R. Douglas Fields
DRUGI MÓZG

Rozdział 2

Spojrzenie w głąb mózgu: budowa komórkowa mózgu

Sekcja mózgu

Palącymi się do pracy rękami dziesięcioletniego chłopca przeciąłem serce na dwie części nożem rzeźniczym. Wszystko było widać - cztery komory oddzielone wilgotnymi, chrząstkowatymi zastawkami, które wsysają krew do uszek i wyciskają ją z aorty i tętnicy płucnej. Zafascynowany spytałem mamę, czy następnym razem mogłaby przynieść mi mózg. Wróciła od rzeźnika z mózgiem cielęcym, a moje podniecenie sięgnęło zenitu, gdy ciąłem mózg na połowę. W środku jednak nic nie było. Tylko pusta jama wewnątrz mięsistej papki.

Jak to działało? W książkach znaleźć można było nazwy różnych jego wypukłości i fałdów - „móżdżek”, „most”, „rdzeń przedłużony” „komora boczna” - z tych informacji nie wynikało jednak w najmniej­szym stopniu, jak ten narząd, najwyższa władza wszystkich narządów, może funkcjonować. Moi rodzice, nauczyciele - nikt tak naprawdę nie znał odpowiedzi.

Dziś wiem, że siła mózgu leży w miniaturyzacji i koncentracji je­go składowych w stopniu, który sprawia, że jego pracujące elementy są niewidoczne. Podobnie jak części komputera zminiaturyzowane poniżej rozdzielczości ludzkiego oka, elementy komórkowe mózgu są widoczne tylko w stu- lub tysiąckrotnym powiększeniu silnego mikro­skopu. Obecnie naturalne wydaje się myślenie o komórce nerwowej lub neuronie jako o mikroprocesorze mózgu, pamiętajmy jednak, że uczeni przed wiekiem elektroniki myśleli o mózgu inaczej. Jaką ma­my pewność, że nasza analogia mózgu do mikroprocesora jest trafna? Myślący badacze układu nerwowego zaczynają się zastanawiać - czy to możliwe, by nasza fundamentalna koncepcja funkcji mózgu okazała się naiwna.

Aby spróbować zrozumieć, dlaczego komórki glejowe mogłyby prowadzić nasłuch linii łączności między neuronami, musimy zacząć od dokładniejszego zbadania struktury mózgu i tych tajemniczych komórek. Znakomitą większość komórek w twoim mózgu stanowią komórki glejowe, a nie neurony. Komórki glejowe, w przeciwieństwie do neuronów, nie potrafią wyzwalać impulsów elektrycznych. Co za tym idzie, komórki glejowe nie mają cech charakterystycznych dla neuronów, nie posiadają podobnego do przewodu aksonu do przekazywania impul­sów na znaczne odległości ani krzaczastych dendrytów do odbierania sygnałów elektrycznych przez tysiące synaps. Aby znaleźć odpowiedź na pytanie, co robią te komórki mózgu, musimy prześledzić całą drogę odkryć, cofając się do korzeni, kiedy to pionierzy nauki po raz pierw­szy opisali neurony widziane w przekrojach mikroskopowych tkanki mózgowej. Jak na ironię, komórek glejowych było tam całe mnóstwo, roiło się od nich tuż przed ich oczami, blask neuronów uczynił jednak naukowców intelektualnie ślepymi na komórki glejowe, które stanowią główną masę mózgu.

Istota szara

W przeciwieństwie do opisowych nazw (zwykle łacińskich), ja­kie anatomowie nadawali każdej wyniosłości i każdemu szczegółowi ludzkiego ciała, najlepszym, na co było ich stać w przypadku mózgu, jest określenie „istota szara”. Nietrafna nawet w sensie fizycznym, gdyż mózg ma w rzeczywistości barwę różową, nazwa ta jest poetycką aluzją do naszego mglistego pojęcia o tej zagadkowej tkance. Dla ówczesnych anatomów nic w tej kwestii nie było białe ani czarne.

Wyobraźmy sobie frustrację dziewiętnastowiecznych anatomów badających tę papkowatą tkankę w poszukiwaniu jakiegokolwiek sensu w jej strukturze lub odpowiedzi na pytanie, jak działa. Z chwilą wy­nalezienia mikroskopu uczeni spiesznie ruszyli do oglądania pod nim istoty szarej, widok, który zobaczyli, bardzo ich jednak zaskoczył swą odmiennością od wszystkich innych tkanek ludzkiego ciała. Struktura komórkowa układu nerwowego jest tak dalece zminiaturyzowana, że długość fali świetlnej nie nadaje się do jej badania. Długość fali światła zielonego przekracza dziesięciokrotnie wielkość pęcherzyków synaptycznych, podstawowej jednostki aparatu łączności między neuronami. Dopiero z chwilą opracowania przez fizyków metody ogniskowania wiązek elektronów i wykorzystania jej zamiast wiązki światła w mikroskopie elektronowym zyskano narzędzie dające ostrość wystarczającą, by zobaczyć pęcherzyki synaptyczne i poznać subtelną strukturę mózgu. Mikroskop elektronowy wynaleziono w połowie dwudziestego wie­ku, dziesiątki lat poświęcono jednak na jego techniczne doskonalenie i interpretację złożonych obrazów, jakie w nim powstawały. Od czasu, gdy szczegółowo poznano budowę komórkową całej reszty ludzkiego ciała, minęło ponad sto lat, tymczasem budowa komórkowa układu nerwowego nadal stanowi pole intensywnych badań.

Istota biała

Resztę mózgu tworzy istota biała. Ta błyszcząco biała tkanka mózgu jest zbiorowiskiem milionów ciasno upakowanych przewodów łączących neurony w odległych punktach mózgu. Te żywe przewody znajdują się pod zbudowaną z istoty szarej korą, przypominając bardzo ciasno nawinięte włókna pod skórzaną powłoką piłki baseballowej. Istotę białą mózgu traktowano do niedawna podobnie do białej przestrzeni na kart­ce papieru, jak coś, co odgranicza poszczególne obszary funkcjonalne mózgu, ostatnio jednak ten naiwny pogląd zaczyna się zmieniać. Rozwikłanie tajemnic tej części mózgu jest zadaniem tak niewdzięcznym, że dopiero niedawno naukowcy odważyli się wejść na teren istoty białej dzięki nowym technikom obrazowania. Jak zobaczymy później, te nowe odkrycia całkowicie zmieniły podstawową koncepcję przetwarzania i przechowywania informacji przez mózg, czyli procesu uczenia się. To tutaj, w głębi dziewiczych, białych przestrzeni mózgu, znajdują się komórki glejowe - serce całego mechanizmu.

Badania nad tymi przez lata zapomnianymi komórkami rozpoczęły rewolucję w naszym rozumieniu budowy mózgu, jego funkcjonowania, zaburzeń jego funkcji w chorobach psychicznych i neurologicznych oraz procesów jego naprawy. Komórki glejowe stanowią kluczowy element tej nowej koncepcji mózgu. Osoby spoza ścisłego kręgu naukowców nie mają praktycznie dostępu do informacji na temat tych dziwnych komórek, są więc w sytuacji podobnej do pierwszych uczonych, którzy odkrywali różne ich rodzaje. Ponieważ prawdę zna tylko wąskie grono specjalistów, możemy przejść taką samą drogę zagadek, kluczowych odkryć i rewelacji jak naukowcy, którzy tropili w mózgu te szczegól­ne komórki. A gdy już zbierzemy te wszystkie odkrycia, czy ukaże się nam obraz drugiego mózgu działającego równolegle z naszym mózgiem neuronalnym?

Neurony: instrukcja użytkownika - jak działa mózg

Zanim pójdziemy dalej, musimy opanować podstawową wiedzę o funkcji mózgu na poziomie komórek i ich połączeń, która będzie punktem wyjścia do dalszych poszukiwań. Układ nerwowy działa, wy­syłając impulsy elektryczne przewodzone wzdłuż podobnych do ka­bli aksonów z maksymalną prędkością 320 kilometrów na godzinę (ok 90 m/s). W niektórych aksonach, na przykład we włóknach bólowych, impulsy podróżują znacznie wolniej - tylko trzy kilometry na godzinę, czyli w tempie wolnego marszu. Tłumaczy to powoli narastające uczucie bólu po nagłym uderzeniu młotkiem w kciuk. Przyczyną sto razy szybszej transmisji w szybko przewodzących włóknach nerwowych jest okrywa­jąca je warstwa izolacyjna zwana mieliną. Włókna bólowe są aksonami pozbawionymi izolacji i przypominają nici.

Tak jak przypuszczał Ramón y Cajal, neurony nie są połączone ze sobą jak miedziane druty zespawane w obwód. Przeciwnie, każdy neuron jest odrębną wyspą. Każda z tych wysp wysyła wiadomości do innych przez maleńką zatoczkę słonej wody, w której zanurzone są wszystkie komórki ludzkiego ciała. Ze względu na tę dzielącą komórki zatokę informacja nie jest przekazywana do następnego neuronu jak prąd w obwodzie elektrycznym. Neurony wysyłają do zatoki wiado­mości chemiczne, które dopływają do kolejnych neuronów. Ta zatoka to synapsa, a neurony po obu jej brzegach nazywamy neuronami presynaptycznymi lub postsynaptycznymi, zależnie od tego, czy tworzą wysyłkowy, czy też odbiorczy port w zatoce. Neuron presynaptyczny to zawsze ten, który wysyła wiadomości z zakończenia swojego aksonu. Neuron postsynaptyczny odbiera wiadomości z synapsy poprzez swoje podobne do korzonków dendryty.

Wiadomości wysyłane są w postaci substancji chemicznych zwanych neuroprzekaźnikami. Mikroskopijne „buteleczki” wewnątrz neuronów zwane pęcherzykami synaptycznymi zawierają cząsteczki neuroprzekaźnika. Każdy pęcherzyk synaptyczny jest maleńką kulą, zbyt małą, by można ją zobaczyć w mikroskopie świetlnym, widoczną jedynie w dużym powiększeniu mikroskopu elektronowego. Wiadomości nie są przesyłane przez zatokę synaptyczną, jak można by się spodziewać, w tych buteleczkach, przeciwnie, ich zawartość jest uwalniana do zatoki i dyfunduje do przeciwległego brzegu. Pęcherzyki synaptyczne gromadzą się we wnętrzu aksonu tuż pod błoną komórkową w jego zakończe­niu. Jeden lub dwa pęcherzyki synaptyczne na kształt komórkowych balonów wodnych rozbijają się o błonę komórkową pod działaniem siły nadchodzącego impulsu elektrycznego, uwalniając swą zawartość do komórkowego morza. Neuroprzekaźnik płynie potem przez zatokę synaptyczną do neuronu postsynaptycznego po drugiej stronie.

