Vísindamenn hafa á síðustu árum borið kennsl á 30 gen sem í stökkbreyttri mynd gera mýs hæfari til að muna, læra og leysa þrautir. Þessi stökkbreyttu gen veita heilanum betri möguleika á að aðlagast svo hann geti hámarkað straum boðefna er þarf til að muna tiltekin atvik eða leysa þrautir. Verkun þessara stökkbreytinga má í sumum tilvikum einnig ná með kemískum efnum á eðlileg gen og þar sem mýs eru um margt líkar mönnum er þetta kjörið tækifæri til að þróa lyf sem geta styrkt andlega eiginleika okkar. Nú þegar er lyfið rítalín vinsælt hjá heilbrigðu fólki sem ekki þjáist af ADHD (ofvirkni og athyglisbresti) þar sem það eykur bæði einbeitingu og minni. En það er nokkur hætta á bakslagi til lengri tíma litið, þar sem bæði erfðabætur og lyf geta haft ófyrirsjáanlegar afleiðingar.

Vísndamenn skapa klókar mýs

Doogie er lítil, brún og mjúk og líkist öllum öðrum músum. Og svo lengi sem hún fær að lifa áhyggjulausu lífi í búri á rannsóknarstofu hegðar hún sér nákvæmlega eins og tegundafélagarnir. En ef Doogie þarf að takast á við erfiða þraut, eins og að komast út úr völundarhúsi eða bregðast við tilteknu hljóði stendur hún öðrum músum framar. Doogie er nefnilega klók mús og getur þakkað það prófessori nokkrum í taugafræði Joe Z. Tsien við Princeton University í New Jersey, BNA. Með erfðabótum breytti hann stöku geni sem verkar á heila allra spendýra og það nægði til þess að lyfta andlegum eiginleikum músarinnar í nýjar hæðir. Með aukaeintak af geninu NR2B urðu heilafrumur músarinnar nefnilega skjótari að aðlagast – eiginleiki sem reynst hefur lykillinn til að muna og læra.

NR2B erfist ásamt aukinni greind til allra afkomenda Doogies og þennan hóp af snjöllum músum rannsökuðu Joe Z. Tsien og félagar hans m.a. í svonefndu vatnsvölundarhúsi Morris. Þá er mús sett út í vatnsker þar sem hún nær aðeins til botns á litlum palli sem leynist undir vatnsyfirborði.

Í fyrstu verður því músin að synda um stefnulaust þar til hún loks finnur pallinn. En í endurteknum tilraunum getur músin bjargað sér skjótar á pallinn með því að muna stöðu hans út frá nokkrum kennileitum á hliðum kersins. Í fyrstu tilraun spjaraði Doogie sig rétt eins vel og venjulegar mýs og notaði að meðaltali 55 sekúndur til að finna pallinn. En þegar eftir þriðju tilraun hafði hún bætt sig töluvert og þurfti nú aðeins 25 sekúndur. Venjulegar mýs höfðu hins vegar ekki náð slíkum árangri og þurftu 35 sekúndur til að finna pallinn.

Þegar vísindamenn í annarri tilraun spiluðu háan ýlutón skömmu áður en þeir settu vægan rafstraum í gólf búrsins reyndist Doogie einnig fyrst til að átta sig á samhenginu og undirbúa sig fyrir komandi rafstuð með því að verða grafkyrr strax eftir hljóðmerkið. Þetta er náttúrulegt viðbragð við aðsteðjandi hættu sem kennir t.d. dýrinu að tengja hljóðið frá þyti yfir höfðinu við ránfugl sem sekúndubroti síðar klófestir dýrið. En komi síðar í ljós að hljóðið hafi ekki verið undanfari hættu þarf dýrið einnig að vera fært um að læra af þeirri reynslu og hætta að bregðast við slíku hljóðmerki. Á þessu sviði reyndust Doogie og hinir snjöllu ættingjar hans klókari en venjulegar mýs. Þegar eftir fyrsta skiptið þegar hljóðmerkinu var ekki fylgt eftir með rafstuði sýndu þau af sér mun minni ótta gagnvart hljóðinu meðan venjulegar mýs áttuðu sig fyrst á því að hætta væri yfirstaðin eftir fjórar tilraunir.

Taugaboð velja skemmstu leið

Á undanförnum áratug hafa vísindamenn fundið minnst 30 gen, sem í stökkbreyttu formi gera mýs greindari. Þótt um sé að ræða mismunandi gen eiga nánast öll þeirra eitt sameiginlegt: Þau verka á getu heilafrumnanna við að senda boð sín á milli. Því geta stökkbreytt gen haft áhrif á hvaða leið straumur upplýsinga berst um heilann. Þessi eiginleiki er mikilvægur varðandi nám og minni, enda þarf að styrkja taugabrautir milli taugunga sem vinna saman að tilteknu verkefni, þannig að taugaboð komist sem hraðast á leiðarenda.

