), koji kao i AP5 blokira NMDA receptorom posredovani LTP. Mogući korelat na funkcionalnoj razini za homosinaptički LTD moglo bi biti raskidanje prethodno postojeće veze između događaja A i B putem kompeticije i prevladavanjem nove veze izmedu dogadaja C i B. No, ovu pretpostavku još uvijek treba uzeti s rezervom jer homosinaptički LTD nije tako jak kao LTP, pa neki laboratoriji koji rutinski proizvode LTP imaju velikih poteškoća da bi proizveli LTD. Snage stimulacije i temperatura medija variraju od laboratorija do laboratorija, a još uvijek nisu poznati svi uvjeti koji su točno potrebni da bi se izazvao homosinapticki LTD. Proučavajuci homosinaptički LTP u vidnom korteksu, Singer i suradnici pronašli su vrlo zanimljive uvjete pod kojima se može izazvati homosinaptički LTD u piramidnim stanicama korteksa u preparatu kriške u mediju. Kao i u prethodnom opisu, oni su mogli proizvesti vanilija LTP u postsinaptičkim stanicama. Zatim su našli da mogu proizvesti bilo LTP ili LTD pažljivim podešavanjem depolarizirajuće struje koja se daje postsinaptičkoj stanici u kombinaciji s povećanjem unutarstanične koncentracije kalcija. Iznad određenog depolarizirajućeg praga, stanica pokazuje LTP, a ispod jednog, dosta niskog praga, nikakvu dugotrajnu modifikaciju nije moguće zapaziti. No, izmedu tih dviju vrijednosti postoji uski prozor gdje depolarizirajuća struja točno određene snage izaziva LTD. LTD prag je vrlo strm - ako se ništa ne događa, neće doći do promjene jer će voltaža biti ispod praga za LTD. Singer pretpostavlja da znak sinaptičke promjene (LTP, LTD, bez promjene) zavisi od ravnoteže izmedu depolarizirajucih i hiperpolarizirajucih struja na sinapsi. Prema njegovoj analizi, LTD bi mogao imati asocijativnu funkciju, ali onu smanjenog, a ne povećanog sinaptickog povezivanja koje predstavlja povezane događaje. LTD se može izazvati čak i u neaktivnim sinapsama, ako uslijed antidromičke ili heterosinaptičke aktivacije poraste unutarstanična koncentracija kalcija na točno određenu razinu. Ovakav uvjet za nastanak sinaptičke promjene očigledno ne podliježe Hebbovom pravilu, a naziva se ABS pravilo (od Artola-Bröcher-Singer). Slično, BCM pravilo (od Bienenstock-Cooper-Munro), koje takoder sadrži bifazičku (i pozitivnu i negativnu) sinaptičku promjenu, a postulirano je na temelju nalaza u vidnom korteksu u razvitku, ukazuje da su mehanizmi sinaptičkih promjena ovisnih o iskustvu tijekom razvitka i u zrelom korteksu vrlo slični. Teorijski gledano, jasno je da se više informacija može pospremiti u mrežu gdje postoje sinaptičke modifikacije u oba smjera, i LTP i LTD. Odstranjivanje irelevantnih činjenica iz dugotrajnih sjećanja je jedna od stvari koju postižemo bez napora i općenito bez svjesnog odlučivanja, no to je ipak primjer jednog od najsloženijih djelovanja živčanog sustava, jer zadržavanje u sjećanju samo važnih činjenica zahtijeva široko znanje o prošlim dogadajima kao i inteligentno predviđanje. U Lurijinoj knjizi 'Um mnemonicara', detaljno je opisan covjek S. (od Shereshevski) koji nije mogao ništa zaboraviti - nehotice je pamtio sve dosadne i nezanimljive detalje svakog pojedinog iskustva, sve do posljednjeg slova nekog članka ili razgovora koji su se dogodili davno prije. S-ov mozak bio je hendikepiran neredom koji su mu stvarale gomile pospremljenih nevažnih činjenica i pojmova zajedno s važnima, pa je bio paraliziran poplavom asocijacija kad god bi poželio nešto napraviti. Da li je kod S-a bio poremećen proces LTD zasad nije moguće odgovoriti.
Neuropsihološki podaci dobiveni od bolesnika H.M., R.B., N.N. i drugih ukazali su da ablacija hipokampusa ne oštećuje ozbiljno pamćenje za događaje koji su se dogodili određeno vrijeme prije lezije. Iz toga se zaključilo da sam hipokampus nije mjesto trajne pohrane informacija koje se mogu prizvati u svijest neko vrijeme nakon ekspozicije. Dapače, čini se da hipokampus na neki način 'uči' korteks, dok korteks, koji je možda sporiji učenik manje detaljnih, a više kategorijalnih reprezentacija, postepeno uzima i integrira važne aspekte hipokampalnog pamćenja. Iako je postulirano da tzv. kratkotrajno pamćenje (short-term memory, STM) dovodi do promjene ucinkovitosti sinaptickih veza samo putem aktivacije sustava drugih glasnika, a dugotrajno pamcenje zahtijeva aktivaciju rano i kasno aktivirajucih gena s posljedičnom alteracijom genske ekspresije i sintezom proteina de novo, te morfološke promjene spina i sinapsi, treba ipak uočiti da su svi navedeni procesi međusobno ovisni i povezani u jednistvenom vremenskom i prostornom kontinuumu. Tako npr. sustav drugih glasnika može regulirati i gensku ekspresiju i posttranslacijsku promjenu proteina.