Stojące na warcie wzdłuż wybrzeża neuronu postsynaptycznego cząsteczki są tak zbudowane, że potrafią wykryć obecność neuroprzekaźnika w zatoce synaptycznej. Owe receptory neuroprzekaźników są dużymi cząsteczkami białka działającymi jak biologiczne nanomaszyny. W każdym receptorze neuroprzekaźnika znajduje się przejście, które otwiera się do dendrytu neuronu odbierającego po wykryciu cząstecz­ki neuroprzekaźnika. Gdy tunel w receptorze otwiera się na krótko, zawieszone w płynie komórkowym jony niosące ładunek elektryczny wypływają na zewnątrz, powodując obniżenie napięcia elektrycznego neuronu postsynaptycznego. Ten krótkotrwały spadek napięcia neuronu postsynaptycznego jest sygnałem odbiorczym, zwanym potencjałem postsynaptycznym. Jeżeli zmiana potencjału synaptycznego jest wystarczająco duża, spadek napięcia wyzwala w neuronie postsynaptycznym impuls biegnący wzdłuż jego aksonu do następnego neuronu w obwodzie. Taki model układu nerwowego może się wydać prymitywny, należy jednak wziąć pod uwagę, przed jakim wyzwaniem inżynierskim stanęła Natura - zbudować wydajny, szybki biologiczny komputer, nie mając do dys­pozycji nic oprócz komórek - maleńkich woreczków ze słoną wodą.

Impuls nerwowy biegnie więc po aksonie, uwalniając neuroprzekaźnik, gdy dojdzie do jego końca. Neuroprzekaźnik płynie przez zatokę synaptyczną i aktywuje receptory neuroprzekaźnika neuronu postsynap­tycznego, powodując spadek napięcia neuronu odbiorczego, co z kolei wy­rwała w tym neuronie impuls elektryczny, który jak w sztafecie pobiegnie wzdłuż jego aksonu i uwolni neuroprzekaźnik na dendryty następnego neuronu w obwodzie. Aby czas potrzebny na dyfuzję neuroprzekaźnika wokół synapsy był jak najkrótszy, rozdzielająca neurony zatoka musi być nieprawdopodobnie wąska (25 bilionowych metra). I rzeczywiście jest ona tak wąska, że nie można jej zobaczyć w najsilniejszym mikroskopie świetlnym. Fakt ten stał się powodem toczących się przez dziesiątki lat wśród zajmujących się układem nerwowym naukowców sporów, któ­rym kres położył dopiero wynalazek mikroskopu elektronowego; dzięki niemu udowodniono, że w każdej synapsie ludzkiego ciała znajduje się przestrzeń oddzielająca neurony pre- i postsynaptyczny. Wiadomość przechodzi przez synapsę w około jednej dziesiątej mgnienia oka, w porównaniu jednak z sięgającą trzystu dwudziestu kilometrów na godzinę prędkością przewodzenia impulsu w aksonie synapsa zwalnia przepływ informacji jak budka opłat na rogatce ruch samochodów.

Tłumaczy to, dlaczego obwody nerwowe mają możliwie jak najmniej połączeń: opóźnienie neurotransmisji na każdej synapsie zwalnia prze­pływ informacji. Ta niedoskonałość jest powodem, dla którego neurony są największymi komórkami ludzkiego ciała. Neurony są zbyt cienkie, by można je było zobaczyć gołym okiem, niektóre jednak mogą przybierać monstrualne rozmiary: jeden metr długości w przypadku neuronu bie­gnącego od rdzenia kręgowego do dużego palca u nogi. Takie rozmiary są konieczne, gdyż wysyłanie wiadomości chemicznych przez wodniste synapsy powoduje w obwodzie poważne utrudnienia konstrukcyjne. Dla większej skuteczności warto w każdym obwodzie spełniającym dowolną funkcję w układzie nerwowym ograniczyć liczbę synaps do minimum.

Gdy lekarz uderza gumowym młotkiem w twoje kolano, aby zbadać odruch kolanowy, widzisz działanie obwodu, który kontroluje koordyna­cję ruchową niezbędną podczas chodzenia. Jeżeli zdarzy ci się zahaczyć palcami o podłoże, ten fałszywy krok wywoła odruch ścięgna pod rzepką, taki sam jak ten wywołany młotkiem przez lekarza. Aby się nie potknąć, musisz teraz szybko zgiąć podudzie ku przodowi i zapobiec upadkowi. Niezwykle ważne jest, aby ten cały odruch czuciowo-ruchowy dokonał się w ułamku sekundy, w przeciwnym wypadku potkniesz się i upadniesz.

Reakcja pojawia się z szybkością błyskawicy, gdyż w obwodzie nerwowym kontrolującym ten niezwykle istotny, pozwalający się utrzymać na nogach odruch znajduje się tylko jedna synapsa. Gdy zakończenia nerwowe w ścięgnie rzepki wyczują nagłe szarpnięcie zahaczonego palca (lub uderzenia młotkiem lekarza), wysyłają impulsy biegnące z pręd­kością 320 kilometrów na godzinę aksonem od zakończeń nerwowych do rdzenia kręgowego. Nie ma czasu, by wysyłać sygnały do mózgu, w rdzeniu kręgowym tylko jedna synapsa dzieli ten neuron czuciowy (przynoszący informacje o ruchu nogi do rdzenia kręgowego) od neuronu ruchowego, który wyśle impulsy elektryczne do mięśni twojej nogi, aby szarpnąć podudzie w mgnieniu oka w przód - jedna synapsa dzieli nas od upadku na twarz. (Wiadomość ta zostanie przekazana przez inne obwody nerwowe do mózgu, dotrą tam one jednak dopiero po tym, jak zareagują mięśnie, co odbędzie się bez twojej świadomej kontroli. Z tego powodu w taki zachwyt wprawia nas automatyczna reakcja naszych mięśni na uderzenie młotka doktora).

Taki układ wysp neuronalnych stanowi poważne utrudnienie dla szybkiej komunikacji, taka toporna konstrukcja ma jednak niezaprze­czalne zalety: synapsa staje się punktem kontrolnym zawiadującym przepływem informacji w obwodach neuronów. Synaptyczne punkty kontrolne, na kształt przełączników i regulatorów głośności, znacznie zwiększają możliwości obliczeniowe i zdolność przetwarzania informa­cji w układzie nerwowym, tak że przewyższają one znacznie te, jakie można by osiągnąć, łącząc neurony na „sztywno”. Regulacja przepływu informacji przez synapsę daje możliwość wzmacniania lub osłabiania poszczególnych obwodów, a w efekcie zmiany zachowania obwodów opartej na doświadczeniu, czyli uczenia się. Nasze wspomnienia nie są przechowywane w neuronach jak w zakręconych butelkach, są magazynowane w zespołach neuronów połączonych synapsami. Wraz z nowymi doświadczeniami tworzą się nowe połączenia, inne natomiast zanikają. W pewnym sensie wspomnienia nie są przechowywane w materii, ale w przestrzeniach pomiędzy materią.

Synapsy są czymś znacznie więcej niż tylko połączeniem między neuronami; umożliwiają one elastyczność przetwarzania informacji. Synapsy pozwalają na modyfikację połączeń czynnościowych w oparciu o doświadczenie. Proces uczenia się podlega regulacji bardziej subtelnej niż tylko tworzenie nowych i niszczenie starych synaps: siła połączenia synaptycznego może być bardzo precyzyjnie regulowana w procesie zwanym plastycznością synaps. Jak? Naukowcy zajmujący się pamięcią i uczeniem się prowadzą intensywne badania zmian molekularnych wzmacniających bądź osłabiających połączenie synaptyczne, mechanizm ten jest jednak, w ogólnej zasadzie, całkiem prosty. Poprzez uwalnianie większej ilości neuroprzekaźnika z zakończenia presynaptycznego po nadejściu impulsu lub poprzez zmianę czułości neuronu postsynaptycznego taki sam ładunek wyjściowy w synapsie może powodować większe lub mniejsze zmiany napięcia w neuronie postsynaptycznym, wzmacniając w ten sposób lub osłabiając połączenie.

Proces transmisji synaptycznej ma jeszcze jeden bardzo ważny aspekt: sprzątanie. Komunikacja w zatoce synaptycznej nie powiodłaby się, gdyby jej wody nie zostały szybko oczyszczone z neuroprzekaźnika, po to by można było wysłać kolejną wiadomość. Od dawna wiedziano, że komórki glejowe otaczające szparę synaptyczną przeprowadzają operację oczyszcza­nia. Cząsteczki białek w błonie komórkowej pompują neuroprzekaźnik ze szpary synaptycznej do wnętrza astrocytu - jednego z czterech głównych typów komórek glejowych - gdzie związek ulega ponownej obróbce. Po odfiltrowaniu neuroprzekaźnika i przerobieniu go do postaci nieaktywnej, której nie można pomylić z sygnałem, astrocyt znajdujący się w pobliżu synapsy przenosi przetworzoną substancję z powrotem do terminalu pre­synaptycznego. Następnie neuron za pomocą prostej reakcji chemicznej przekształca nieaktywną formę neuroprzekaźnika w aktywną i ponownie pakuje neuroprzekaźnik w pęcherzyki synaptyczne.

Astrocyty dostarczają również neuronom źródła energii - mleczanu, tej samej substancji, która nadaje smak jogurtowi. Astrocyty dostarczają paliwa proporcjonalnie do potrzeb neuronów.

Te poddańcze, opiekuńcze funkcje komórek glejowych nie budziły specjalnego zainteresowania większości neurobiologów. Niektórzy z nich uważają jednak obecnie, że zależność synapsy od funkcji oczyszczającej komórek glejowych daje tym komórkom możliwość całkowitego przejęcia kontroli nad synapsą.

Jeżeli neuroprzekaźnik nie będzie skutecznie usuwany, komunikacja w synapsie zawiedzie, gdyż zatoka wypełni się przestarzałymi wiado­mościami. Jeżeli neuroprzekaźnik będzie wychwytywany zbyt szybko, wiadomość będzie dostępna zbyt krótko, by komórka postsynaptyczna w pełni z niej skorzystała. Jeżeli potrzeby energetyczne neuronu nie zostaną zaspokojone przez dostarczane przez astrocyty składniki odżywcze, neuronowi zabraknie paliwa. Astrocyty zajmują więc tutaj strategiczną pozycję.

Dopóki uczeni badali komórki glejowe za pomocą tych samych elektrod, które stosowali do badania neuronów, ich wysiłki zmierzające do odkrycia funkcji komórek glejowych w mózgu były skazane na poraż­kę. Ponieważ komórki glejowe nie wytwarzają impulsów elektrycznych, do badania ich udziału w procesach łączności i interakcji z neuronami potrzebna była nowa technika: obrazowanie wapniowe. To dzięki tej technice wykazano reakcję komórek Schwanna na impulsy elektryczne aksonów. Prześledzimy pokrótce przełomowe eksperymenty z zastosowaniem obrazowania wapniowego, najpierw jednak musimy dowiedzieć się czegoś więcej o różnych odmianach komórek glejowych.

Elementy komórkowe drugiego mózgu

Dziś wiemy, że w tkance nerwowej znajdują się, poza neuronami, cztery główne typy komórek glejowych. Dwa spośród nich - komórki Schwanna w nerwach oraz oligodendrocyty w mózgu i rdzeniu kręgo­wym - tworzą otoczki mielinowe aksonów o własnościach izolacyjnych. W mózgu i rdzeniu kręgowym znajdują się również astrocyty i komórki mikrogleju. Komórki mikrogleju chronią mózg przed urazem i chorobą, dzięki czemu odgrywają kluczową rolę w procesach regeneracji mózgu i rdzenia kręgowego po urazach. Istnieje wiele tropów wskazujących na to, że wszystkie rodzaje komórek glejowych mogą odbierać i odpo­wiadać na aktywność elektryczną neuronów.

