Badania emocji zwierząt mogą pomóc korygować zaburzenia u ludzi

Ewelina Knapska urodziła się w 1977 roku. Ukończyła studia na Wydziale Biologii (2001) i na Wydziale Psychologii (2004) Uniwersytetu Warszawskiego. Doktorat obroniła w 2006 roku w Instytucie Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego Polskiej Akademii Nauk, gdzie badała funkcjonalną organizację ciała migdałowatego w mózgu i społeczną komunikację emocji u szczurów. Staż podoktorski odbyła na Wydziale Psychologii Uniwersytetu Michigan (USA), zajmując się neuronalnymi podstawami wygaszania strachu. W 2013 roku uzyskała habilitację w Instytucie Biologii Doświadczalnej PAN. Od 2012 roku kieruje Laboratorium Neurobiologii Emocji w Instytucie Biologii Doświadczalnej PAN. Jest współzałożycielką - wspólnie z prof. Leszkiem Kaczmarkiem - Centrum Doskonałości BRAINCITY - Centre of Excellence for Neural Plasticity and Brain Disorders, powstałego dzięki programowi Międzynarodowe Agendy Badawcze Fundacji na rzecz Nauki Polskiej i finansowanego ze środków europejskich.

Badania prof. Eweliny Knapskiej łączą neurofizjologię, behawiorystykę oraz nowoczesne metody obrazowania aktywności neuronów. Ich celem jest zrozumienie, jak mózg rozpoznaje i przetwarza informacje o emocjach w kontekście społecznym. Badaczka, jako jedna z pierwszych na świecie, opisała zjawisko "emocjonalnego współodczuwania" u zwierząt laboratoryjnych oraz wykazała, że odpowiadają za nie określone obszary ciała migdałowatego. Stworzyła również innowacyjny system Eco-HAB, wiernie odtwarzający naturalne środowisko myszy i automatycznie śledzący interakcje między nimi oraz zachowania społeczne. To nowatorskie narzędzie zostało opatentowane i jest używane w badaniach nad spektrum autyzmu i fobiami społecznymi.

Prof. Ewelina Knapska jest członkinią European Molecular Biology Organization (EMBO) oraz Advisory Board of Federation of European Neuroscience Societies (FENS). Należy do FENS-Kavli Network of Excellence i Dana Alliance for Brain Initiatives (DABI). Była prezydentką European Brain and Behaviour Society (EBBS) oraz wiceprzewodniczącą Polskiego Towarzystwa Badań Układu Nerwowego. Jest autorką ponad 60 publikacji naukowych, cytowanych ponad 3300 razy przez innych badaczy. Laureatka licznych prestiżowych nagród i wyróżnień, w tym Starting Grant Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERC) (2016-2022), Nagrody Prezesa Rady Ministrów za osiągnięcia habilitacyjne (2014), stypendium Kolumb (2006), programu POWROTY/HOMING Fundacji na rzecz Nauki Polskiej (2008) oraz Burgen Scholarship przyznawanego przez Academia Europaea (2013).

Grzegorz Jasiński: W roku 2025 Nagroda FNP w obszarze I - nauki o życiu i o Ziemi została przyznana: prof. Ewelinie Knapskiej z Instytutu Biologii Doświadczalnej im. Marcelego Nenckiego PAN za odkrycie neuronalnych mechanizmów wewnątrzgatunkowego i międzygatunkowego przekazywania emocji... Pani profesor, wielkie gratulacje.

Prof. Ewelina Knapska: Bardzo dziękuję...

Jeśli chodzi o międzygatunkowe przekazywanie emocji, mniej więcej wiemy, o co chodzi w przypadku kontaktów z psami. Ale mam wrażenie, że w pani badaniach nie do końca o to chodzi.

Tak, nie o to chodzi. Mnie interesuje przede wszystkim, jak mózg kontroluje emocje, w szczególności te emocje przekazywane społecznie. Czyli na przykład, jak zarażamy się strachem drugiej osoby. I te badania prowadzimy u ludzi. Ale ponieważ interesują mnie mechanizmy mózgowe, mózg jest dosyć trudno badać u ludzi, bo po pierwsze jest on bardzo skomplikowany, a po drugie mamy ograniczone możliwości manipulowania aktywnością mózgu. Dlatego też używamy modeli zwierzęcych, zwykle mysich albo szczurzych. Bo jak się okazuje, myszy i szczury też mają emocje i możemy u nich te emocje wywołać, zarówno pozytywne, jak i negatywne. A przede wszystkim możemy zbadać, manipulując odpowiednimi częściami mózgu, jak te części mózgu są odpowiedzialne za kontrolę tych emocji czy kontrolę zarażania emocjonalnego, które nas interesuje.