Modeliranje neuralnih mreža hipokampusa

Iako postoje brojni modeli kojima se pokušava objasniti djelovanje hipokampusa, jedan od najboljih je onaj Edmunda Rollsa.Rolls je medu prvima pokazao kolika je sličnost izmedu anatomije hipokampusa i umjetnih asocijativnih mreža. CA3 područje predstavlja jednu takvu mrežu. U njoj mahovinasta vlakna služe kao grubo specificirani ulaz, gušći i direktan perforantni put odreduje finiju diskriminaciju, a kolaterale omogućuju poboljšavanje obrazaca reprezentacija, te kompletiranje onih koji su djelomični. Tako se npr. asociranje prostornog smještaja nekog objekta postiže pravilnom modifikacijom sinaptickih težina trostrukim ulazom u matriks piramidnih stanica CA3 područja. CA1 područje, koje prima signale od CA3 neurona, mjesto je gdje se odvija funkcija daljnje klasifikacije i kompeticije informacija koje dolaze iz CA3 piramidnih neurona putem Schafferovih kolaterala. Na taj način se postiže općenitija i 'ekonomičnija' (jer je za kodiranje određenog događaja potrebno svega nekoliko CA3 neurona) reprezentacija događaja iz okoline. U isti matriks može biti pospremljeno mnogo asocijacija, sve dok ulazni vektori nisu previše slicni jedan drugome. Lako je matematički dokazati da ovaj model asocijativne nedeklarativne pohrane pamćenja ima izuzetna svojstva, od kojih su najvažnija slijedeća: 1. učenje može nastati iz samo jednog pokušaja; 2. pohranjena informacija je raspodijeljena na brojne sinapse tako da je prisjećanje relativno otporno na šum ili oštećenje; 3. ulazni obrasci (reprezentacije) slični vec postojećim ulaznim vrijednostima daju slične izlazne reprezentacije već pohranjenim izlaznim vrijednostima, što je oblik generalizacije. Pretpostavlja se da Schafferov sustav povratnih kolateralnih veza omogućuje privremeno pohranjivanje informacija u matriks CA3 neurona, a koje se onda putem CA1 podrucja, subikularnih neurona i dubokih slojeva entorinalnog korteksa trajno pohrane u asocijativnim područjima neokorteksa. Prizivanje u svijest ovako pohranjenih sjećanja može se izvršiti djelovanjem prefrontalnog korteksa. Autoasocijacijski matriks omogućuje da se događaji koji se istovremeno odvijaju u različitim dijelovima korteksa povežu tako da tvore jedno sjećanje koje opisujemo kao epizodičko. Svaka epizoda definirana je spregom niza dogadaja (npr. što, gdje, s kim...) i sastoji se od asocijacija navedenog niza događaja. Zašto se onda CA3 područje evolucijski nije više povećalo? Vjerojatno zato jer je bilo nemoguće održati visoku razinu povezanosti tako da se bilo koji događaj može reprezentirati okidanjem malog broja CA3 neurona. Budući da svaka CA3 piramidna stanica ima ograničeni broj sinapsi (oko 10000), ukupan broj stanica u matriksu ne može se povećati, a da ne ide na štetu povezanosti izmedu stanica. Zbog svoje međusobne povezanosti matriks CA1 neurona i CA3 neurona čini tzv. mrežu iznad mreže tj. opet se na proizvoljan način može odvijati povezivanje (nekoliko proizvoljnih istovremenih okidanja CA3 neurona bude asocirano izmedu CA1 piramidnih stanica tako da tvori jednu epizodu ili 'whole scene' sjećanje), čime na kraju cijelo sjećanje konvergira na manji broj CA1 stanica koje imaju i dokazanu funkciju vodica za pohranu informacija, tj. konsolidaciju u neokorteksu. Nigdje u mozgu ne postoji na takav način povezana mreža neurona kao u CA3 području. Djelomična misao ili natuknica (partial clue) koja dođe iz korteksa ili neki drugi podražaj (događaj), preko CA3 mreže aktivira navedene povratne projekcije do mjesta u korteksu koja su u mreži povezana s istom natuknicom/objektom/dogadajem. Da bi autoasocijacijski matriks CA3 mreže ispravno funkcionirao, važno je da depolarizacija proizvedena sinaptičkim ulazom na jednom dijelu dendrita bude učinkovita i na drugim dijelovima dendrita, tako da čak i udaljene aktivne sinapse 'osjete' postsinapticki uvjet za ispunjenje Hebbovog pravila. Ovaj je uvjet ispunjen putem LTP kooperativnosti - njome se dozvoljava promjena učinkovitosti sinapse samo onda kad je postsinaptička membrana već depolarizirana - ova nelinearnost znači da će biti pohranjene samo one korelacije izmedu jako aktiviranih CA3 stanica čime se uz maksimalan kapacitet smanjuje interferencija. Ova kooperacija odvija se izmedu aktivnih sinapsi na različitim mjestima duž postsinaptičke membrane tako da aktivne sinapse na neuronu mijenjaju svoju snagu (učinkovitost) jedino onda kad su i druge sinapse aktivne na istom dendritu. Ovo dovodi do postsinaptičke aktivacije koja omogućuje stvaranje asocijacija na temelju vremenske povezanosti između bilo kojeg niza povezanih aferentnih impulsa. Zapravo, ogroman broj sinapsi povratnih kolaterala CA3 neurona omogućuje korelativno okidanje uzduž cijelog informacijskog prostora na koji naiđu (pri tome CA1 neuroni služe za kompletiranje, tj. rekonstrukciju cijele asocijacije, jer veliki dio CA1 neurona ima svojstvo 'stanice koje pamte mjesta' ('place cells') u prostoru). Zbog navedenih se činjenica misli da je odgovor na pitanje gdje se nalaze engrami deklarativog pamćenja slijedeći: u odsutnosti intaktnih limbičkih krugova, reprezentacije se mogu zadržati i prizvati samo u razdoblju od nekoliko sekundi (ova je sposobnost posredovana plastičnošću samih asocijativnih dijelova korteksa), a za dugotrajno pamćenje potrebna je konsolidacija pri kojoj limbički neuroni postaju dijelovi neuronskih mreža koje kodiraju odnosno predstavljaju određene reprezentacije - znanja. Ovaj odgovor objašnjava Penfieldove eksperimente stimulacije dijelova limbičkih struktura kad je kao odgovor dobiveno 'svjesno' ponovno proživljavanje složenih događaja, te rezultate električnog snimanja aktivnosti hipokampalnih neurona (prije samog odstranjenja epileptičkih žarišta) koji su davali specifične odgovore pri prikazivanju npr. lica ili rijeci. Očigledno da su snimani hipokampalni neuroni bili tijesno povezani sa neuralnim mrežama koje kodiraju informacije o licima i riječima. Stoga se doista može reći da hipokampus zapravo predstavlja i kognitivnu mrežu prostornih obilježja jer oštećenje hipokampusa onemogućuje izvršenje zadataka koji zahtijevaju upotrebu prostornih 'orijentira', a aktivnost nekih hipokampalnih neurona korelira s prostornim položajem eksperimentalne životinje. Za jedan dio ovih neurona je ustanovljeno da su precizno topografski raspoređeni s obzirom na vidno polje, pa su nazvani 'stanicama koje pamte mjesta' ('place cells'). 'Place cells' ne zavise od jednog osjetnog modaliteta već čine funkcionalno heterogenu skupinu neurona budući da su pronađene i takve vrste ovih stanica koje selektivno okidaju samo u zavisnosti od toga u što (tj. u koji objekt) životinja gleda ('view-sensitivity cells'), te u zavisnosti od aksijalne rotacije životinje ('whole body motion cells'). U sklopu navedenih činjenica, moguće je zamisliti da sinhrona okidanja 'place cells' i 'view-sensitivity cells' služe prisjećanju gdje se neki objekt u prostoru nalazi. Eksperimentalni podaci također potvrđuju da se hipokampus bavi i semantičkim reprezentacijama, dakle radi se ne samo o mreži prostornih, nego i semantickih obilježja.