Wyobraźmy sobie, co z tego mogłoby wynikać. Aktywność elek­tryczna mózgu odpowiada za naszą percepcję, doświadczenia, myśli i nastroje. Komórki glejowe pełnią w naszym układzie nerwowym tak różne funkcje, że mogłyby wywierać wpływ na wiele różnych czynno­ści mózgu, gdyby potrafiły wyczuwać aktywność impulsu nerwowego. Wszystko, od odpowiedzi układu odpornościowego na zakażenie, przez budowanie warstwy izolacyjnej aksonów, tworzenie i odtwarzanie połączeń w mózgu, po procesy naprawcze po chorobie lub urazie, mogłoby pozostawać pod wpływem aktywności impulsu działającego za pośred­nictwem komórek glejowych.

Liczba komórek glejowych przewyższa sześciokrotnie liczbę neu­ronów, stosunek ilościowy tych komórek jest jednak różny w różnych obszarach układu nerwowego. Tak jak tylko przeciętnie stosunek liczby mężczyzn do liczby kobiet wynosi jeden do jednego, wartość ta bywa różna w różnych obszarach. Na przykład proporcja liczby mężczyzn do kobiet może wynosić dziesięć do jednego w męskim zakładzie fry­zjerskim i przyjąć wartość odwrotną w sklepie z materiałami. Wzdłuż nerwów lub dróg nerwowych istoty białej mózgu proporcja komórek glejowych do neuronów sięga stu do jednego, gdyż jeden akson powlekają komórki glejowe tworzące mielinę, rozmieszczone co jeden milimetr na całej długości aksonu. W korze czołowej mózgu człowieka na jeden neuron przypadają cztery astrocyty, wieloryby i delfiny mają natomiast w swych olbrzymich przodomózgowiach aż siedem astrocytów na jeden neuron. Współczynnik ilości komórek glejowych do neuronów jest u nich wyższy niż w korze czołowej jakiegokolwiek innego ssaka. Nikt nie wie, dlaczego tak jest. Wieloryby i delfiny są istotami wysoce społecznymi o dużej inteligencji. Być może podobnie jak w korze mózgowej Einsteina większa liczba komórek glejowych przyczynia się w jakiś sposób do wiel­kiej inteligencji tych zwierząt. Wieloryby mogą też jednak potrzebować większej liczby komórek glejowych dla podtrzymania dobrej kondycji swoich neuronów podczas długich okresów wstrzymywania oddechu w trakcie nurkowania w głębinach oceanu.

Poza mózgiem, w nerwach obwodowych znajdują się innego typu komórki glejowe, otaczające ciasno aksony na całej długości każdego nerwu. Komórki te, nazywane komórkami Schwanna, były pierwszymi komórkami glejowymi, których szczegółowe badania przeprowadziłem, i to właśnie one stały się przedmiotem eksperymentu opisanego wcześniej.

Komórki Schwanna

Moje myśli pobiegły w przeszłość, ku Theodorowi Schwannowi, od nazwiska którego pochodzi nazwa komórek glejowych, które obser­wowaliśmy z Beth, jak rozbłysły światłem, gdy akson wzbudził impuls elektryczny. Co powiedziałby Theodore Schwann, gdyby mógł zobaczyć to, co my ujrzeliśmy - komórki glejowe wykrywające impulsy nerwowe? Większość ludzi wyobraża sobie moment odkrycia jako pełen uniesienia, podobnego do tego po zdobyciu górskiego szczytu i spojrzeniu z góry na świat, lub euforii po wygraniu wyścigu samochodowego albo dużej nagrody. W jedynej w swoim rodzaju mieszaninie emocji rozpętanej przez odkrycie naukowe jest na pewno pewien element uniesienia, dla mnie jednak uczuciami dominującymi są wdzięczność i zdumienie. Natura po raz pierwszy w historii odsłoniła dawno skrywany sekret. Ogarnia cię uczucie wdzięczności i wspólnoty z naukowcami, którzy w różnym czasie i miejscu pracowali, byś ty mógł spojrzeć w głąb natury. Naukowcy wiedzeni tą samą co ty ciekawością pozostawili tropy zapisane w książkach i czasopismach, czując, że znaleźli fragmenty większej zagadki, których nie potrafili połączyć i mając nadzieję, że ktoś w przyszłości znajdzie je, powiąże ze sobą dzięki świeżemu spojrzeniu i odkryje sekret, który, jak czuli, Natura tutaj ukryła.

Theodore Schwann jako dziecko wyróżniał się inteligencją, a jako naukowiec znacznie wyprzedził swoje czasy - i to wyprzedził aż za bardzo. W pierwszej połowie dziewiętnastego wieku naukowcy za­stanawiali się nad substancją istot żyjących, czyli strukturą życia na jego najbardziej podstawowym poziomie. Co czyniło istoty ożywione tak różnymi od rzeczy nieożywionych? Była to era, gdy z alchemii wyłoniła się chemia, która próbowała wytłumaczyć przemiany materii jako wynik fundamentalnych własności atomów, z których składają się wszystkie rzeczy. Theodore Schwann nie tylko odkrył cztery główne typy komórek glejowych, lecz dał nam też pojęcie o budowie komórek jako takich.

Schwann był człowiekiem wrażliwym, pobożnym i skromnym. Tytuł doktora medycyny otrzymał w wieku 24 lat w Berlinie, jego promoto­rem był znany naukowiec Johannes Müller. W wieku 29 lat Schwann sformułował teorię mówiącą, że każdy żywy organizm składa się z komórek. Określił komórkę jako strukturę ograniczoną błoną komórkową otaczającą jądro. Komórki, twierdził, mogą się rozmnażać i zmieniać kształt z prostego na bardziej skomplikowany. Mogą łączyć się w grupy, utworzyć warstwy lub wydrążone masy i całe narządy, a w ten sposób całe ciało Według jego teorii wszystkie rośliny i zwierzęta - każdy element ciała, od kości, ścięgien i mięśni po skórę i krew - zbudowane są z komórek, z których każda ma jedno jądro.

Burząc przyjętą doktrynę teologiczną, Schwann dowodził, że w ciało ludzkie nie została tchnięta tajemnicza siła, przeciwnie, działa ono zgod­nie ze ślepymi prawami natury, analogicznie do materii nieorganicznej rządzonej prawami fizycznymi. Mimo że był pobożnym katolikiem, doszedł do wniosku, że siły życiowe wywodziły się z działania podsta­wowych własności sił natury w świecie nieorganicznym, łączących się, by dać życie. Wyobrażał sobie, że żywe komórki powstają z substancji biologicznych na zasadzie podobnej do krystalizacji w świecie nieorga­nicznym, ale że już istniejące komórki mogą się zmieniać pod działaniem sił fizykochemicznych i fizycznych. Z filozoficznego punktu widzenia Schwann pozbawił Stwórcę życiodajnej mocy i przekazał ją fizykom i chemikom.

Jego krótka i błyskotliwa kariera naukowa obejmowała lata 1834 - 1839. W tym ostatnim roku doświadczył wyjątkowo zjadliwych ataków personalnych ze strony słynnych chemików niemieckich Justusa Liebiga i Friedricha Wöhlera, którzy wyśmiali idee Schwanna w cenionym czasopiśmie naukowym. Kpili oni z jego teorii, według której fermentacja alkoholowa byłaby wynikiem oddziaływania ko­mórek (drożdży) na cukier, obraźliwie przedstawiając na rysunkach komórki wydalające gaz z wyimaginowanych odbytów i sikające alko­holowym moczem z pęcherzy w kształcie butelek wina. Według panu­jącego wtedy przekonania cukier przemieniał się w alkohol w wyniku reakcji chemicznej z udziałem powietrza i związków azotu zawartych w sokach owocowych. W porównaniu z taką racjonalną chemią teoria Schwanna, według której mikroskopijne robaki (drożdże) pobierały cukier i wydzielały dwutlenek węgla i alkohol jako produkty uboczne swojego metabolizmu, wydawała się niedorzeczna, a największe autory­tety naukowe śmiały się otwarcie. Upokorzony Schwann spędził resztę swego życia we względnej izolacji, okresowo cierpiał na depresję i stany lękowe, zrezygnował z kariery naukowej i funduszy, których przecież potrzebowałby na kontynuację swoich badań.

Tak jakby teoria komórkowa i odkrycie komórek glejowych nie były wystarczającym dorobkiem, Schwann dokonał w swej krótkiej, lecz błyskotliwej karierze jeszcze innych fundamentalnych odkryć. Podejrze­wając, że w procesie trawienia biorą udział, poza kwasem solnym, jeszcze inne czynniki, odkrył jeden z najważniejszych enzymów trawiennych, pepsynę, która rozkłada białka z naszego pożywienia. Udowodnił rów­nież kluczową rolę żółci w procesie trawienia.

Niedługo potem świat docenił błyskotliwe idee Schwanna. W roku 1847 angielskie tłumaczenie jego fundamentalnego traktatu nauko­wego Microskopishe Untersuchungen zostało ogłoszone „jednym z naj­ważniejszych kroków na drodze postępu w naukach fizjologicznych”. Teraz nikt się już nie śmiał, ale Schwann zaprzestał już wtedy pracy w laboratorium. Został wynalazcą maszyn dla przemysłu górniczego. Projektował pompy usuwające wodę z kopalń i aparaty oddechowe do akcji ratunkowych, dzięki którym nurkowie mogli pewnego dnia pójść na spacer po dnie oceanu.

Dziś wielu ludzi regularnie płaci Schwannowi haracz w postaci drobnych udziałów. W roku 1890 aptekarz z miasteczka New Bern w Karolinie Północnej Caleb Bradham wynalazł miksturę poprawiającą trawienie, której aktywnym składnikiem była, jak twierdził, odkryta przez Schwanna pepsyna. Ten popularny napój chłodzący nosi nazwę pepsi-cola.

Czym jednak są owe komórki Schwanna przylegające do aksonu jak spłaszczone koraliki na sznurku? Co robią? Skąd pochodzą?

Schwann i inni współcześni mu anatomowie przy użyciu cienkich igieł szklanych starannie rozczesywali nerwy i oglądali rozdzielone włókna pod mikroskopem. Widziany w ten sposób nerw był pęczkiem setek mikroskopijnie cienkich włókien - aksonów nerwu - z których każde przewodziło energię nerwową w postaci czucia i ruchu. Każdy akson był usiany na całej swej długości łańcuchami komórek wyglądającymi jak krople rosy na nitkach pajęczyny.