Heilinn býr svo um sína hnúta að mikið magn taugaboða geti farið um taugabrautir sem eru oft nýttar, meðan minna magn upplýsinga fer milli taugunga sem eru sjaldan í sambandi hver við annan. Í stuttu máli má segja að trésmiður þurfi sterkar tengingar milli heilastöðva sem fást við fínhreyfingar og rýmisgreind, meðan rithöfundur er með öflugar tengingar milli þeirra stöðva heilans sem varða málnotkun og sköpun. Ef trésmiðurinn tekur síðar til við skriftir þarf heilinn bókstaflega að endurmóta tengingar sínar, áður en orðin fljóta greiðlega frá höfði smiðsins og á pappírinn.

Heilinn nýtir margvíslegan lífefnafræðilegan búnað til að auka magn upplýsinga, sem má senda milli taugunga. Einn sá mikilvægasti er svonefnd langtíma efling (long-term potentiation eða LTP) og sér til þess að hámarka boðskipti milli tveggja samtengdra taugafrumna um taugagriplur. Griplurnar eru tengistöðvar taugunganna sem eru aðskildar með agnarsmáu bili. Til að koma rafboði á milli þarf fyrst að umbreyta því í öðrum taugaendanum í kemískt boð í formi boðefnis , sem seytist úr taugafrumunni og flýtur yfir í viðtaka næstu frumu. Þar er boðinu aftur breytt í rafboð, sem er sent áfram til næsta taugungs.
Til þess að efla þessa tengingu getur heilinn með aðstoð LTP aukið magn boðefna sem seytast úr einni taugafrumu í hvert sinn sem koma þarf boðum áfram. Fleiri boðefni geta nefnilega virkjað fleiri viðtaka á næstu taugafrumu, eða örvað sama viðtakann hvað eftir annað. LTP sér jafnframt til þess að það myndast fleiri viðtakar á hinni taugafrumunni svo nýta megi aukið magn boðefna til fullnustu við að koma upplýsingum áleiðis í gegnum taugungana tvo. Þegar maður t.d. æfir sig í að negla nagla, þá notar heilinn LTP til að styrkja allar nauðsynlegar boðleiðir. Þannig verður verkefnið auðveldara því segja má að heilinn hafi rutt brautina fyrir taugaboð sem fara hraðleið á áfangastað. LTP felur í sér langtímalausn því taugunum er lítillega breytt og haldast þannig í vikur eða jafnvel mánuði. Þrátt fyrir að maður noti ekki hamarinn í nokkra daga haldast taugastyrkingarnar í dágóðan tíma þannig að næst þegar tekið er til við smíðar getur heilinn léttilega leitt taugaboðin rétta leið og séð til þess að maður hitti naglann á höfuðið í fyrsta höggi.

Mörg gen geta aukið greindina

LTP var fyrst uppgötvað af norsku vísindamönnunum Terje Lømo og Per Andersen víð Háskólann í Osló þegar árið 1966. Þeir lýstu fyrirbærinu í rottum, þegar þeir voru að rannsaka sérstakan hluta heilans, drekann, sem gegnir veigamiklu hlutverki við langtímaminni. Síðar hefur komið í ljós að LTP skiptir sköpum við nám og minni í mörgum stöðvum heilans, og að líkindum eigi þessi virkni við um öll spendýr. Því má ætla að inngrip með lyfjum eða erfðabótum í músum sem verkar á LTP og gerir þær greindari, geti allt eins átt við um manneskjur. Vitanlega er útilokað að erfðabæta manneskjur, en með því að rannsaka heilastarfsemi músa og virkni LTP vonast vísindamenn til að finna lyf sem geta aukið næmisgetu og minni manna.

Til þessa hafa rannsóknir á músum veitt nokkuð nákvæma mynd af þeim genum, sem ásamt LTP, hafa áhrif á greindina. Viðbótargenið NR2B hjá Doogie verður til að auka fjölda og viðhalda virkni á svonefndum NMDA-viðtökum, sem sitja á enda taugunganna og fanga þau boðefni sem snertifruma seytir frá sér. Doogie fær toppeinkunnir í næstum öllum prófum, meðan önnur erfðabætt mús sem seytir enn meira magni af boðefnum er rétt eins greind. Sú var sköpuð árið 2005 af Alcino Silva við University of California í Los Angeles og hefur fengið viðbótareintak af geninu H-ras. Minnið og námsgetuna má því bæta með því að breyta eiginleikum í hvorum enda taugunganna sem er, sem mætast og flytja taugaboð á milli sín. Í hvorum tveggja tilvikanna má gera það með margvíslegum hætti, allt eftir því hvaða stökkbreytt gen er valið.