Hipokampalni ritmovi i hipoteza učenja u dva koraka

Aktivnost živčanog sustava praćena putem EEG-a otkriva nam 4 glavne vrste oscilacija: 1. alfa valovi (f=8-12Hz) koji se kod normalnih odraslih osoba javljaju ponešto asimetrično iznad zatiljnih i parijetalnih režnjeva s zatvorenim očima u stanju mirovanja; 2. po otvaranju očiju ili fiksiranju pažnje naglo dolazi do 'blokiranja', tj. desinhronizacije, i nastaju srednje brzi beta valovi (f=13-30Hz) koji odražavaju psihičku aktivnost ('daily rock-and-roll'), a vide se simetrično iznad čeonih režnjeva; 3. theta valovi (f=4-8Hz) smatraju se normalnim samo ako se javljaju povremeno simetrično iznad prednjih dijelova sljepoočnih područja i ako su umjerenih amplituda; inače spori valovi upućuju na prisutnost stranih tvorbi npr. tumora; i 4. delta valovi (f=1-3Hz), kao i oštri valovi ne nađu se u EEG-u normalnih osoba. Kad osoba zaspi, ritam kortikalnih valova simetrično se uspori (<1Hz) i vide se karakteristični oblici (oštri valovi i vretena). Pritom treba podsjetiti da je stanični temelj oblika valova koje daju populacije stanica sinhronost sinaptičkih, a ne akcijskih potencijala. Sinaptički potencijali odražavaju vremenski sinhroniziranu aktivnost jedne populacija neurona na drugu, što nam daje uvid u njihovu koordiniranu aktivnost, tj. funkciju. Izvanstaničnim snimanjem sinaptičkih potencijala populacija neurona hipokampusa in vivo razlikujemo dva makroskopski različita obrasca: 1. oštre valove (sharp waves, SPW) i 2. theta valove. Oni su odraz utjecaja različitih aferentnih signala koji dolaze na hipokampalne neurone.
SPW su nepravilni (0.02 - 3 Hz) valovi velikih amplituda (1-3 mV) koji se snime u stratum radiatum CA1 područja. Javljaju se u budnom stanju za vrijeme mirovanja, konzumatornog ponašanja (jedenje, pijenje, sjedenje, njegovanje), te dubokog sporovalnog spavanja, prolazno kroz razdoblje od oko 40-100 msek kao rezultat sinhrone ekscitacije apikalnih dendrita CA1 neurona Schafferovim kolateralama CA3 neurona. Organizacija mreže neurona CA3 područja s ekstenzivnim povratnim kolateralama omogućuje im istovremena sinhrona izbijanja. Ova izbijanja direktno su povezana sa organiziranim izbijanjima populacija CA1 neurona. Iako su SPW bez određenog periodiciteta, ipak su koincidentni s visokofrekventnim (200 Hz) oscilacijama unutar piramidnog sloja stanica. S ovim je oscilacijama također u fazi i okidanje interneurona piramidnog sloja, i okidanje neurona dubokih slojeva entorinalnog korteksa.
Theta valovi (4-12 Hz) manjih su amplituda od oštrih valova, a javljaju se u ekperimentalnih životinja za vrijeme budne napetosti i eksploratorne lokomotorne aktivnosti (njuškanje, podizanje na stražnje noge, hodanje bez odredenog cilja), te za vrijeme REM ('rapid eye movements') faze sna. Theta ritam hipokampusa otkriven je iste godine kad je dan i prvi opis H.M. pacijenta. Nazvan je još i RSA - ritmička spora aktivnost ('rhytmic slow activity'). Već u svom originalnom članku iz 1954. godine, Green i Arduini opisali su da oštećenje septalnih jezgara dokida hipokampalni theta ritam. Nekoliko godina iza toga dokazano je da su projekcije medijalne septalne jezgre i jezgre dijagonalnog Brokinog tračka neposredno odgovorne za generiranje hipokampalnog theta ritma. No, većina autora razlikuje 2 vrste ponašanja u eksperimentalnih životinja kod kojih je moguće snimiti theta ritam. Theta ritam koji je povezan sa eksploracijom okoline, podizanjem na stražnje noge i borbom, otporan na vrlo visoke doze antagonista muskarinskih receptora (atropin sulfat) i odstranjenje kolinergičkih jezgara, te theta ritam koji se snimi za vrijeme dok se životinja odmara, a lako se može dokinuti atropinom ili skopolaminom. Ova, na atropin osjetljiva theta aktivnost, također se javlja i za vrijeme anestezije uretanom ili eterom. Zato se misli da je projekcija iz medijalne septalne jezgre u hipokampus neophodna samo za na atropin-osjetljivu komponentu theta ritma, dok prostoje indirektni dokazi da atropin neosjetljiva komponenta zavisi od serotoninergičkih raphe projekcija. Theta ritam inače predstavlja jedan od najsinhroniziranijih ritmova u intaktnom središnjem živčanom sustavu, a posredovan je NMDA receptorima. Theta ritam u hipokampusu usklađuje obrazac okidanja neurona hipokampusa i entorinalnog korteksa, ali također istovremeno sinhrono koordinirajući njihovu aktivnost s brojnim drugim područjima mozga: septumom, hipotalamičkim jezgrama, jezgrama moždanog debla i drugima. Hipokampalni theta ritam nastaje uslijed unutarstaničnih struja piramidnih neurona, te interakcija s neuronima lokalnih neuronskih krugova koji im omogućuju da rezoniraju u ritmu aferentnih vlakana, prvenstveno ulaza iz medijalne septalne jezgre. Sinhrone fluktuacije membranskog potencijala piramidnih i zrnatih stanica hipokampusa, koje čine theta valove, nastaju sinhronom ekscitacijom distalnih dendrita (ekscitacijski postsinaptički potencijali) kojoj prethodi vremenski bliska inhibicija some ovih stanica (inhibicijski postsinapticki potencijali). Za razliku od oštrih valova, theta aktivnost u hipokampusu i priležećim dijelovima entorinalnog korteksa ovisna je od neurona medijalne septalne jezgre.