Tak jak hydraulik dopasowuje odcinki rury, by połączyć zlew z od­pływem, tak Schwann wyobrażał sobie, że akson wychodzący z każdej komórki nerwowej musi powstawać u płodu z łańcucha maleńkich ko­mórek łączących się w długą, cylindryczną tubę aksonu. Przypuszczał, że komórki przylegające do aksonu na całej jego długości są pozostało­ścią owych komórek płodowych. Komórki Schwanna, jak je obecnie nazywamy, mogą być szczątkową pozostałością o znaczeniu w życiu dorosłym nie większym niż pępek, czyli znamię pozostałe po nieporzebnym organie płodowym.

Opisywane komórki glejowe mogłyby również wspomagać i odżywiać aksony dorosłego nerwu. Takie rozsądne przypuszczenie sformułowali inni naukowcy, biorąc pod uwagę odległość między zakończeniem aksonu a ciałem komórki sięgającą czasami jednego metra. Zamiast przesyłać substancje odżywcze z ciała komórki aż do zakończenia aksonu, można by powierzyć to zadanie komórkom Schwanna, które zaopatrywałyby lokalnie każdy segment aksonu od ciała komórki po jego zakończenie. Na odpowiedź na pytania dotyczące komórek glejowych Schwanna trzeba było czekać kolejne sześćdziesiąt lat, ale rozwiązanie zagadki, skąd te komórki pochodzą, zawdzięczamy innemu pionierowi nauki, jakże różnemu od Theodora Schwanna.

Żeglarz umysłu - Fridtjof Nansen

O ile Teodore Schwann był typem osobowości wrażliwej i nieśmiałej, o tyle Fridtjofa Nansena cechowało coś wręcz przeciwnego. Nansen, który żył w latach 1861-1930, zyskał sławę dzięki swym badaniom Arktyki, a tylko nieliczni wiedzą, że ten norweski podróżnik zaczął swą karierę jako badacz układu nerwowego. Od wczesnej młodości uwielbiał otwartą przestrzeń i gdy trafiła się okazja dołączenia do eks­pedycji na statku płynącym na Grenlandię, Nansen, wówczas student zoologii na Uniwersytecie w Chrystianie (obecne Oslo), chętnie z niej skorzystał. Przeprowadzone podczas tej ekspedycji badania małych robaków pasożytniczych opublikowane w roku 1885 pozostają klasyką w swej dziedzinie.

Zacięcie sportowe Nansena i jego fascynacja nieznanym skłoniły go do udziału w pełnej przygód wyprawie przez Grenlandię na nartach. W roku 1888 norweski statek do połowu fok wysadził Nansena i jego pięciu towarzyszy na zamarzniętych wodach u wybrzeża Grenlandii.

Nansen i jego ekipa zdobywali góry, zmagali się z bardzo niskimi tem­peraturami - minus 50°C i przedzierając się na nartach przez okropną mgłę i burze śnieżne, dotarli po trzech miesiącach na zachodnie wy­brzeże. Tak spędzili całą zimę, mieszkając z Eskimosami i poznając ich obyczaje.

Później Nansen sformułował teorię, według której pod lodami Mo­rza Arktycznego płynąłby od Syberii po Grenlandię prąd oceaniczny. Aby udowodnić jej prawdziwość, zaproponował, by uwięzić w lodzie specjalnie zaprojektowany statek, który dryfowałby z owym prądem do jego ujścia. Statek taki, imieniem „Fram”, osadzony w lodzie na 78 stopniach 50 minutach szerokości północnej, podryfował z krą lodo­wą w kierunku bieguna. Czternastego marca 1895 roku Nansen i jego towarzysz Hjalmar Johansen postanowili opuścić schronienie „Frama” i wyruszyć z psim zaprzęgiem na biegun północny, startując z 85 stopni 55 minut szerokości północnej. Nie mając specjalnej nadziei na ponowne spotkanie, towarzysze pożegnali ich, obawiając się, że ekspedycja przy­niesie ich kapitanowi i jego koledze samotną śmierć przez zamarznięcie. Dwóch badaczy przedzierało się dzielnie przez lody Arktyki ku celowi swej podróży u wierzchołka globu, 286 mil od bieguna musieli jednak zawrócić, nie mogąc pokonać bloków lodu. Mimo to doszli jednak na północ dalej niż ktokolwiek wcześniej. Przetrwali zimę polarną, zabi­jając kolejno psy ze swego zaprzęgu, by wyżywić pozostałe i siebie. Sami wśród lodów Arktyki spali w jednym śpiworze, by się ogrzać i przeżyli dziewięć miesięcy, mieszkając w chacie zbudowanej z kości wieloryba oraz skór niedźwiedzi polarnych i morsów zabijanych dla mięsa. Prze­trwali dzięki zwyczajom Eskimosów, które wiele lat wcześniej poznał Nansen podczas swej wyprawy narciarskiej przez Grenlandię.

„Fram” w tym czasie kontynuował swój monotonny spływ uwięziony w krze lodowej, a jego deski jęczały, ciągle zagrożone roztrzaskaniem pod naporem olbrzymiego ciśnienia. W końcu dowlekł się z szybko­ścią kry prawie do brzegów otwartego morza, gdzie załoga uwolniła go wreszcie, używając dynamitu i na podziurawionym statku dopłynęła bezpiecznie do domu, jednak bez kapitana i jego towarzysza.

Pod koniec następnej ciężkiej zimy, po kilku prawie zakończonych śmiercią walkach z niedźwiedziami polarnymi, Nansen i Johansen znaleźli wreszcie ratunek, gdy w maju po przedarciu się przez krę lodową początkowo na piechotę, a później wiosłując w lodowatej wodzie na własnoręcznie zrobionych kajakach, dotarli do forpoczty ekspedycji angielskiej. Po trzech samotnie spędzonych w Arktyce latach Nansen i Johansen spotkali wreszcie swych towarzyszy.

Nansen dokonał wielu odkryć w dziedzinie oceanografii, między innymi wynalazł specjalne urządzenie do badania głębin morskich. Jego Wynalazkiem jest butelka Nansena, której używałem do pobierania próbek wody w latach osiemdziesiątych, pracując jako biolog morski. Nansen otrzymał w roku 1922 Nagrodę Nobla, nie była to jednak nagroda za osiągnięcia naukowe, lecz pokojowa. Jako norweski delegat do Ligi Narodów został uhonorowany nagrodą za działalność humanitarną na rzecz uchodźców wojennych.

Ten badacz Arktyki spotkał na swojej drodze kilku słynnych uczonych zajmujących się układem nerwowym. W roku 1888 Nansen otrzymał za swe badania nad układem nerwowym tytuł doktora filozofii i udał się w podróż z Oslo do Włoch, gdzie odwiedził laboratorium Camillo Golgiego w Pawii. Tutaj nauczył się technik barwienia za pomocą impregnacji srebrem, umożliwiających bardzo wyraźne uwidocznie­nie komórek nerwowych. Nansen przystąpił do opisywania komórek nerwowych i glejowych śluzicy, pokrytej śluzem ryby o groteskowym wyglądzie, podobnej do węgorza, ze ssącym, pozbawionym szczęk py­skiem. Ryba ta jest ważna z biologicznego punktu widzenia, gdyż jest najstarszym ze wszystkich żyjących gatunków istot podobnych do ryb, a jej przodkowie są protoplastami wszystkich zwierząt z rzędu kręgow­ców (płazów, gadów, ptaków i ssaków).

Nansen, wielki podróżnik, wyruszył na poszukiwanie przygód w ośrodkowym układzie nerwowym. Badając te najbardziej prymitywne kręgowce i porównując budowę ich układu nerwowego z układami nerwo­wymi innych zwierząt, dokonał fundamentalnego odkrycia, że wszystkie włókna nerwowe wchodzące do rdzenia kręgowego dzielą się natychmiast na dwie gałęzie. Jedna biegnie w górę rdzenia kręgowego do mózgu, druga w kierunku kości ogonowej. Taka budowa - charakterystyczna dla wszystkich dróg doprowadzających bodźce do układu nerwowego - występuje u wszystkich kręgowców, od ryby po człowieka.

Co istotniejsze, sukces wyostrzonej percepcji Nansena leżał w tym, czego nie mógł zobaczyć. Nansen po prostu nie widział tego, co tak bardzo starał się pokazać mu jego mentor Golgi: połączeń wiążących komórki nerwowe w sieć. Nansenowi każda komórka nerwowa wybarwiona metodą Golgiego wydawała się samotną wyspą. Podobnie jak w przypadku bieguna północnego, którego zdobycia był tak blisko, Nansen był bliżej niż ktokolwiek przed nim, sformułowania koncepcji neuronu jako samodzielnej komórki. Gdyby zaufał swemu zmysłowi obserwacji i nie zgodził się z poglądem swego mentora, że wszyst­kie komórki nerwowe połączone są w sieć, sformułowałby doktrynę neuronów przed Ramónem y Cajalem, który rozpoczął swe badania w tej dziedzinie w roku, w którym Nansen uzyskał tytuł doktora filozofii.

W czasach Nansena przeważał pogląd, że komórki Schwanna spokrewnione są z tkanką łączną, która wiąże w całość wszystkie in­ne komórki. Sądzono, że komórki Schwanna pochodzą od komórek zarodkowych tkanki łącznej, a nie z wyspecjalizowanych komórek zarodkowych tworzących ostatecznie tkankę nerwową. To zakładane „niskie” pochodzenie było jednym z powodów, dla których naukowcy zajmujący się tkanką nerwową tak łatwo zrezygnowali z ich badania, traktując je jak klej komórkowy. Po przeprowadzeniu doświadczeń z komórkami Schwanna Nansen doszedł jednak do wniosku, że przyjęte ogólnie poglądy są błędne i że komórki Schwanna pochodzą z tego samego królewskiego rodu co neurony. Teorię Nansena pochodzenia komórek glejowych udowodnił później słynny embriolog Ross G. Harrison, usuwając z zarodka żaby tkankę zawiązkową, z której powstają neurony. Gdy to uczynił, okazało się, że w dojrzałym zarodku nie było również komórek Schwanna.

Przyjęte poglądy powstrzymywały badaczy od zadania sobie pod­stawowego pytania: jeżeli komórki glejowe powstają z tej samej linii komórkowej co neurony, to jakie to ma znaczenie w aspekcie funk­cji, które mogłyby pełnić? Nansen jednakże, prowadząc szczegółowe badania układu nerwowego zwierząt, zauważył, że komórki glejowe „mogą być siedzibą inteligencji, gdyż (ich liczba) rośnie wraz ze szcze­blem rozwoju zwierząt”. To prawo wzrastającego współczynnika liczby komórek glejowych do neuronów od niższych ku wyższym kręgowcom obowiązuje do dziś. Nansen jako pionier ujrzał „drugi mózg” sto lat przedtem, zanim udało się to komukolwiek innemu.

Komórki Schwanna okrywają włókna nerwowe na całej ich długości do punktu, w którym nerw wchodzi do mózgu lub rdzenia kręgowego, nie przekraczają jednak tej granicy. Dlaczego komórki Schwanna zatrzymują się w tym miejscu, było wielką zagadką. Jeżeli komórki Schwanna są takie ważne, to dlaczego nie ma ich w mózgu ani w rdzeniu kręgowym?