Jak te elementy możemy badać? Jak możemy wniknąć w ich umysł?

Mamy różne metody. Muszę powiedzieć, że neurobiologia, czyli nauka o mózgu, bardzo rozwinęła się w ostatnich dwudziestu latach. Mamy dużo narzędzi, które pozwalają nam bardzo precyzyjnie włączać i wyłączać poszczególne neurony czy grupy neuronów, które odpowiadają za kontrolę zachowań. Więc możemy u myszy czy szczura - to są zwierzęta genetycznie modyfikowane, są takie specjalne konstrukty, które nam pozwalają za pomocą światła aktywować albo hamować te grupy neuronów, które nas interesują i obserwować zmiany w zachowaniu. Więc możemy powiedzieć, że jeżeli włączamy jakąś grupę neuronów, to zwierzę zmienia swoje zachowanie, czyli że ta grupa neuronów jest ważna w kontroli tego zachowania.

Mam wrażenie, że są takie dwa rejony mózgu, o których - często mówiąc popularnie o nauce - się słyszy. Jeden z nich to hipokamp, który wiemy, że odpowiada za uczenie się i zapamiętywanie. No i drugi to jest ciało migdałowate, odpowiedzialne za emocje. Pani właśnie nim się zajmuje.

Prawda. Mnie interesuje przede wszystkim ciało migdałowate. Ja myślę, że to już jest dosyć powszechna wiedza, że ciało migdałowate jest ważne w kontroli strachu, jest ważne dla różnych emocji, ale też, co jest mniej oczywiste, jest ważne dla przetwarzania i odpowiedzi w pozytywnych sytuacjach. Czyli jest ważne dla pozytywnych emocji. I mnie interesują obie te kwestie. Staramy się zrozumieć, jak różne grupy neuronów kontrolują negatywne i pozytywne emocje. Ale to wszystko nie jest takie proste, bo oczywiście ciało migdałowate jest połączone z różnymi innymi strukturami mózgu. W związku z tym nie koncentrujemy się wyłącznie na ciele migdałowatym, ale również badamy jego połączenia z innymi strukturami mózgu próbując zrozumieć, jak działa cały mózg. Bo żadna ze struktur mózgu nie działa w izolacji. Zwykle potrzebujemy jednak większości naszego mózgu, żeby prawidłowo funkcjonować.

Państwo badacie też aktywność pewnych enzymów, między innymi takiego enzymu MMP-9, czy jak on się dokładnie nazywa?

Dokładnie. Interesuje nas plastyczność synaptyczna, czyli taka zdolność naszego mózgu do uczenia się. Plastyczność, czyli taka odpowiedź, zazwyczaj pozytywna na zmiany w środowisku, pozwala nam się uczyć, pozwala nam się dostosować do zmieniających się wymagań środowiska, w którym żyjemy i zwykle ma to pozytywne konsekwencje. Od wczesnego dzieciństwa do późnej starości jesteśmy w stanie się uczyć. Natomiast są też takie negatywne efekty plastyczności neuronalnej czy synaptycznej. Synapsa to jest to połączenie między neuronami, które się zmienia i które jest podstawą uczenia się. I te negatywne procesy mogą prowadzić do różnych zaburzeń, do różnych chorób mózgu. Te choroby mózgu to jest na przykład depresja. To są na przykład zaburzenia, jeżeli myślimy o interakcjach społecznych, to są zaburzenia ze spektrum autyzmu, ale to też jest na przykład epilepsja. I my koncentrujemy się na zrozumieniu tych mechanizmów plastyczności synaptycznej czy plastyczności neuronalnej po to, żeby lepiej rozumieć te zaburzenia. I w przypadku tego enzymu, o którym Pan wspominał, to okazuje się, że jego aktywność w jednej z części ciała migdałowatego jest bardzo ważna dla takiej plastyczności, która kontroluje motywację, motywację do zdobywania nagród. I to jest taka umiejętność czy taka właściwość naszego mózgu, która jest potrzebna, żeby właściwie funkcjonować. Jak ona jest zaburzona, to na przykład mamy depresję, czy na przykład mamy obniżoną chęć do wchodzenia w interakcje społeczne. Więc taka wiedza pomaga nam zrozumieć, jak można przywrócić tę zaburzoną motywację po to, żeby pomóc w przypadku różnych chorób mózgu.

Na ile ten model zwierzęcy - pani profesor już trochę o tym wspomniała, ale o tym elemencie, takim na poziomie komórek, na poziomie fizjologicznym - jeśli chodzi o samo zachowanie i pewne reakcje, on może rzeczywiście udawać, czy w jakiś sposób modelować zachowanie człowieka?