Povezivanje hipokampalnog theta ritma s učenjem nastalo je kad se u eksperimentima na životinjama putem kirurškog odstranjivanja fimbrija i forniksa ustanovilo oštećenje pamćenja. Zbog toga su uslijedile pretpostavke da je možda theta ritam optimalan za nastajanje LTP, tj. postavilo se pitanje da li i kad postoji sinkronicitet u aktivaciji populacija neurona hipokampusa, i u kakovoj je relaciji taj sinkronicitet prema LTP. Ako je neka aktivnost prirodni ekvivalent onog što je tetanicki podražaj za LTP, iz toga bi se moglo predvidjeti da bi ta aktivnost trebala imati svojstva slična eksperimentalnom LTP podražaju: 1. trebala bi biti relativno jaka, po mogućnosti s izbijajućim obrascem; 2. trebala bi uključivati istovremenu aktivaciju većeg broja stanica; i 3. ovi uvjeti trebali bi biti zadovoljeni kada su neuobičajeni događaji nastupili nedavno, npr. nagrađujući ili kažnjavajući podražaj. S obzirom na to da su oštri valovi relativno jači od theta valova, da uključuju sinhronu aktivaciju brojnih stanica, i da se javljaju za vrijeme 'tihe' faze nakon eksploratornog ponašanja, oštri valovi mogli bi biti prirodni ekvivalent eksperimentalnih uvjeta koji dovode do dugotrajne potencijacije. U istraživanju ove mogućnosti, pronađeno je da eksperimentalni tetanički podražaj koji proizvodi LTP također in vivo dovodi i do pojačanja oštrih valova. Ovo pojačanje traje kroz nekoliko dana i vidi se i kod oštrih valova koji su bili rezultat odgovora na testni podražaj i kod spontano nastalih oštrih valova. Sve to upućuje na zaključak da je posljedica dugotrajne potencijacije povećani sinkronicitet u odgovorima stanica. Kod eksperimentalnog izazivanja oštrih valova u CA3 području in vitro, izbijanja CA3 populacije neurona budu potencirana. E sad, u skladu s hipotezom 'dvostrukog traga' o stvaranju engrama pamćenja putem početnog procesa kodiranja vanjskih reprezentacija elekričnom aktivnošću neurona i posljedičnom konsolidacijom, koja uključuje različite metabolicke procese, pretpostavka je da se početno kodiranje informacija koje stižu iz multimodalnih asocijativnih područja putem parahipokampalnih aferentnih vlakana, događa unutar hipokampalnih krugova za vrijeme kad se snime theta sinaptički potencijali, dok se konsolidacija nakon toga događa u krugovima unutar i izvan hipokampusa za vrijeme oštrih valova. Anatomska i funkcionalna segregacija ovih komplementarnih obrazaca izbijanja, oštrih i theta valova, nalazi se u području entorinalnog korteksa. Za vrijeme oštrih valova, skupa sa hipokampalnim piramidnim stanicama izbijaju neuroni dubokih (V i VI), a ne površnih (II i III) slojeva entorinalnog korteksa, dok su neuroni površnih slojeva (II i III) entorinalnog korteksa fazno povezani s theta oscilacijama neovisno o izbijanjima neurona dubokih slojeva (V i VI) za vrijeme SPW. Dakle, za vrijeme eksplorativne aktivnosti (theta valovi) putem neurona površnih slojeva entorinalnog korteksa informacije se prenose iz neokorteksa u hipokampus, dok se za vrijeme konzumatornog ponašanja i sporovalnog spavanja (oštri valovi) sinhroniziranim okidanjem neurona CA3, CA1 i subikularnog podrucja, signali preko dubokih slojeva entorinalnog korteksa prenose natrag u neokorteks. Površni i duboki slojevi neurona entorinalnog korteksa međusobno su povezani, što entorinalnom korteksu omogućuje samopodržavajuću reverberacijsku aktivnost. Ova je aktivnost najvjerojatniji uzrok nastanka statusa epileptikusa kod epilepsije sljepoočnog režnja.
Sumarno, hipoteza učenja sastoji se od dva koraka: 1. Theta ritam: istraži i iskusi ('explore and experience' ili 'on line'); 2. Oštri valovi: odmori se i konsolidiraj ('off line'). U prvoj fazi brzo okidajuće zrnate stanice konvergirjući na CA3 piramidne neurone proizvode slabu i prolaznu heterosinaptičku potencijaciju. Za vrijeme ovog stadija, piramidne stanice također primaju ritmičku inhibiciju koja dolazi iz septuma. Pri tom je obrazac potencijacije u CA3 stanicama funkcija obrasca ulaza iz neokorteksa, čime se stvara privremena pohrana informacija. Kako je izlaz CA3 piramida utihnut za vrijeme ove prve faze, CA1 stanice nisu aktivirane putem CA3 piramidnih stanica. U drugoj fazi, tj. kad prestane eksploratorno ponašanje, CA3 stanice budu oslobođene septalne inhibicije i tad se prazne vlastitim sinhronim izbijanjima ('coupled barrage firing'), tako da izbijaju najprije one koje su bile zadnje aktivirane. Na modelu je dokazano da su povratne veze CA3 piramidnih stanica neophodne za sinhronost izbijanja. Ekscitacija se tako povratnim kolateralama širi i na manje aktivne, ranije podražene stanice, koje zatim također izbijaju. Ova je druga faza većinom regulirana putem subkortikalnih struktura (intrahipokampalno injiciranje monoamina pojačava izbijanja CA3 stanica, pri tom ne mijenjajući oblik izbijanja), a u njoj hipokampus pohranjuje u korteks sve dogadaje proteklog dana (Buzsaki ovo naziva 'hipokampalnom kompresijom vremena'). Kad se oštri valovi bilježe u svjesnom stanju, za to vrijeme izgleda nije moguće nikakvo prisjećanje.
Hijerarhijska organizacija izbijanja oštrih valova iz populacije CA3 stanica ovisi o prethodnom stanju CA3 mreže. CA3 stanice su slabo potencirane završecima mahovinastih vlakana kao rezultat uzastopnih aktivacija za vrijeme eksploracije. Kao što je već rečeno, izbijanje populacije CA3 stanica započeto je najpotenciranijom stanicom, a zatim se ekscitacija progresivno širi na manje potencirane neurone. Tako se veliki dio neurona aktivira polisinaptičkom reverberacijom. Povratna konvergirajuća ekscitacija bude najveća na stanici koja je inicijalno bila najpotenciranija, ali također u manjoj mjeri postoji i na drugim stanicama koje su bile dovoljno jako potencirane. Tako izbijanja CA3 piramidnih neurona na neki način 'uče' CA1 mrežu o asocijacijama izmedu nedavno doživljenih podražaja, a pritom najskorašnjiji 'događaji' bivaju prvi i najjače signalizirani. Posljedično CA1 stanice prolaze kroz dugotrajnu modifikaciju, stvarajući pojačane sinaptičke veze koja predstavljaju korelaciju, npr. izmedu željene platforme u mutnoj vodi i određene prostorne lokacije u posudi.
Jedan od neposrednih mogućih zaključaka koji slijede iz Buzsakijeve hipoteze je to da će retencija zadatka biti bolja ako nakon nje slijedi epizoda spavanja ('If the lecture is nice and deep, audience should fall asleep'), nego ako je zadatak praćen daljnjom kontinuiranom aktivnošću, budući da se oštri valovi manifestiraju naročito za vrijeme dubokog sna. Oštri valovi snimljeni su u covjeka, no ponekad ih je teško razlikovati od interiktalnih (onih koji se pojavljuju izmedu napadaja) šiljaka koji se vide u EEG-u bolesnika s epilepsijom. Zbog svojih karakterističnih svojstava povezanih s procesom zapamćivanja, neuroni piriformnog korteksa, hipokampusa, amigdala, i drugih struktura sljepoočnog režnja, uz poneki rizični genetski ili vanjski čimbenik (npr. povišena temperatura), pokazuju izrazitu sklonost prema epileptičkim izbijanjima.