Co więcej, anatomowie zauważyli szybko, że nie wszystkie aksony w nerwach pokryte są komórkami Schwanna. Komórki oplatają tylko aksony o dużej średnicy. Do aksonu o dużej średnicy przyczepione są na całej jego długości setki komórek Schwanna przypominających koraliki naszyjnika, cienkie aksony nie mają natomiast ani jednej takiej perełki. Jeżeli komórki te nie występują w mózgu, a wiele aksonów w nerwach jest ich pozbawionych, to jakie jest ich rzeczywiste znaczenie?

Dzisiaj wiemy, że w naszych nerwach występują trzy rodzaje ko­mórek Schwanna: niemielinujące, końcowe oraz mielinujące komórki Schwanna opisane przed chwilą. Jest to kolejny dowód na lekceważenie komórek glejowych - wszystkie trzy typy pod jedną nazwą. Coś takie­go nie mogłoby mieć miejsca w przypadku neuronów. Każdy z typów komórek Schwanna ma zupełnie inną budowę i funkcję.

Aksony o małej średnicy nie są usiane „perełkami” komórek Schwan­na, nie są też jednak nagie. Te cienkie aksony są połączone ogromnymi kulistymi komórkami trzymającymi wiązki wiotkich aksonów niczym garść spaghetti. Anatomowie nazwali te przypominające pięść komórki niemielinującymi komórkami Schwanna dla odróżnienia od perełkowatych mielinujących komórek Schwanna. Te ochronne niemielinujące komórki Schwanna nie dopuszczają do tego, by najbardziej kruche, cienkie aksony w nerwach pozostawały kiedykolwiek nagie. Niemie­linujące komórki Schwanna podważają sprytną teorię, według której aksony miałyby powstawać w rozwoju zarodkowym poprzez połącze­nie komórek Schwanna w rurę aksonu, gdyż niemielinująca komórka Schwanna zawiera tuzin lub więcej aksonów o małej średnicy w swym wnętrzu. Kilku pionierskich badaczy układu nerwowego przypuszczało, że te komórki glejowe nerwów obwodowych muszą pełnić jakąś ukrytą funkcję, nie było jednak wiadomo, co to miałaby być za funkcja.

Gdy akson dociera do celu - na przykład do synapsy na włóknie mięśniowym, która powoduje skurcz mięśnia - całe jego zakończenie zatopione jest w innej komórce glejowej, która uszczelnia połączenie nerwowo-mięśniowe jak folia termokurczliwa. Komórkę tę nazwano końcową komórką Schwanna lub perysynaptyczną komórką Schwanna (perysynaptyczny, czyli otaczający synapsę). Do niedawna większość badaczy sądziła, że główną funkcją tych komórek jest uszczelnienie zakończeń nerwowych. W ostatnich latach ten naiwny pogląd legł w gruzach wraz z odkryciem, że terminalne komórki Schwanna mogą odbierać informacje i kontrolować ich przepływ.

Obecnie powinniśmy już wiedzieć, że komórki Schwanna dzielą się na trzy główne typy: (l) mielinujące, (2) niemielinujące i (3) końcowe. Mimo że komórki te wyglądają zupełnie inaczej, nazywane są komórkami Schwanna z tego prostego powodu, że dawni anatomowie nie uznali żadnej z nich za komórkę nerwową. Jak się wkrótce przekonamy, każdy z typów komórek Schwanna pełni całkowicie odmienną funkcję, a w przy­padku defektu któregokolwiek z nich nasze nerwy nie pracowałyby prawidłowo. Ten statyczny obraz nie oddaje dynamicznego charakteru komórek Schwanna: reagują one szybkimi zmianami swej struktury i podlegają podziałom komórkowym w odpowiedzi na uszkodzenie nerwu. Komórki Schwanna muszą spełniać wszystkie funkcje różnych wyspecjalizowanych komórek glejowych występujących w ośrodkowym układzie nerwowym (oun).

Komórki Schwanna pozostawały przez lata w cieniu, gdyż nie było powodu, by przypuszczać, że mogłyby odgrywać jakąś rolę w przepływie informacji w nerwach, ale przed moimi oczami na ekranie komputera kryła się jednak tajemnica tego, co przed chwilą zobaczyłem: komórki Schwannana znajdujące się na całej długości aksonu użytego w naszym eksperymencie jakimś sposobem wykryły impulsy przepływające przez włókno nerwowe. Jak komórki Schwanna odbierały sygnały impulsów elektrycznych w aksonach? Ale było jeszcze bardziej intrygujące pytanie: dlaczego komórki Schwanna muszą podsłuchiwać informacje przepły­wające w komórkach nerwowych? I co zrobią z informacjami, które zgromadziły? Te pytania nasunęły się nam, gdy nacisnąłem wyłącznik i obserwowałem, jak światła komórek Schwanna powoli przygasają, a ekran pogrąża się w mglistych ciemnościach milczących neuronów.

Oligodendrocyty: ogród ośmiornicy

Jakie znaczenie mogą mieć komórki Schwanna, skoro ani w mózgu, ani w rdzeniu kręgowym nie ma porównywalnych z nimi komórek? Aksony przekłuwające mózg opuszczają swych partnerów glejowych, przeplatając się przez sieci nerwowe ośrodkowego układu nerwowego. Dawni anatomowie pilnie, lecz bez powodzenia poszukiwali w mózgu i rdzeniu kręgowym komórek podobnych do komórek Schwanna. W koń­cu poszukiwania te doprowadziły jednak do odkrycia oligodendrocytów. Zostały one opisane najpóźniej ze wszystkich rodzajów komórek glejowych i były wielką zagadką dla anatomów. Podobnie jak astrocyty znajdowano je tylko w mózgu i rdzeniu kręgowym, nigdy w nerwach obwodowych. Gdy wreszcie wyjaśniono tajemnicę oligodendrocytów, ukazała się nam najwyżej ceniona, niezwykle złożona forma interakcji między komórkami glejowymi i neuronami - eleganckie partnerstwo między aksonem i komórkami glejowymi o absolutnie podstawowym znaczeniu w szybkim przewodzeniu impulsów. Jest to mielina.

Nazwa oligodendrocyty oznacza „przysadziste dendryty” albo „krótkie gałęzie”. Anatomowie rozpoznawali te komórki po małym ciele komórkowym lub licznych krótkich gałęziach rozchodzących się jak w owocu łopianu, rzepie. Komórki te dryfowały swobodnie po terenie komórkowym mózgu, nieprzyczepione do neuronów ani żadnych innych struktur komórkowych, w izolacji, która nie dawała żadnej wskazówki na temat ich możliwej funkcji. Ramón y Cajal zostawił te komórki glejowe swemu uczniowi Pio del Rio-Hortedze, by się nad nimi zastanawiał, podczas gdy on sam z dziką pasją badał neurony.

Oligodendrocyty znajdowano w mózgu praktycznie wszędzie, naj­więcej jednak było ich w drogach istoty białej. Istota biała biegnie przez część wewnętrzną mózgu kręgowców (ryb, płazów, gadów, ptaków, ssaków i człowieka). Na istotę białą składają się główne linie przesyłowe informacji tworzone przez tysiące aksonów połączonych w pęczki i przekazujących informacje między oddalonymi od siebie częściami mózgu. Anatomowie mogli bez trudu zobaczyć pod mikroskopem, skąd bierze się skrząco biała barwa tych pni. Każdy z aksonów pokryty był substancją doskonale odbijającą światło. W skupionej wiązce mikro­skopu świetlnego akson wygląda jak gałąź drzewa pokryta krystaliczną warstwą lodu po zimowej zawierusze.

Proste badania dowodziły, że owa biała warstwa okrywająca składała się z tłuszczów, gdyż wybarwiały ją barwniki tłuszczowe, a barwniki rozpuszczalne spływały z niej jak woda z ceraty. Co dziwne, aksony nigdy nie były powleczone równomiernie, a każdy z nich pokrywały na całej długości tłuste kropelki, pomiędzy którymi widniała wąziutka naga przestrzeń. Czy była to naturalna struktura otoczek aksonów, czy może to naukowcy rozczesujący powiązane w pęczki włókna nerwowe szklanymi igłami, by oglądać pojedyncze aksony pod mikroskopem, uszkadzali delikatne osłonki.

Te utworzone przez kropelki osłonki aksonów w mózgu przypominały sznury rozpłaszczonych perełek, czyli komórek Schwanna na dużych aksonach w nerwach, kropelki owe jednak pozbawione były jąder, czyli ta tłuszczowa otoczka nie składała się wcale z komórek. Tajemnicze przypominające owoce łopianu oligodendrocyty dryfowały swobodnie w mózgu jak szczątki rozbitego statku. W jaki sposób ta tłusta substancja odkładana była na aksonie?

Naukowcy mogli obserwować proces opłaszczania się aksonu w roz­woju osobniczym, gdyż zaczyna się on w końcowym stadium życia płodowego, a osłonka gromadzi się dalej po urodzeniu lub wykluciu zwierzęcia z jaja. Używane wtedy mikroskopy nie pozwalały w żaden sposób ocenić, czy osłonka była odkładana na zewnątrz aksonów, czy też gromadziła się tuż pod ich błoną komórkową. Gdyby znajdowała się na zewnątrz, mogłyby ją tam nakładać jakieś inne komórki, ale jakie?

Anatomowie tamtej epoki zdawali sobie doskonale sprawę z niedo­skonałości stosowanych przez nich metod barwienia. Jak pokazała metoda Golgiego, nowy barwnik mógł odsłonić przed światem całkowicie nową komórkę nieznaną wcześniej w świecie nauki. Rio-Hortega kontynuował prace nad doskonaleniem metody Golgiego, traktując tkankę mózgową solami różnych metali i innymi substancjami chemicznymi. Nagle wszystko nabrało sensu! Jedna z wypróbowanych przez niego kombinacji barwników ujawniła prawdziwą budowę oligodendrocytów. Rio-Hortega odkrył, że Natura robi mu psikusa, a nazwa oligodendrocyty okazuje się humory­styczna. Odgałęzienia, które uważano za krótkie, opatrując przedrostkiem oligo-, nie kończyły się tam, gdzie przestawał działać stary słaby barwnik. Nowy barwnik pokazał, że wypustki komórkowe sięgały bardzo daleko, a każda wiotka wypustka kończyła się jak długa macka ośmiornicy, owijając się wokół aksonu. Rzep przemienił się w potworną ośmiornicę o tuzinach długich macek, z których każda obejmowała inny akson.

Obecnie wiedziano już, że tłuste kropelki na aksonach to miejsca, gdzie te komórki ośmiornice chwytały akson kilkoma owinięciami ma­cek. Niezliczone wąsy odchodzące od wielu oligodendrocytów tworzą kropelki okrywające cały akson otoczką jak ręce zawodników na kiju baseballowym walczące o to, która drużyna zacznie grę. Odkrycie to wyjaśniło pochodzenie nagich przestrzeni na aksonie pomiędzy ko­lejnymi kropelkami: były to przerwy między przylegającymi do siebie mackami owijającymi się na aksonie. Zrozumiano również, dlaczego w osłonkach mielinowych mózgu i rdzeniu kręgowym nie było jąder komórkowych. W nerwach tułowia i kończyn osłonki mielinowe tworzyły łańcuchy pojedynczych komórek Schwanna przylegających do aksonu jak wagony do toru kolejowego. W ośrodkowym układzie nerwowym natomiast (w mózgu i rdzeniu kręgowym) osłonki mielinowe tworzyły macki wyrastające z oligodendrocytów, których ciało i jądro komórkowe znajdowały się daleko od aksonu.