Na pewno mózg myszy czy szczura jest prostszy niż mózg człowieka i my to wykorzystujemy, bo jest nam łatwiej zrozumieć jak działa. Ale ma to też swoje negatywne konsekwencje z naszego punktu widzenia, bo nie jest to dokładnie to samo. Natomiast te różnice dotyczą przede wszystkim kory mózgowej. Oczywiście myszy czy szczury nie są tak kognitywnie rozwinięte jak my czy inne naczelne. Ale jeżeli chodzi o emocje, to duża część tych odpowiedzi emocjonalnych, zarówno zachowania, jak i odpowiedzi fizjologicznych, z którymi emocje się wiążą, jest kontrolowana przez tak zwane struktury podkorowe, które są dosyć stare ewolucyjnie, co oznacza, że są dosyć podobne na przykład u gryzoni i u człowieka. To nam pozwala modelować ludzkie zachowania czy motywacje na przykład, używając modeli mysich i szczurzych.

To dość łatwo zrozumieć, jeśli chodzi na przykład o zapamiętywanie, bo mysz albo pamięta, jak poruszała się w labiryncie, albo nie pamięta. Chyba też, jeśli chodzi o motywację, bo albo poszukuje aktywnie jedzenia, albo nie. Ale jakie inne emocje jeszcze te myszy pokazują po sobie z takich, które są nam, ludziom bliższe? Czy coś jeszcze da się tam u nich zaobserwować? No na pewno jeszcze lęk...

Ja myślę, że najbardziej zbadaną emocją jest strach. To jest taka emocja, która pozwala organizmowi przetrwać. Zwracanie uwagi na różne bodźce, które sygnalizują niebezpieczeństwo, jest kluczowe, żeby przetrwać w środowisku i możemy obserwować reakcje u myszy i szczurów, które zupełnie przypominają to, co widzimy u ludzi, zarówno na poziomie fizjologicznym, jak i na poziomie zachowania. Myszy i szczury starają się unikać nieprzyjemnych bodźców, podobnie jak to robimy my i też mają różne takie reakcje fizjologiczne. Wzmożone bicie serca, szybsze oddychanie, takie, które są wiązane z sytuacją stresową, ze strachem. Więc na tym poziomie widzimy bardzo duże podobieństwo. Jak popatrzymy na aktywność mózgu, to okazuje się, że te same struktury w mózgu myszy, szczura i człowieka są aktywowane w sytuacjach zagrożenia. I te testy, które pozwalają nam badać w laboratorium strach u człowieka i strach u myszy czy szczura są zupełnie podobne do siebie. Zwykle kojarzymy jakiś bodziec, który jest początkowo neutralny, na przykład jakiś dźwięk, ton z czymś nieprzyjemnym i w ten sposób się uczymy. Uczymy się, że ten bodziec sygnalizuje niebezpieczeństwo, coś nieprzyjemnego. Tak uczą się ludzie i bardzo podobnie uczą się myszy i szczury. Więc jest dużo dowodów na to, że w przypadku strachu to podobieństwo istnieje. Inne emocje, te pozytywne, są dużo trudniejsze do zdefiniowania. Motywacja, tak jak Pan wspomniał, jest stosunkowo prosta. Dlatego też koncentrujemy się na takich emocjach, gdzie mamy jakieś obiektywne miary i możemy powiedzieć, że jest równoległość pomiędzy mózgiem mysim, czy szczurzym oraz ludzkim. No bo trudno powiedzieć, czy szczur, czy mysz mają jakieś inne, bardziej złożone emocje. Nie wiemy tego, nie wiemy, czy mają jakieś subiektywne uczucia powiedzmy. Człowieka możemy zapytać, zwierząt nie możemy, więc tutaj jesteśmy agnostykami. Nie wiemy, czy takie emocje u zwierząt istnieją.

Państwo stworzyliście tak zwany Eco-HAB. Ja sobie wyobrażam, że to takie miasteczko dla myszy czy szczurów, w którym no jest taki pełny, kompletny, całkowity monitoring. To znaczy nic się przed wzrokiem badaczy nie ukryje. Proszę nam o nim opowiedzieć.