Kako postići stanje pojačane prijemčljivosti prije učenja

Iako još uvijek nije poznat mehanizam, već se dugi niz godina zna da zvučni valovi niskih frekvencija izazivaju theta ritam hipokampusa (a do stanja pojačane 'svijesti' su na taj način iskustvenim putem došli i npr. budisti koji meditiraju u spiljama gdje strujanje zraka proizvodi ovakve zvukove). Tako su se od konca 80-tih godina, najprije u Sjedinjenim Američkim Državama, a zatim i drugdje po svijetu počeli masovno prodavati 'uređaji' za pospješivanje učenja (već u prvoj godini prodano je više od milijun primjeraka). 'Uređaj' se najprije sastojao samo od kazete za walkman na kojoj su bili snimljeni izmjenjujući tonovi niskih frekvencija, a zatim su dodane i crne naočale na kojima su s unutrašnje strane naočala bile pričvršćene dvije crvene lampice (pri korištenju kapci trebaju biti spušteni). Treperenje ovih lampica pospješuje prevođenje ostalih (vidnih) dijelova korteksa iz beta u kvalitetniji alfa ritam (tko je koristio nek se javi sa svojim iskustvima). Uglavnom, prije učenja je potrebno najprije se smiriti (ovo ste možda vidjeli/radili u nekim školama stranih jezika), a zatim provesti desetak minuta slušajući zvukove niskih frekvencija (najsličnije šumu slapa), da bi doveli vaše hipokampusiće u theta ritam, što će omogućiti bolji utok informacija u hipokampalnu mrežu, a ovaj učinak bi trebao trajati barem oko sat vremena. Kasnije su slični 'uređaji' do te mjere komercijalizirani da su se skupa s zvukovima niskih frekvencija za indukciju theta valova s njima počeli prodavati i programi za samoozdravljenje, bolji seks i tome slično, no učinak ovih potonjih nije znanstveno istražen.

Sve u svemu, ovdje su vam dvije datoteke u wav-u, pustite na kompu ili bilo kojem playeru, pa poslušajte prije učenja ili predavanja. I naravno, koristite ih na vlastitu odgovornost!

theta (trajanje 9 min. i 9 sek.)

theta2 (trajanje 2 min. i 19 sek.)

A sad kad ste spremni za primanje informacija, porazgovarajmo i o drugim aspektima učenja.