Teraz jasne już było, że ten uścisk komórek glejowych na aksonach musiał mieć istotne znaczenie: aksony zarówno nerwów obwodowych, jak i mózgu powlekane są mieliną w sposób niezwykle skomplikowany i złożony. U osób cierpiących na stwardnienie rozsiane lub inne choroby demielinizacyjne zniszczenie osłonki mielinowej powoduje wyciek prądu elektrycznego na zewnątrz, blokując przepływ informacji w aksonach ośrodkowego układu nerwowego. Powoduje to paraliż, utratę wzroku i upośledzenie innych funkcji organizmu. Bez tych przypominających ośmiornice komórek glejowych impuls nerwowy nie może dotrzeć do celu, a obwody w mózgu tracą moc.

Dzisiaj nikt nie wątpi, że oligodendrocyty wytwarzają osłonki mieli­nowe aksonów mózgu. Badania przeprowadzone w moim laboratorium wykazały, że komórki te również słuchają aksonów wytwarzających impulsy tak jak komórki Schwanna słuchają aksonów w nerwach. Obec­nie wydaje się możliwe, że komunikacja komórka nerwowa - komórka glejowa może zachodzić między dowolnym typem komórki glejowej w mózgu lub nerwach, również między aksonami i oligodendrocytami. Jakie znaczenie miałby, w świetle naszej obecnej wiedzy na temat umy­słu i osiągnięć medycyny, fakt, że przepływ informacji odbywa się nie tylko w obwodach komórek nerwowych, ale także między komórkami glejowymi?

Astrocyty: komórkowe gwiazdy i tajemnicza choroba

Jesień 1947 roku w Londynie zapowiadała się na jedną z najsuchszych w historii. W niezwykle ciepły jak na tę porę roku poranek 30 października do szpitala londyńskiego przyjęto wrzeszczącego piętnastomiesięcznego chłopca. Wkrótce po jego urodzeniu rodzice zdali sobie, ku swemu przerażeniu, sprawę, że dziecko nie rozwija się prawi­dłowo i zaczęli zmagać się z jego ciągłymi chorobami - a teraz stało się dla wszystkich jasne, że chłopiec jest opóźniony umysłowo. W wieku siedmiu miesięcy głowa dziecka zaczęła niesłychanie rosnąć. W ciągu minionego miesiąca rodzice zauważyli, że głowa rozdęła się o kolejne dwa centymetry w obwodzie. Obecnie czoło malca wybrzuszyło się groteskowo, chłopczyk był rozdrażniony, nocami nie spał, płakał dzień i noc i w żaden sposób nie można go było uspokoić, a dodatkowo męczyły go napady obfitych wymiotów. Po przyjęciu do szpitala stan dziecka pogorszył się do tego stopnia, że nie mogło siadać, a nawet unieść swej rozdętej głowy.

Dziecko miało wysoką gorączkę, a dr Stewart Alexander rozpoczął leczenie, ale penicylina i sulfametazyna nie przyniosły poprawy. Alexander zauważył, że u dziecka poza wysoką gorączką nie występowały ewidentne objawy infekcji. Gorączka szalała przez kolejne trzy tygodnie, ale na nic się nie zdawały nowoczesny sprzęt ani zdobycze medycyny, gdyż w żadnej z książek medycznych nie można było znaleźć prawdziwej przyczyny złego stanu chłopca. Po kilku dniach pobytu w szpitalu wy­stąpiły napady drgawkowe obejmujące prawą połowę ciała malca. Jego prawe oko, ręka, noga oraz usta drgały konwulsyjnie, a po ustąpieniu napadu dziecko zapadało na pięć minut w śpiączkę. Drobniutkie ciało uległo wyniszczeniu i odwodnieniu z powodu biegunek i wymiotów. W końcu 19 listopada 1947 roku gorączka wzrosła do ponad czterdziestu stopni i chłopiec zmarł.

Alexander wiedział doskonale, że przyczyną gorączki i wodogłowia u dziecka (powiększenia głowy spowodowanego narastającym ciśnie­niem płynu w mózgu) nie było zakażenie. U żadnego z rodziców nie stwierdzano w wywiadzie danych sugerujących przyczynę genetyczną. Zlecono sekcję zwłok. Alexander stwierdził nasilone zmiany degeneracyjne w tkance mózgowej dziecka niepodobne do żadnego opisanego wcześniej w medycynie przypadku.

W obrazie mózgu dominowała jedna, bardzo ciekawa cecha: komórki pomocnicze wypełniające przestrzeń między neuronami - astrocyty - pełne były ciał obcych wyglądających jak skupiska maleńkich pręcików. Najbardziej podobny obraz mikroskopowy złogu znany w neuropatologii występuje w chorobie Alzheimera - splątki włókienkowe we wnętrzu neuronów. Jest to jednak choroba wieku podeszłego. Z przeprowadzo­nych przez lekarza badań mikroskopowych przekrojów mózgu przy użyciu różnych barwników wynikało, że struktura i skład chemiczny tych złogów różnią się od spotykanych w chorobie Alzheimera. Co więcej, nic nie wskazywało, by dziwne pręciki atakowały neurony, w których to występują splątki fibryllarne w chorobie Alzheimera.

Duże zmiany stwierdzono również w istocie białej płatów czołowych mózgu chłopca. Znajdowało się tam o wiele mniej oligodendrocytów niż w warunkach prawidłowych, a mielina była wystrzępiona lub nie było jej wcale. Mimo że w neuronach nie znajdowano przypominających pręciki ciał obcych, w korze mózgowej stwierdzano ciężkie zmiany degeneracyjne. Alexander doszedł do wniosku, że pierwotną przyczyną choroby, która doprowadziła do ciężkiego opóźnienia umysłowego, braku mieliny, degeneracji i zgonu, było zaburzenie astrocytów. Choroba nosi obecnie imię lekarza, który ją po raz pierwszy opisał.

Choroba Alexandra dowodzi w sposób tragiczny i dramatyczny, że astrocyty są czymś ważniejszym niż tylko poduszką czy tkanką łączną otaczającą neurony. O co chodziło z tymi chorymi astrocytami, że mogło to zniszczyć mózg dziecka?

Neurochemik Lawrence Eng wyizolował białko z mózgu osób dorosłych chorych na stwardnienie rozsiane, wyniszczającą chorobę powodującą paraliż, ślepotę oraz inne zaburzenia czuciowe-ruchowe i poznawcze. Istotą stwardnienia rozsianego jest upośledzenie przewodnictwa elektrycznego w neuronach wynikające z niszczenia przez układ odpornościowy osłonki mielinowej aksonów, przez co zostają one pozbawione izolacji elektrycznej.

Uzyskawszy przeciwciało przeciw oczyszczonemu białku ekstrahowanemu z mózgów chorych na stwardnienie rozsiane, Eng posłużył się nim przy barwieniu preparatów mikroskopowych mózgów zdrowych i chorych.

Gdy Eng potraktował prawidłową tkankę mózgową przeciwciałem znaczonym zielonym fluoryzującym barwnikiem, zobaczył jaskrawozie­lone światło wskazujące na obecność białka, migoczące w wielu komór­kach mózgowych. Co ciekawe, białko występowało w całym obszarze mózgu, jednak tylko w jednym typie komórek mózgowych. Ta komórka nie była neuronem. Białko, które oczyścił Eng, było nitkowate i ciasno upakowane w wiązki we wnętrzu astrocytów i nigdzie indziej. Występo­wało całkiem obficie w astrocytach prawidłowej tkanki mózgowej, ale w uszkodzonych polach mózgu chorych ze stwardnieniem rozsianym i innymi schorzeniami neurologicznymi lub psychicznymi intensyw­ność jego występowania była wyraźnie zwiększona, a jego duże ilości znajdowały się w znacznie większej liczbie astrocytów. Eng nazwał to białko kwaśnym glejowym białkiem fibryllarnym (glial fibrillary acidic protein, GFAP). Dziś wiemy, że białko to jest elementem szkieletu ko­mórkowego astrocytów, dlaczego jednak zawartość jego w astrocytach wzrasta pod wpływem tak wielu różnych niekorzystnych czynników działających na mózg i w wyniku jego chorób, nie wiadomo. Tajemnicą pozostaje rola, jaką białko GFAP odgrywa w szkielecie komórkowym astrocytów, oraz sposób, w jaki zwiększenie jego ilości może wpływać na czynność astrocytów.

Wiele lat później Michael Brenner, neurobiolog pracujący obecnie na Uniwersytecie Alabamy w Birmingham, badał funkcje białka GFAP w astrocytach metodami biologii molekularnej. Odkrył, że zbyt duża ilość białka GFAP powoduje zadławienie astrocytów włóknami Rosenthala - taki samymi filamentami o kształcie pręcików, jakie widział w mózgu swego młodego pacjenta Alexander w roku 1947 i które zostały obec­nie uznane za cechę charakterystyczną choroby Alexandra. Co więcej, u myszy z nadmiarem białka GFAP w astrocytach rozwijały się wszystkie objawy choroby Alexandra i szybko dochodziło do zgonu. Odkrycia te dowiodły, że opóźnienie umysłowe nie jest wyłącznie wynikiem zaburzeń neuronów, a jego przyczyną może być również defekt astrocytów.

Mimo tak mocnych dowodów na związek między astrocytami a opóźnieniem umysłowym w chorobie Alexandra naukowcy dopiero niedawno zaczęli sobie zdawać sprawę, że przeoczono oczywiste pytanie. Jeżeli astrocyty miały związek z pogorszeniem sprawności intelektualnej w chorobie Alexandra, to czy nie mogą też odgrywać jakiejś roli w wyż­szych czynnościach intelektualnych zdrowego mózgu? Wydawało się jasne, że przeżycie neuronów, tworzenie osłonki mielinowej oraz za­chowanie integralności prawidłowej tkanki mózgowej i budowy mózgu zależy w jakiś sposób od tych drobniutkich niteczek białka we wnętrzu astrocytów.

Magia mieliny

W świecie przyrody obserwuje się wyraźny podział między zwie­rzętami, takimi jak psy i dinozaury, ryby i ptaki, morświny i ludzie, oraz innymi stworzeniami, jak rozgwiazdy i ślimaki, motyle i pszczoły, kara­luchy i małże. Olbrzymia różnica inteligencji i szybkości przetwarzania informacji między zwierzętami posiadającymi kręgosłup (kręgowcami) a go pozbawionymi (bezkręgowcami) jest wynikiem fundamentalnych różnic w układzie nerwowym świata zwierząt. Różnice te mają niewiele wspólnego z neuronami.