To taki Wielki Brat dla myszy. Generalnie stworzenie tego systemu do automatycznej obserwacji, kwantyfikacji zachowania myszy było inspirowane tym, jak myszy żyją w naturalnych warunkach. Myszy uwielbiają kopać długie tunele i wzdłuż tych tuneli co jakiś czas budują sobie takie nory, w których mieszkają. No więc nasz system też się składa z takich czterech klatek, które przypominają te nory i one są połączone korytarzami. Myszy tam mogą żyć przez dłuższy czas, przez całe tygodnie. Tam jest dostępne jedzenie, jest dostępna woda i my je monitorujemy. Monitorujemy je za pomocą takiego systemu RFID. One mają takie chipy. Jak przechodzą przez te korytarze, to są indywidualnie rozpoznawane, więc możemy tam testować całą grupę zwierząt i przyglądać się temu, jak one wchodzą ze sobą w interakcje, jak się gonią w tych korytarzach. Okazuje się, że te, które gonią inne myszy, to są myszy dominujące. Myszy mają hierarchię społeczną, więc możemy powiedzieć, kto jest szefem, kto jest najważniejszy w tej grupie, kto jest mniej ważny. Możemy powiedzieć, jak dużo czasu spędzają ze sobą, jak interesują się jakimiś bodźcami, które im tam prezentujemy. Więc to jest takie urządzenie, które nam daje dużo możliwości dowiedzenia się o tym, jak myszy żyją w grupie społecznej, jak one się tam zachowują. I to pozwala nam badać ich zachowania społeczne. Interesujemy się, jak mózg kontroluje te zachowania społeczne. Interesujemy się tym, jak one sobie przekazują informacje, jak jedna mysz jest pobudzona, jak wtedy inne myszy reagują na taką sytuację.

Plotki między nimi się roznoszą?

Tak, to jest nasze ostatnie odkrycie, że jak mysz zostanie nakarmiona, dostanie jakieś dobre pożywienie, to inne myszy się bardzo interesują tą myszą, interesują się jej zapachem i najwyraźniej dostają informację o tym, że jest jakieś fajne jedzenie w środowisku.

A czy jest jakiś sposób, żeby jeszcze zasymulować im taki zewnętrzny wpływ na całe to środowisko? No bo w normalnym świecie one muszą wyjść na zewnątrz, szukać pożywienia, szukać wody. Jest też zagrożenie z zewnątrz, które może się pojawić. Państwa super miasto, to mysie megalopolis, też jakoś symuluje takie zewnętrzne zjawiska?

Tak, staramy się to robić. Bo to jest oczywiście taka równowaga pomiędzy naszą kontrolą eksperymentalną, którą chcielibyśmy mieć, żeby wyciągać wiarygodne wnioski z tych doświadczeń, a takim zupełnie naturalnym sposobem, w jaki żyją myszy. Im lepsze warunki stworzymy myszom, im bliższe ich naturalnym warunkom, tym to zachowanie jest bardziej powtarzalne, tym ma więcej sensu modelowanie w takich warunkach. Dlatego staramy się jednak zachować te naturalne warunki i to, o co pan pyta, tak, możemy tam prezentować takie bodźce, które na przykład symulują pojawienie się drapieżnika. To jest taki bodziec, na przykład rozszerzający się cień, który sugeruje pojawienie się ptaka drapieżnego. To jest jeden z takich bodźców...

A zapach kota na przykład?

Tak, też możemy użyć zapachu kota.

Proszę mi powiedzieć teraz, jak te badania przenoszą się i na ile się przenoszą na badania już prowadzone u ludzi, które powinny i mamy nadzieję, że zaowocują pojawieniem się nowych leków, nowych metod terapii, chociażby właśnie tego, o czym pani profesor wspomniała, czyli stanów depresji, zniechęcenia.

Tak, my to wszystko robimy po to, żeby znaleźć takie miejsca w mózgu, które byłyby dobrymi celami terapeutycznymi. Więc te badania wskazują nam takie potencjalne miejsca i potencjalne metody manipulowania na przykład plastycznością neuronalną, o której rozmawialiśmy wcześniej. I staramy się, żeby to, co robimy u gryzoni, równolegle sprawdzać w ludzkim mózgu na tyle, na ile to jest możliwe. Więc na przykład przyglądamy się, obrazując ludzki mózg w skanerze, jesteśmy w stanie podawać podobne bodźce, jak podajemy zwierzętom i zobaczyć, czy te same struktury mózgu są aktywne. No i rzeczywiście mamy takie wyniki, które pokazują, że w przypadku tego społecznego strachu, który badamy, czy motywacji, są to podobne części mózgu. W następnym kroku staramy się opracować takie metody, które pozwalają nam na przykład podnieść motywację. Teraz nad tym pracujemy. To jest cel naszego nowego projektu. Myślimy o stymulowaniu ciała migdałowatego w taki nieinwazyjny sposób, tak żeby można było użyć tej techniki również u ludzi po to, żeby poprawić zaburzoną motywację.

Pani profesor, serdecznie dziękuję za tę rozmowę. Mam nadzieję na kolejne, jak badania będą postępować. Jeszcze raz gratuluję tej nagrody i myślę, że tu nie potrzeba żadnych badań, bo działanie motywujące tej nagrody jest chyba oczywiste.