Zamišljanje (imaginacija) je proporcionalno snazi pamćenja

Prve sustave koji su se koristili kao pomoć u zapamćivanju nalazimo već u starih Grka (Aristotel). Zvali su ih mnemonicima, u čast božice pamćenja Mnemosyne. Temeljno načelo koje su otkrili jednako vrijedi i danas: Sve ono što se želi zapamtiti treba povezivati (asocirati) s nečim već stabilnim u vlastitom mentalnom okruženju. Zato najprije treba učiti velike, poznate i konkretne stvari, a tek onda postupno na njih nadovezivati one nepoznate i apstraktne (učenje npr. malih ogranaka žila i živaca već pri prvom susretu s anatomijom klasični je primjer pogrešnog učenja). Jednako tako, dijete treba učiti govoriti, čitati i pisati tako da se pri svakome od tih procesa započne s riječima koje označavaju konkretne pojmove, npr. mama, tata, ruka, noga, jabuka itd., a tek mu se kasnije objasne npr. pojedina slova koja čine riječ (jer su apstraktnija). Imaginacija ili sposobnost zamišljanja neograničena je i univerzalna. To je interna reprezentacija koja daje iskustvo percipiranog u odsutnosti odgovarajućeg osjetnog podražaja, a stupanj njezinog korištenja proporcionalan je snazi pamćenja (statistički je dokazano da ljudi koji tvrde da imaju bujnu maštu bolje pamte od onih koji tvrde da je nemaju). Zamišljenje i percepcija tijesno su povezani. Na primjer, vid čovjek prvenstveno koristi za raspoznavanje objekata i njihovih dijelova, kretanje kroz prostor, te praćenje pokretnih objekata (a prema potrebi ih i izbjegava ili presreće). Slično, jedna svrha zamišljanja je prepoznavanje svojstava objekata koje zamišljamo, što nam dopušta pristup zapamćenim informacijama, npr. pri odgovoru na pitanje je li hipokampus veći od talamusa? Većina ljudi tvrdi da najprije 'vizualizira' navedene objekte i zatim ih 'pogledaju' ("unutrašnje oko mozga") da bi odgovorili na postavljeno pitanje. Ovakvo zamišljanje najčešće je korišteni postupak u procesu prisjećanja svega onoga što se ne može izričito podrazumijevati niti dedukcijom jednostavno zaključiti iz ostalih činjenica. Druga funkcija zamišljanja paralelna je perceptivnoj sposobnosti praćenja: zamišljanje je način anticipiranja (pretpostavljanja) što bi se dogodilo ako bi se čovjek pomaknuo na određeni način ili ako bi se nešto drugo pomaknulo u odnosu na njega. Primjerice, moguće je zamisliti neki predmet i 'vidjeti' ima li za nj mjesta u nekom drugom objektu, ili pak mentalno projicirati putanju objekta 'videći' gdje će on na kraju završiti. Čovjek je također sposoban upotrijebiti ovu svoju sposobnost zamišljanja u službi apstraktnijeg mišljenja i učenja. Einstein je tako rekao da je njegova prva ideja o relativitetu nastala kad je zamislio sebe kako hvata zraku svjetlosti i 'vidi' kako ona konačno izgleda kad je dostigao njezinu brzinu. Zamišljanje također pojačava mehanizme specijalizirane za procesiranje specifičnih osjetnih modaliteta. Ovaj se zaključak temelji na nalazima da zamišljanje selektivno interferira s percepcijom u istom modalitetu. Na primjer, zadržavanje u svijesti neke zamišljene slike više kvari vidnu percepciju nego auditornu, ali zadržavanje nekog zvučnog fenomena ima obrnuti učinak. Zamišljeni objekti se po mnogo čemu ponašaju kao i stvarni: Vrijeme potrebno za rotaciju zamišljenog objekta povećava se s veličinom (količinom) objekta koji zamišljamo, jednako kao što bi se to dogodilo da se stvarni objekt rotira. Iako sami zamišljeni objekti nisu stvarni predmeti da bi se morali pokoravati zakonima fizike, naši su mehanizmi za zamišljanje razvijeni tako da oponašaju stvarne fizičke događaje. Dapače, proces 'gledanja' zamišljenih objekata iskrivljuje stvarnu percepciju na puno načina. Tako se npr. vrijeme potrebno da bi se 'vidjeli' dijelovi zamišljenih objekata povećava što su objekti zamišljeni u manjoj veličini. Ova činjenica nas vodi do zaključka da su objekti u zamišljenim slikama podvrgnuti prostornoj sumaciji i da se trebaju zamišljati što većima (ili većima nego što jesu) da bismo ih se lakše sjetili, te prizvali sve njihove detalje (tipično, većina ljudi tvrdi da moraju 'zumirati' zamišljenu sliku da bi vidjeli male dijelove zamišljenog objekta). Slično, vrijeme potrebno za pretraživanje cijelog zamišljenog objekta ili scene povećava se linearno s udaljenošću koju treba pretražiti, odnosno s brojem dijelova koji čine zamišljeni objekt (što ujedno potvrđuje da se dijelovi zapamćene slike pamte pojedinačno, a aktiviraju kod prisjećanja istovremeno).

Kapacitet vidnog pamćenja neusporedivo je veći od verbalnog

Objekti tj. slike pamte se neusporedivo bolje nego riječi, tj. vidno pamćenje bolje je od verbalnog. To je prvi put eksperimentalno dokazao Anderson početkom 70-tih. Zdravim ispitanicima dobrovoljcima (čitaj: studentima) najprije je pokazao 100 dijapozitiva, svake sekunde po jedan. Nakon pauze od 5-10 minuta, testirao je njihovo vidno pamćenje tako da im je pokazivao različite dijapozitive, a oni su morali reći da li su određeni dijapozitiv već vidjeli ili ne. Rezultat je bio da su odgovorili točno na oko 98% pitanja. Zatim je broj dijapozitiva povećavan na 1000 i više (kao i pauze tijekom eksperimenta), ali je stupanj retencije je ostao jednak (za prosječno 983/1000 dijapozitiva su ispitanici točno odgovorili da li su ih vidjeli ili ne (ovaj put je Anderson posvetio i više pažnje pripremi dijapozitiva, tako da oni budu što čišći, tj. sa što manje suvišnih detalja koji odvlače pažnju). Na taj način je utvrđena linearnost vidnog kapaciteta pamćenja (zasićenost informacijama nastupa vrlo kasno), što nije bio slučaj s verbalnim pamćenjem. Ako možemo prizvati u svijest izgled nečega što neka riječ predstavlja, ta će riječ biti bolje zapamćena nego ako predstavlja neki teško vizualizirajući pojam (npr. riječ 'pravda'). Štoviše, upućivanje ispitanika da pri učenju što više koriste zamišljanje poboljšava njihovo pamćenje. No, i vrsta slike koja se tako oblikuje vrlo je važna: npr. parovi riječi bolje se pamte ako se imenovani objekti zamišljaju na neki način u interakciji jedan s drugim, nego ako se zamišljaju odvojeno u prostoru. Zamišljanje samog sebe u izvršavanju neke aktivnosti također pomaže u zapamćivanju, pogotovo ako se zamišljena aktivnost povremeno izvršava i u stvarnosti (tako dobiva temelj u vlastitom mentalnom okruženju).