Langtímaminnið sljóvgast

Það er þó engin þörf á að grípa til jafn róttækra aðgerða og erfðabóta til að bæta námsgetu og minni. Í fyrra sýndi suðurafríski vísindamaðurinn Brian Harvey að mögulegt lyf með heitið Org 26576 hafði sömu áhrif. Um 12 daga skeið sprautaði hann efninu í rottur og samtímis voru dýrin prófuð í vatnavölundarhúsi Morris. Niðurstöðurnar sýndu að lyfið verkaði frá byrjun, því rotturnar voru skjótari að finna yfirflotna pallinn. En mestu áhrifin komu í ljós þegar rotturnar voru látnar í friði í nokkra daga, en svo aftur settar í vatnskarið. Þær rottur sem ekkert lyf höfðu fengið höfðu að nokkru leyti gleymt hvar pallinn var að finna, meðan hinar mundu eftir honum og voru því mun skjótari að komast í örugga höfn.

Org 26576 er svonefnt ampakín, þ.e.a.s. efni sem örvar annan viðtaka, AMPA, í taugagriplunum og er einnig þáttur í LTP. Ampakín eru nú rannsökuð af mörgum lyfjafyrirtækjum sem mögulegt lyf gegn margvíslegum sjúkdómum eins og t.d. alzheimer, parkinson, geðklofa og ADHD.

Hollenskt lyfjafyrirtæki prófaði ampakínið farampator á hópi heilbrigðra eldri borgara árið 2007 og síðan voru þeir látnir spreyta sig á margs konar þrautum. Ein slík fólst í að gaumgæfa röð talna frá 1 – 9, þar sem hver tala var pöruð við sitt tákn. Þessu næst fengu þeir í hendurnar lista með tilfallandi tölum og áttu að setja rétt tákn við hverja og eina eins hratt og þeir gátu. Niðurstöðurnar sýndu umtalsverða bætingu skammtímaminnisins, því þeir sem höfðu fengið ampakínið skoruðu 68% betur en viðmiðunarhópurinn.

Sama tilraun sýndi ennfremur að efnið hafði í stórum dráttum engin áhrif á minnið, væri beðið í hálfa klukkustund með að leggja þrautina fyrir þátttakendur. Vísindamennirnir rannsökuðu þetta ötullega og komust að uggvænlegri niðurstöðu. Í ljós kom nefnilega að farampator m.a.s. sljóvgaði sérstaka gerð langtímaminnis, svonefnt atburðaminni (episodic memory). Þetta mátti sjá með því að sýna þátttakendum lista með 18 orðum sem þeir áttu að leggja á minnið. Hálftíma síðar fengu þeir lista með sömu orðum, en nú blönduðum öðrum nýjum 18 orðum og áttu að bera sem skjótast kennsl á fyrri 18 orðin. Nú skoruðu þeir eldri borgarar sem fengið höfðu farampator 20% verr en hinir. Hliðstætt próf með myndatáknum gaf sömu niðurstöðu: Lyfið skerti langtímaminnið um 20 hundraðshluta.

Pillur geta einnig gert okkur heimskari

Við fyrstu sýn virðist raunin sú að ein lítil pilla geti bætt skammtímaminni okkar nokkuð, en gjaldið felst í skertu langtímaminni. Þegar litið er til hinna klóku erfðabreyttu músa kemur í ljós að bætingin er ekki alltaf til góðs. Betra minni getur t.d. gert örðugara að gleyma haldlausum upplýsingum og hefur í mörgum tilvikum skilað stressuðum músum sem sjá hættur í hverju horni og geta aldrei verið afslappaðar. Erfðabreytingar hafa á sama tíma aukið athyglisgáfu músanna sem gerir þeim kleift að leysa þrautir eins og vatnsvölundarhús Morris, en gerir þeim erfitt fyrir með að leysa einfaldari völundarhús þar sem þær eru sífellt á varðbergi, í stað þess að láta eðlishvötina um lausnina.