Układ nerwowy bezkręgowca ma się tak do układu nerwowego kręgowca jak szkolny kalkulator do superkomputera NASA. Co zadzi­wiające jednak, neurony w mózgu muchy działają tak samo jak neurony w twoim mózgu, często wykorzystując jako neuroprzekaźniki te same substancje chemiczne. Zasadnicza różnica między tymi dwoma grupa­mi zwierząt leży w komórkach glejowych, a dokładnie w komórkach glejowych wytwarzających mielinę (oligodendrocytach i komórkach Schwanna). Kręgowce mają komórki glejowe wytwarzające mielinę, bezkręgowce takich komórek nie mają. Ewolucja udziału komórek glejowych w funkcji układu nerwowego nie mogła mieć dalej idących konsekwencji.

Kręgowce mają o wiele bardziej złożony układ nerwowy niż bez­kręgowce. Układ nerwowy kręgowców jest też scentralizowany, to zna­czy skupiony w mózg i rdzeń kręgowy. U niższych zwierząt, takich jak kraby czy ślimaki, neurony zebrane są w kiście jak winogrona wszędzie tam, gdzie są potrzebne. Dla przykładu, skupiska neuronów znajdują się w każdym segmencie ogona homara, a węzły neuronów w pobliżu części gębowych ślimaka umożliwiają ich ruchy podczas przyjmowania pokarmu. U zwierząt z kręgosłupami natomiast neurony skoncentro­wane są w mózg, czyli jeden superkomputer zamknięty we wnętrzu grubej zbroi kostnej. Kręgosłupy kręgowców chronią ich tak ważny rdzeń kręgowy. Taka koncentracja mocy i złożoność budowy mózgu nie byłaby możliwa bez owej fundamentalnej różnicy między kręgowcami i bezkręgowcami dotyczącej komórek glejowych. To komórki glejowe, a nie neurony stoją za tą biologiczną rewolucją.

Wytwarzające mielinę komórki glejowe owijają aksony tuzinami warstw błony, tworzącymi wokół każdego z nich warstwę izolacyjną jak taśma elektryczna wokół kabla. Pozbawione takiej izolacji bezkrę­gowce muszą radzić sobie z wolno przewodzącymi liniami łączności, z których wycieka prąd elektryczny. Ta utrata sygnału decyduje o tym, jak daleko może dotrzeć impuls elektryczny, zanim całkiem wygaśnie. Jest to zjawisko podobne do spadku ciśnienia wody w dziurawym wężu, tym większego, im dalej od kranu.

Niektóre bezkręgowce, na przykład mątwy, które potrafią szybko się poruszać, znalazły genialną metodę radzenia sobie z brakiem mieliny. W toku ewolucji u mątw i niektórych innych bezkręgowców aksony krytyczne, odpowiadające za ratujące życie odruchy konieczne do uciecz­ki przed drapieżnikami, urosły do bardzo dużej średnicy. Zasada jest prosta: więcej wody nalejesz wężem strażackim niż ogrodowym, nawet jeżeli oba będą przeciekać. Olbrzymie aksony mątwy są tak wielkie, że można je zobaczyć gołym okiem, przygotowując kalmary na obiad. Wyglądają jak mokry bawełniany sznurek o średnicy około jednego milimetra przyczepiony do wewnętrznej powierzchni płaszcza mątwy, który jest jej częścią mięsistą. Płaszcz jest zbudowany tak, by mógł się szybko ścisnąć jak gumowa gruszka do odciągania tłuszczu z indyka. Wytryskająca gwałtownym strumieniem przez mały otwór woda od­rzuca nagle mątwę uciekającą przed drapieżnikiem. Olbrzymie aksony zapewniają mniejszy opór dla przepływu prądu, umożliwiając szybszy przepływ impulsów nerwowych wyzwalających szybką reakcję ucieczki przed drapieżnikiem.

To siłowe rozwiązanie ma jednak liczne wady. Weź pod uwagę, że tysiące otoczonych mieliną aksonów łączy światłoczułą siatkówkę twoich oczu z mózgiem, a każdy z aksonów jest tak cienki, że aż niewidoczny. (Średnica pokrytych mieliną aksonów ludzkiego mózgu nie przekracza jednej tysięcznej milimetra). Gdyby aksony biegnące od twoich oczu nie miały osłonki mielinowej, a kompensowałyby to jak mątwa zwiększe­niem średnicy, aby osiągnąć taką samą prędkość przewodzenia, każdy z twoich nerwów wzrokowych przenoszący informacje z oka do mózgu musiałby osiągnąć średnicę blisko jednego metra. Próby zastosowania tych mało eleganckich rozwiązań technicznych w niezwykle złożonym mózgu kręgowców byłyby z przyczyn praktycznych tak samo skazane na niepowodzenie jak próba budowy komputera z lamp elektronowych zamiast z obwodów scalonych. Przy projektowaniu coraz doskonal­szych mózgów elektronowych podobnie jak w ewolucji coraz wyżej rozwiniętych mózgów biologicznych obowiązuje ta sama zasada - miniaturyzacja. Wytwarzające izolację komórki glejowe umożliwiają taką miniaturyzację poprzez uszczelnienie wycieków prądu elektrycznego w wężu aksonu licznymi zwojami mieliny. Pozwala to niewyobrażalnie cienkim aksonom na niesamowicie szybkie przekazywanie informacji na znaczne odległości w mózgu i nerwach obwodowych kręgowców.

W jaki sposób dokonała się owa rewolucja biologiczna, pozostaje tajemnicą, gdyż mielina nie pozostawia śladów kopalnych. Najbardziej prymitywnymi żyjącymi obecnie zwierzętami, u których występuje mielina, są rekiny i pradawne ryby znane jako chimery. Bardziej prymitywne ryby typu węgorze o ssących, pozbawionych szczek jak u pi­jawek pyskach (minogi i śluzice) nie maja mieliny. Nie znamy zwierząt wykazujących cechy pośrednie, takie jak aksony częściowo pokryte lub skąpo pokryte mieliną. Nie wiemy, z jakich komórek rozwinęły się pierwsze komórki wytwarzające mielinę i czy pojawiły się najpierw w mózgu, czy poza nim. Jest to pytanie szczególnie ciekawe, gdyż jak wspominano wcześniej, mielina wytwarzana jest w mózgu i w nerwach obwodowych przez całkowicie odmienne komórki (oligodendrocyty i komórki Schwanna). Jeżeli istnieje jakieś żyjące brakujące w łańcuchu mieliny ogniwo, to nikt jeszcze go nie znalazł. Mielina pojawiająca się u prymitywnych ryb jest całkowicie ukształtowana zarówno w mózgu, jak i nerwach obwodowych. Co więcej, struktura mieliny tych pradawnych gatunków jest w każdym szczególe tak samo dopracowana jak naszej aż do poziomu mikroskopu elektronowego. Gdy weźmiemy pod uwagę wspaniałość i złożoność zachodzącej między komórkami glejowymi a aksonem interakcji, której wynikiem jest mielina, informacja ta wyda się jeszcze bardziej zaskakująca. W jaki sposób wypracowana została taka skomplikowana choreografia komórek, niezbędna, by komórki glejowe mogły owijać aksony kolejnymi warstwami swej błony komórkowej? Ów taniec komórkowy wymaga zdolności rozpoznawania komórek, ich ruchów oraz syntezy olbrzymiej ilości lipidów i białek błony komór­kowej i kondensacji ich w cieniutkie warstwy niespotykane w żadnym innym typie komórek.

Interakcja między neuronami i komórkami glejowymi jest nie tylko jedną z najbardziej złożonych interakcji między komórkami, z jakimi mamy do czynienia w ustroju, podlega też niezwykle precyzyjnej regulacji. Komórki glejowe odkładają mielinę wyłącznie wokół aksonów, nigdy wokół dendrytów, ciała komórki czy wokół innych komórek, na przy­kład należących do naczyń krwionośnych. Nikt nie wie, w jaki sposób im się to udaje. Nie wszystkie aksony pokryte są mielina, mają ją tylko te, które muszą przewodzić informacje z dużą prędkością na znaczne odległości. Skąd oligodendrocyty i komórki Schwanna wiedzą, które aksony pokryć mielina? Skąd wiedzą, w którym momencie rozwoju mają zacząć to robić?

Trudno zrozumieć, jak ma się proces wytwarzania mieliny do ewo­lucyjnego procesu stopniowych zmian przypadkowo pojawiających się różnic? Jakie zalety mógłby mieć częściowo pokryty mieliną akson? Byłby pewnie równie przydatny jak połowa skrzydła. Wydaje się, iż tajemnicza mielina pojawiła się nagle i równocześnie w ośrodkowym i obwodowym układzie nerwowym. Na pytanie, w jaki sposób dokonała się ta nagła rewolucja, nie potrafimy obecnie odpowiedzieć. Owa rewolucja glejowa była jednak wydarzeniem przełomowym, dzięki któremu życie na Ziemi wzniosło się ponad poziom ślimaków i robaków.

Gdy obserwujesz czaplę wzbijającą się do lotu i z gracją unoszą­cą się w powietrzu nad bagnistym brzegiem lub ogiera galopującego przez otwarte pole, widzisz to, co zawdzięczają kręgowce komórkom glejowym: szybkość i piękno ruchów. Znaczenie mieliny w układzie nerwowym człowieka możemy obserwować na przykładzie rozwoju ruchowego niemowlęcia, które coraz pewniej unosi głowę, czy ciężkiego upośledzenia ruchowego chorych na stwardnienie rozsiane. Wraz z coraz szybszym i bardziej złożonym przetwarzaniem informacji możliwym dzięki wytwarzającym mielinę komórkom glejowym zaczęły się poja­wiać zachowania wykraczające poza proste odruchy bezkręgowców, aż w końcu rozwinął się intelekt i rozum istot ludzkich. Zawdzięczamy to komórkom glejowym.

Komórki mikrogleju: wojsko umysłu

Czwarty z głównych typów komórek glejowych stanowią komórki mikro­gleju. Zostały one odkryte jeszcze przed oligodendrocytami, wzięto je jednak niesłusznie za komórki migrujące do mózgu z naczyń krwionośnych.

Centralny układ nerwowy pozostaje w kontakcie z każdą częścią ciała, tak jak król jednak jest pilnie strzeżony i żyje w ścisłej izolacji. Całkowicie zamknięty w schronieniu kostnym - mózg w czaszce, a rdzeń kręgowy w ruchomej zbroi kręgosłupa - nasz ośrodkowy układ nerwowy odizolowany jest nawet od krwi i płynów opływających wszystkie inne tkanki ustroju. Owa bariera między mózgiem a krwią nazywana jest, jak nietrudno się domyśleć, barierą krew-mózg. Komórki tworzące ściany naczyń w ośrodkowym układzie nerwowym połączone są ze sobą tak ściśle, że komórki i cząsteczki niesione z krwią i przenikające swobodnie do wszystkich innych tkanek ustroju nie mają prawa wstępu do tkanki mózgowej.

Izolacja mózgu za barierą krew-mózg pozbawia go ochrony ze stro­ny układu odpornościowego, który zwalcza zakażenia i choroby, gdyż krążące we krwi i chłonce komórki odpornościowe nie przenikają przez szczelnie zamknięte ściany naczyń krwionośnych mózgu i rdzenia krę­gowego. W jaki sposób mózg broni się więc przed atakami drobno­ustrojów i toksyn?