Mnemotehnička načela: Informacije koje se želi zapamtiti treba "obojiti"

Informacije koje se žele zapamtiti treba na neki prikladan način "obojiti", bilo bojom ili pak emocijama, brojem, rasporedom ili redoslijedom, te svakako preuveličati. Kako seksualni doživljaji spadaju među najjače emocije, sve ono što se s njima povezuje bolje se pamti. Uvođenje rasporeda ili redoslijeda među pojmove koji se uče također povećava brzinu prisjećanja. Pobrojavanje načelima rasporeda i redoslijeda dodaje još veću specifičnost i efikasnost. Zamjena uobičajenih ili dosadnih pojmova, činjenica ili slika koje se žele zapamtiti onima koje imaju određenije značenje također povećava vjerojatnost njihovog prisjećanja. Što su mnemotehničke slike smješnije i apsurdnije, tj. specifičnije i do neke mjere nerealističnije, dulje će se pamtiti. Ovo načelo također vrijedi i za pravljenje bilješki: treba izabrati ili izmisliti one riječi koje su dovoljno specifične da asociraju na samo jedan jedini događaj. Zapamćivanjem svega nekoliko takvih riječi, njihovim kasnijim prizivanjem bit će moguće 'izvrtiti' cijelu priču.Dodavanje kretanja (2-dimenzionalnog ili, još bolje, 3-dimenzionalnog) objektima mnemotehničkih slika također povećava broj zapamćenih objekata. Najbolji učinak u tom pogledu ima zamišljanje sebe (što manjega, jer će onda zamišljene strukture biti veće) između struktura koje se žele zapamtiti (npr. spuštanje niz aortu kao niz tobogan). Jedan od mogućih primjera prilikom učenja neuroznanosti moglo bi biti zapamćivanje režnjića malog mozga prema zamišljenoj mnemotehničkoj formuli: "Govoreći sam sa sobom -1. Lingula, počnem hodati iz centra grada -2. Lobulus centralis, prema Sljemenu -3. Culmen, a zatim se spustim nizbrdo - 4. Declive, putem uzmem u ruku list - 5. Folium, u njega zamotam krumpir - 6. Tuber, te ga stavim na piramidu - 7. Pyramis, pa sve zajedno zamotam u maramicu i na njenoj resici - 8. Uvula, zavežem čvor - 9. Nodulus". O nekom predmetu zapamćivanja treba pokušati dobiti što više različitih osjetnih informacija, po mogućnosti istovremeno ili u kratkom vremenskom razdoblju (synaesthesia). Npr. bolje će se zapamtiti prilikom sekcije na lešu gdje se nalazi neki živac ako ga se istovremeno i gleda i opipa. Dakle, pri percepciji vanjskih podražaja treba povezivati i koristiti sve raspoložive osjete, no treba također razvijati i što veću osjetljivost svakog pojedinog osjeta jer se time poboljšava sposobnost zapažanja. Pozitivne i ugodne slike i događaji bolji su za potrebe zapamćivanja jer ih mozak 'želi' ponoviti. Negativne predodžbe i sadržaji, čak i ako se na njih primijene sva navedena načela, mogu biti nesvjesno blokirane zbog izazivanja osjećaja neugode, pa se mozak 'ne želi' na njih vraćati, nego ih se podsvjesno 'rješava'. Iz istog razloga se često događa i 'blokiranje' na ispitu, najčešće kao posljedica učenja bez motivacije. Prije samog odgovaranja na ispitu najbolje bi bilo autosugestijom (vježbom je može naučiti svatko) opustiti se (jer, prolongirane stresogene situacije su nezdrave i dovode do psihosomatskih oboljenja - ulkus, infarkt, kolitis, miopija itd. itd., uglavnom oko 60% svih dijagnoza u medicini može biti prouzročeno na ovaj način, ali o tome više neki drugi put), te na isti način podići samopouzdanje (još je čuveni francuski liječnik-psihoterapeut Emile Coué 1902. godine u svom priručniku savjetovao: ujutro po buđenju i navečer prije usnivanja tri puta poluglasno reći samom sebi: "Svakog dana, u svakom pogledu, sve više napredujem").

Pravljenje bilješki (ekscerpata) je bolje od podcrtavanja

Podcrtavanje za vrijeme učenja dvostruko usmjerava pažnju, a podcrtanim tekstom bolje se ističu glavne misli gradiva. Pa ipak, nedostatci podcrtavanja uglavnom su veći od navedenih koristi. Naime, na početku učenja je podcrtavanje (pa i pravljenje bilješki) štetno jer narušava slijed upoznavanja cjeline teksta. Također, budući da postoji nesigurnost u podcrtavanju važnog od nevažnog, na početku će se podcrtati jedno kao važno, u drugom navratu drugo, i na kraju, bit će podcrtano sve kao važno. No, budući da navika podcrtavanja može povećati fokusiranost pažnje, dobro je podcrtati samo ključne riječi, ali nikako cijele rečenice ili odlomke. Budući da su načini usvajanja različiti, pogrešno je učiti iz tekstova koje su podcrtavali drugi. Prikladnija metoda od podcrtavanja teksta je izrada bilješki - izvadaka, ili još bolje stukturiranog podsjetnika.

Primjeri strukturiranog podsjetnika

Iako je podcrtavanje najjednostavnije i iziskuje najmanje vremena, pisanjem izvadaka ili strukturiranog podsjetnika ('mind map') postiže se trajniji i vrijedniji učinak budući je samo pravljenje ovakvih bilješki važan dio učenja pri kome se nastoji osmisliti pročitana građa. Time se utvrđuju glavne misli i obrazloženja, te izdvajaju i pojašnjavaju važni dijelovi. Kako je pri tome potrebno shvaćanje i prosuđivanje sadržaja, postiže se najvrijednija razina učenja: smisleno svladavanje sadržaja uz njegovo uklapanje u vlastito razmišljanje. Osim toga, jednom dobro načinjeni izvodi ekonomiziraju učenje jer skraćuju ponavljanje. Na predavanjima nije dobro raditi bilješke jer je gotovo nemoguće temeljito i s razumijevanjem pratiti predavanje i u isto vrijeme praviti dobre bilješke - često se tada nepotpuno i loše radi oboje. Najbolje je samo slušati i pratiti i možda zabilježiti samo glavne misli, one koje predavač sam naglasi ili koje sami smatramo prijeko potrebnim, povezujućim. No, da bi se mogao provesti taj odabir, potrebno je pripremiti se za djelotvorno praćenje.

