Nasza pamięć może zależeć od… wielkości źrenicy

Nawet niewielkie zmiany wielkości źrenic mogą sygnalizować, jak skutecznie działają procesy pamięciowe w naszych mózgach – wykazali polscy badacze. To ustalenie może w przyszłości otworzyć drogę do prostych, nieinwazyjnych metod monitorowania pracy pamięci.

Zaburzenia pamięci należą do najbardziej charakterystycznych objawów starzenia się mózgu, choroby Alzheimera, padaczki czy wielu schorzeń psychiatrycznych. Dlatego naukowcy od lat poszukują wiarygodnych wskaźników, które pozwolą śledzić zachodzące w mózgu procesy pamięciowe w czasie rzeczywistym.

Najdokładniejszych informacji w tym zakresie dostarcza śródczaszkowa elektroencefalografia (iEEG). Polega ona na umieszczeniu elektrod bezpośrednio na powierzchni mózgu lub w jego głębszych strukturach. Dzięki temu można rejestrować aktywność neuronów z niezwykłą precyzją w czasie i przestrzeni. Jest to jednak metoda bardzo inwazyjna, stosowana wyłącznie u pacjentów wymagających leczenia neurochirurgicznego, najczęściej z powodu padaczki.

Naukowcy szukają więc narzędzia, które byłoby równie czułe, ale znacznie prostsze i bezpieczniejsze. Może okazać się nim pupilometria, czyli pomiar wielkości źrenicy.

Ludzkie źrenice reagują nie tylko na światło. Ich średnica zmienia się pod wpływem aktywności układu nerwowego oraz działania neuroprzekaźników odpowiedzialnych za uwagę, pobudzenie i uczenie się. W ostatnich latach coraz więcej badań wskazuje, że zmiany wielkości źrenicy są także wskaźnikiem procesów pamięciowych.

– Pupilometria nie jest tak powszechnie stosowana jak metody śledzenia wzroku. Śledzenie wzroku jest dużo łatwiejsze technicznie i stosowane nie tylko w goglach rzeczywistości wirtualnej czy wzmocnionej do gier komputerowych, szkoleń, monitorowania uwagi, wspomagania niepełnosprawności czy diagnostyki i terapii medycznych, ale także w osobistych urządzeniach z dobrymi kamerami, jak w naszych telefonach. Pupilometria wymaga natomiast dużo bardziej zaawansowanych kamer na podczerwień i algorytmów do szacowania wielkości elipsy źrenicy w czasie rzeczywistym. Niewiele systemów potrafi rzetelnie mierzyć rozwartość źrenicy, a to właśnie ona jest oknem na świat procesów poznawczych umysłu, które odzwierciedla – powiedział PAP dr hab. Michał T. Kucewicz z BioTechMed Center Politechniki Gdańskiej.

Naukowcy Politechniki Gdańskiej, Politechniki Czeskiej w Pradze i amerykańskiej Mayo Clinic sprawdzili, czy zmiany wielkości źrenicy rzeczywiście odzwierciedlają aktywność mózgu zarejestrowaną wcześniej za pomocą najbardziej zaawansowanych standardowych metod neurofizjologicznych. Wyniki Opublikowali w Scientific Reports.

W eksperymencie uczestniczyło siedmiu młodych pacjentów z lekooporną padaczką, którzy mieli już wszczepione elektrody do monitorowania napadów. Dzięki temu badacze mogli jednocześnie rejestrować aktywność mózgu i obserwować zachowanie źrenic bez wykonywania dodatkowych zabiegów.

Uczestnicy wykonywali klasyczne zadanie badające pamięć epizodyczną. Najpierw oglądali listę rzeczowników wyświetlanych kolejno na ekranie. Następnie rozwiązywali krótkie zadanie matematyczne, które miało odciągnąć uwagę od zapamiętanych słów. Na końcu przez 30 sekund próbowali przypomnieć sobie jak najwięcej wyrazów.

Każdą z takich serii traktowano jako jedną, oddzielną próbę. Jeśli uczestnik przypominał sobie pięć lub więcej słów, próbę klasyfikowano jako udaną. Gdy przypominał sobie cztery lub mniej, jako słabszą pod względem pamięciowym.

– Nasze wyniki pokazują, że dzięki pupilometrii procesy poznawcze umysłu są wykrywalne na paręset milisekund wcześniej, zanim widzimy ich efekt w funkcjonowaniu pamięci pacjenta – wyjaśnił PAP dr Kucewicz, który jest współautorem publikacji.

Zmiany wielkości źrenic pozwalały przewidzieć, czy badany dobrze zapamięta daną listę słów. Różnice wielkości źrenicy pojawiały się jeszcze zanim słowo do zapamiętania zostało pokazane – około 400–600 milisekund wcześniej. Podczas odtwarzania podobny efekt pojawiał się też 100–300 ms przed wypowiedzeniem zapamiętanego słowa.

Okazało się, że źrenice były równie czułym, a często nawet wcześniejszym sygnałem zwiastującym zapamiętanie słowa niż analizowane sygnały z elektrod umieszczonych w mózgu. Efekt związany ze źrenicami był silniejszy niż w przypadku 92 proc. analizowanych wskaźników EEG podczas zapamiętywania słów i 96 proc. podczas ich odtwarzania.

Autorzy przypuszczają, że zarówno zmiany aktywności mózgu, jak i zachowania źrenicy odzwierciedlają działanie wspólnego układu regulującego uwagę i pobudzenie.

Szczególną rolę w tym procesie może odgrywać niewielka struktura pnia mózgu produkująca noradrenalinę, czyli miejsce sinawe (locus coeruleus). Odpowiada ona za poziom czujności, koncentrację oraz przygotowanie mózgu do przetwarzania nowych informacji. Wiadomo z wcześniejszych badań, że aktywność tego ośrodka jest też powiązana z rozszerzaniem i zwężaniem źrenicy.

Jeżeli wyniki potwierdzą się w większych badaniach, pupilometria może znaleźć wiele praktycznych zastosowań.

Ponieważ pomiar źrenicy jest tani, szybki i nieinwazyjny, mógłby służyć do monitorowania funkcji poznawczych u osób starszych, pacjentów z chorobami neurologicznymi czy osób poddawanych rehabilitacji. W przyszłości podobne pomiary mogłyby zostać zintegrowane z okularami, goglami lub urządzeniami mobilnymi, które na bieżąco oceniałyby stan uwagi i pamięci użytkownika.

Badacze zwracają uwagę, że w eksperymencie uczestniczyło jedynie siedem osób, wszystkie cierpiały na lekooporną padaczkę, a porównania prowadzono z wykorzystaniem stosunkowo prostych wskaźników aktywności mózgu. Nie wiadomo, czy podobne zależności będą równie dobrze widoczne podczas innych rodzajów zadań pamięciowych lub u zdrowych osób.