Því eru margir sérfræðingar uggandi yfir því að alheilbrigðar manneskjur fari í auknum mæli að taka inn lyf til að auka andlega getu sína. Hið virta vísindatímarit Nature stóð árið 2008 fyrir könnun meðal lesenda sinna um notkun slíkra lyfja. Hún varðaði einkum modafinil (t.d. Provigil) sem er lyf gegn svefnsýki, og methylphenidat (t.d. Rítalín) sem er ætlað gegn ADHD. Bæði lyfin styrkja einbeitingu og athyglisgáfu, en virka ekki með LTP, en fræðimenn vita ekki enn hvernig verkun þeirra er háttað. Könnunin sýndi að um þriðjungur þátttakenda í öllum aldurshópum notuðu að jafnaði annað hvort lyfið og af þeim hafði meirihlutinn ekki hlotið læknisfræðilega greiningu. Þeir voru heilbrigðir og hraustir, en nýttu sér lyfin til að bæta frammistöðu sína, ýmist í prófum eða vinnu.

Þegar árið 1997 sýndi Trevor W. Robbins, sérfræðingur í geðsjúkdómum við University of Cambridge í Bretlandi, að methylphenidat getur aukið vissa andlega getu hjá heilbrigðu fólki, þó það borgi sig ekki alltaf að taka lyfið. Í prófi sem nefnist Tower of London áttu þátttakendur að raða þremur lituðum kubbum milli staða í tiltekinn stafla, þó aðeins með því að færa efsta kubbinn úr stað. Í öðru prófi, svonefndu Spatial Span, áttu þeir að muna í hvað röð hvítir ferningar skiptu litum á tölvuskjá.

Bæði verkefnin leystu þátttakendur betur eftir að hafa gleypt 20mg pillu af methylphenidat hálfum öðrum tíma fyrir prófin. Í Spatial Span-prófinu gerðu þeir sem lyfið tóku að jafnaði fimm villur á móti tíu villum hjá viðmiðunarhópnum sem engin lyf fékk. Í Tower of London var frammistaðan 95% á móti 84%. En þegar sérfræðingarnir endurtóku prófin einni til tveimur vikum síðar með sömu þátttakendum reyndust niðurstöðurnar allt aðrar. Þetta var í annað sinn sem þeir áttu að leysa þrautirnar og allir bjuggu því að nokkurri reynslu sem hefði átt að skila þeim betri árangri. Nú bar svo við að þeir sem fengu lyfið stóðu sig umtalsvert verr þegar þeir fengu lyfið methylphenidat. Þeir sem fengu ekkert lyf í annarri tilraun gerðu færri villur. Í Spatial Span gerðu þeir sem lyfið fengu að meðaltali 6 villur á móti tæpum fjórum hjá viðmiðunarhópnum. Einnig í Tower of London-prófinu stóð sá hópur sig betur og svaraði 90 prósent rétt á móti 88 hjá hinum sem tóku lyfið inn.

Trevor Robbins útskýrir niðurstöðurnar með því að methylphenidat hafi tvenns konar verkun á heilann. Menn verða betri við að leysa þrautir en samtímis hvatvísari. Í fyrsta sinn sem þeir standa frammi fyrir þraut verður verkunin ráðandi og því spjara menn sig betur. Í síðara skiptið er vandamálið ekki nýtt og því ekki jafn mikil áskorun fólgin í því, þannig að hvatvísin nær yfirhöndinni svo menn framkvæma umhugsunarlaust og gera fleiri villur.

Lyfin riðla jafnvægi heilans

Þetta varð til þess að Martha J. Farah við University of Pennsylvania í Fíladelfíu, BNA, tók að rannsaka hvaða heilbrigðum manneskjum slík lyf gagnast. Hún prófaði lyfið Adderall, sem rétt eins og Rítalín er eins konar amfetamín og notað við ADHD. Árið 2009 birti hún niðurstöður sínar sem vöktu nokkra furðu því þær sýndu að virkni Adderall ræðst af andlegri getu neytandans. Þeir þátttakendur sem að öllu jöfnu spjöruðu sig illa í margvíslegum prófum rannsóknarinnar upplifðu jákvæð áhrif við inntöku lyfsins, meðan dugmeiri þátttakendur fengu verri niðurstöður við inntökuna. Martha Farah túlkar niðurstöðurnar þannig að heilinn þurfi að vega og meta margvíslega getu til að hámarka árangurinn. T.d. er oft kostur að taka eftir smáatriðum meðan mikilvægara er í öðrum tilvikum að viðhalda yfirsýn. Allir menn eru búnir einstaklingsbundinni getu hvað varðar t.d. skamm- og langtímaminni, óhlutbundna hugsun og rýmisskyn, og standa því misvel að vígi gagnvart ólíkum verkefnum.

En taki maður lyf sem virkar á einn vinnslumáta heilans riðlar maður jafnvæginu og veitir þannig heilanum allt önnur vinnsluskilyrði. Því getur reynst erfitt að segja fyrir um afleiðingarnar þegar heilbrigðir taka inn lyf sem ætluð eru fólki með andlega eða taugafræðilega sjúkdóma.