Repetitio mater studiorum est

Ponavljanje nikako ne smije biti puko višekratno čitanje teksta, već treba uključivati utvrđivanje i promišljanje. Ponavljanje naučenog trebalo bi se vršiti neposredno prije nego se zapamćeno počne brzo gubiti. Prvo ponavljanje je zato najbolje napraviti 15-20 minuta nakon učenja koje je trajalo oko jedan sat. Ono bi, prema pravilno napravljenim bilješkama, trebalo trajati otprilike desetak minuta. Na ovaj način će se zaštititi zapamćeno od zaborava za otprilike jedan dan. Tad bi trebalo napraviti drugo ponavljanje za što je potrebno oko 5 minuta. Nakon ovog ponavljanja retencija zapamćenih sadržaja bude visoka kroz tjedan dana, kad se napravi treće ponavljanje u trajanju od nekoliko minuta. Ovo ponavljanje, zajedno s četvrtim ponavljanjem nakon mjesec dana, obično je dovoljno za trajno zapamćivanje.

Krivulja zaboravljanja dobivena sumacijom i ekstrapoliranjem rezultata različitih psiholoških istraživanja učenja

Zbog navedenih, empirijski utvrđenih činjenica, savjetuje se da bi najmanje četvrtinu do polovinu od ukupno predviđenog vremena za učenje trebalo utrošiti na utvrđivanje i ponavljanje gradiva. Pri tome, prvo ponavljanje treba biti cjelovita revizija načinjenih bilješki (odbacivanje nepotrebnih, dodavanje zaboravljenih, te njihovo oblikovanje u definitivnu bilješku). Drugo, i sva sljedeća ponavljanja, treba napraviti bez gledanja bilješki tako da se na čisti list papira napiše sve čega se može sjetiti. Tek kad se ovo učini, napravi se provjera u odnosu na izvorne bilješke. Na ovaj način izvršeno ponavljanje ima najbolji kumulativni učinak na pamćenje. Kod svakog slijedećeg ponavljanja treba izabrati samo složenije gradivo jer se tako dodatno uštedi vrijeme. "Kampanjsko" učenje tj. zgusnuto usvajanje informacija (turnusna nastava) višestruko je štetno jer su stupanj i opseg konsolidacije (pogotovo većih kolegija) puno manji nego kod vremenski dobro raspoređenog učenja, a također dolazi do umora i zasićenosti, pa opada motivacija (je li vam ovo već poznato?). Bez ponavljanja većina se informacija zadrži samo na podsvjesnoj razini ('a-ha, sad sam se sjetio kad ste Vi rekli", "na vrhu mi je jezika, ali..." i sl.) i one se ne mogu upotrijebiti za stvaranje novih asocijacija pri učenju novih sadržaja (autoasocijacijski matriks hipokampusa se puni i prazni, bez trajne konsolidacije u neokorteksu). Kao i kod načina usvajanja, i ponavljanje će biti učinkovitije ako se primijeni više načina ponavljanja, npr. čitajući (u sebi i naglas) i slušajući (drugoga ili sebe - najbolje svojim riječima). Usmenim ponavljanjem sadržaja stječe se također i umijeće samostalnog govorenja i izlaganja usvojenih sadržaja, a istodobno se sadržaj i promišlja, te podiže samopouzdanje. U ovu svrhu je još uspješnije ponavljanje u grupi, jer se bolje pamti ono o čemu u razgovoru raspravljamo, bez obzira da li ispitujemo ili tumačimo. Pa ipak, broj članova grupe nikako ne smije biti veći od 4-5 jer, inače, netko ostaje prepasivan ili je rad neozbiljan. Za ovaj način rada također je nužna i prethodna priprema.

Brzina učenja može se povećati svladavanjem brzog čitanja

Vještina brzog čitanja sastoji se od vježbanja usvajanja cjelina misli, a ne pojedinih riječi koje je onda potrebno povezivati (slično kao što dijete pri čitanju čita pojedina slova jedno za drugim, pa ih tek onda povezuje u riječ). Ovakvo čitanje treba zapravo shvatiti kao svjestan odabir. Ono se postiže širenjem vidnog polja (za što postoje posebne vježbanke u kojima je tekst napisan u razmaknutim stupcima), povećavanjem brzine ritmičnog pomaka očiju, povećavanjem brzine prostorne orijentacije, smanjivanjem broja vraćanja pogleda ("backskipping"), smanjivanjem subvokalizacije (tj. čitanja naglas ili u sebi - jednako vrijedi i za pažljivo slušanje) i drugim postupcima. Najvažnije od svega je da se pročitano odmah pretvara u slike (predodžbe), zamisli ili asocijacije i zatim pamte te slike, a ne riječi! Stoga se može zaključiti da je za brzo čitanje presudan prijelaz pažnje s riječi na smisao potiskivanjem svijesti od verbalnosti teksta (onaj koji brzo čita nije niti svjestan na kojem jeziku čita). I pored dokumentiranih slučajeva velikih ubrzanja nakon završenih trotjednih tečajeva, npr. i do 600% za tekstove općeg tipa, a za stručne članke i knjige 100-200% (a uz provjereno podjednak stupanj retencije informacija), ove rezultate treba uzeti s oprezom. Sam stupanj mogućeg ubrzanja vrlo je individualan i ovisi od predhodnog znanja, poznavanja latinskog i grčkog, itd.. Što se samog sadržaja teksta tiče, važan je prijelaz na selekciju i razlikovanje važnog i nevažnog, poznatog od nepoznatog, logičnog od nelogičnog, očekivanog od neočekivanog. Želim vam puno uspjeha u učenju!