Otóż mózg posiada własną osobistą straż, specjalny typ komórek glejowych zwanych mikroglejem, najmniejszych i najbardziej dynamicznych spośród komórek glejowych. Każda komórka mikrogleju ma zdolność transformacji z uśpionej, samotnej komórki o licznych wypustkach w niezwykle ruchliwą komórkę pełzakowatą, w którą przekształca się, gdy wykryje niebezpieczeństwo w postaci zakażenia czy urazu. Komórki mikrogleju, przeciskając się przez gąszcz dendrytów i aksonów, śpieszą, by zabić najeźdźcę, atakują i pożerają każdy niebezpieczny drobnoustrój. Komórki te, co nie ulega najmniejszej wątpliwości, w tym właśnie momencie drążą w twym mózgu tunele jak dżdżownice w żyznej ziemi ogrodu. Gdy misja zostanie wykonana, przekształcają się ponownie w stacjonarne komórki o wielu wypustkach, zakamuflowane jak zrzucający jabłka z drzewa strażnicy w Czarnoksiężniku z Krainy Oz, wyglądający jak element krajobrazu.

Komórki mikrogleju stanowią od 5 do 20 procent całej populacji komórek glejowych mózgu. Oznacza to, że na każdy neuron przypada blisko jedna komórka mikrogleju. Każdy neuron ma praktycznie swego własnego, osobistego ochroniarza. Niektóre z tych komórek okręcają się wokół wybranych neuronów, chroniąc je jak agenci tajnych służb osłaniają prezydenta od kul. Ci zdolni do szybkiej przemiany artyści są tak cisi i niepozorni w swym przebraniu, że jeszcze piętnaście lat temu naukowcy sprzeczali się, czy rzeczywiście istnieją. Dr Alois Alzheimer, który opisał chorobę zwyrodnieniową nazwaną od jego nazwiska, napotkał te komórki w badanych preparatach mózgów chorych. Wzbudziły one jego zainteresowanie, gdyż gromadziły się w dużej liczbie wokół płytek starczych w tkance mózgowej, stanowiących charakterystyczną cechę choroby Alzheimera. Zarówno on, jak i kilka innych współczesnych mu autorytetów sądzili, że komórki te wnikają do zmienionej chorobowo tkanki nerwowej z naczyń krwionośnych. (Miał całkowitą rację, gdyż po uszkodzeniu bariery krew-mózg niektóre komórki układu odpor­nościowego obecne we krwi mogą przenikać do uszkodzonej tkanki mózgowej i przekształcać się w komórki mikrogleju).

Od samego początku anatomowie przypuszczali, że komórki mi­krogleju muszą się wywodzić z puli komórek embrionalnych innej niż komórki, od których pochodzi tkanka nerwowa. Ramón y Cajal zgodził się z tym poglądem, nazywając komórki mikrogleju „trzecim elementem”, różnym zarówno od neuronów, jak i od komórek glejowych, które znał. Dzisiaj wiemy, że komórki mikrogleju pochodzą niewątpliwie z innej puli zarodkowej niż te, które dają początek neuronom i pozostałym komórkom glejowym. Komórki mikrogleju wywodzą się z tej samej puli zarodkowej co inne komórki odpornościowe ustroju. Komórki mikrogleju nie wnikają do mózgu, one rozwijają się wraz z nim. Komórki mikrogleju typu blastów migrują do tej części zarodka, z której ma powstać mózg na bardzo wczesnym etapie rozwoju. Kontynuują swój rozwój wraz z mózgiem w życiu płodowym i we wczesnych etapach po urodzeniu. Komórki mikrogleju rezydujące w mózgu nie wywodzą się z krwi, gdyż komórki mikrogleju pojawiają się w tkance mózgowej dużo wcześniej niż w mózgu zarodka zaczną się tworzyć naczynia krwionośne. Komórki mikrogleju nie są, jak widać, tożsame z komórkami immuno­logicznymi pochodzącymi z krwi, czyli monocytami, chroniącymi inne tkanki ustroju, łączy je jednak dalekie pokrewieństwo.

Mniej więcej w momencie narodzin wiele spośród komórek mi­krogleju gromadzi się w określonych obszarach mózgu noworodka i zaczyna budować swe szeregi poprzez szybkie podziały komórkowe. Rio-Hortega nazwał te obszary mózgu „fontannami mikrogleju”. W cią­gu następnych kilku tygodni komórki te rozprzestrzeniają się po całym mózgu, przyjmując swe pozycje w korze mózgowej i przywdziewając tam swe mocno rozgałęzione przebranie, przyczajone w oczekiwaniu na najeźdźców. Ci żołnierze komórkowi obdarzeni są cenną zdolnością wzmacniania swych szeregów poprzez szybkie podziały komórkowe, coś, czego nie potrafią robić neurony.

Komórki mikrogleju obecne są w mózgu wszędzie, rozchodzą się jednak tak, by objąć strażą odrębne, nienakładające się na siebie rewiry. Nic kontaktują się nawzajem fizycznie ani nie splatają swych odgałęzień, pozostają jednak w ścisłej łączności biochemicznej ze swymi towarzyszami. Tak jakby chciały się zakamuflować, dostosowują ukształtowanie fizyczne swych wypustek do warunków terenu komórkowego. W istocie szarej są krzaczaste, a ich wypustki komórkowe rozchodzą się promieniście we wszystkich kierunkach, poruszając bez przerwy komórkowymi pal­cami nad dendrytami i połączeniami synaptycznymi między neuronami w poszukiwaniu oznak uszkodzenia lub choroby. W obrębie włókien dróg nerwowych istoty białej układają liniowo swe komórkowe palce wzdłuż i prostopadle do aksonów, tworząc ochronną sieć.

Komórki mikrogleju wytropią i rzucą się na każdą bakterię, wi­rusa czy resztki komórkowe i pożrą je, atakują też jednak przy użyciu broni chemicznej. Niektóre z substancji chemicznych, które uwalniają - na przykład pobudzający neuroprzekaźnik kwas glutaminowy, cytokiny, tlen reaktywny i związki azotu - są w wysokich stężeniach wyjątkowo toksyczne dla neuronów. Jak wszyscy żołnierze i armie obronne, komór­ki mikrogleju są zarówno wybawcami, jak i potencjalnymi wrogami. Stanowiące efekt uboczny ich działań zniszczenia są przyczyną wielu schorzeń neurologicznych. Komórki mikrogleju wykonują też misje miłosierdzia, niosąc pomoc neuronom w postaci substancji neuroprotekcyjnych rozpylanych na uszkodzone komórki nerwowe.

Liczne odgałęzienia tych krzaczastych komórek inkrustowane są siatką czujników komórkowych gotowych w każdej chwili wykryć oznaki zagrożenia lub choroby. Mają receptory dla cząsteczek rozpoznania immunologicznego, sygnałów nawigacyjnych nastawionych na siebie i innych, rozpoznających obce komórki atakujące mózg. Posiadają też pewne czujniki podobne do tych, które mają neurony (receptory dla neuroprzekaźników i kanały jonowe), dzięki którym komórki mikrogleju potrafią nie tylko wykrywać atakujące komórki i warunki toksyczne, ale również monitorować czynność neuronów i reagować na wszelkie przejawy zaburzeń ich funkcji.

Ze względu na swój zasób toksycznej broni, układ czujników zdolnych do reakcji w warunkach choroby i monitorowania stanu neuronów oraz zdolność uwalniania białek gojących, które potrafią naprawiać neurony, komórki mikrogleju zasługują na bliższą uwagę. Jak widzieliśmy, komór­ki mikrogleju uzbrojone są w silnie działające enzymy, dzięki którym potrafią na swej drodze do ataku na nacierający drobnoustrój przecinać zrąb białkowy wiążący komórki w tkankę. Pewne dowody wskazują też, że komórki mikrogleju potrafią, używając tej broni, niszczyć połączenia synaptyczne neuronów - nie tylko w chorobie, ale również w konstrukcji obwodów niezbędnych w procesie uczenia się. Komórki mikrogleju, jak się wydaje, cechuje zdolność odłączania połączeń między neuronami.

Jaki udział mają komórki mikrogleju w zachowaniu zdrowia mózgu? W jaki sposób powodują jego uszkodzenie? Czy działają same, czy też w sojuszu z astrocytami lub oligodendrocytami, czy też oboma tymi typami komórek? Czy ulegają zanikowi wraz z wiekiem gospodarza? Czy leki mogą oddziaływać na komórki mikrogleju i pomagać im leczyć choroby ? I wreszcie, czy komórki mikrogleju mogą wpływać na zdolności intelektualne, takie jak poznanie i pamięć ? Na te i inne pytania dotyczące roli komórek glejowych w zdrowiu i chorobie będziemy próbowali odpowiedzieć w dalszej części książki.

Teraz jednak powróćmy do komórek glejowych przedstawionych w innych zeszytach Ramóna y Cajala - do astrocytów.

Astrocyty - źródło energii mózgu

Pierwsze przypuszczenia, że mózg ma drugą, niewykazującą aktyw­ności elektrycznej część wchodzącą w interakcje z neuronami, pojawi­ły się podczas prac badawczych nad astrocytami. Należy pamiętać, że astrocyty były tymi komórkami mózgu, które wprawiły w zakłopotanie Ramóna y Cajala, i pierwszym z głównych typów komórek glejowych, jaki poznano. Do ich najlepiej poznanych cech zaliczamy olbrzymią zmienność i brak aksonu oraz dendrytów. Astrocytów jest, w zależno­ści od tego, jaką okolicę mózgu badamy, dwa do dziesięciu razy więcej niż neuronów. Wielu badaczy jest zdania, że w naszym mózgu jest co najmniej tyle typów astrocytów co typów neuronów. Z powodu naszej ignorancji jednak wszystkie te komórki noszą, z kilkoma istotnymi wy­jątkami, wspólną nazwę.

Astrocyty znajdują się wszędzie w mózgu i rdzeniu kręgowym, nie znajdziemy ich jednak w nerwach obwodowego układu nerwowe­go. Astrocyty występują w nerwach wzrokowych, gdyż oko powstaje w rozwoju zarodkowym jako uwypuklenie wyrastające z mózgu i jest faktycznie częścią mózgu.

Astrocyty wspierają neurony na wiele sposobów. Dostarczają fizycz­nego zrębu jako podpory strukturalnej, zaopatrują neurony w energię i usuwają ich produkty przemiany materii oraz reagują na uraz mózgu, tworząc blizny. Astrocyty, jak wszystkie żywe komórki, mają napięcie elektryczne, nie wytwarzają jednak impulsów nerwowych. Jednakże ich stałe napięcie, podobne do tego w baterii, może ulegać wzmocnieniu lub powolnemu osłabieniu w niektórych ciekawych okolicznościach.

Potasowy akumulator do lądowania

Mózg jest urządzeniem elektrycznym, skąd jednak pochodzi prąd elektryczny w komórce nerwowej? Każdy neuron ma swój własny ko­mórkowy akumulator. Wszystkie prądy elektryczne w naszym mózgu są wynikiem ruchu naładowanych jonów znajdujących się w roztworach soli, nie zaś wolnych elektronów w przewodach. Akumulator zasilający komórki nerwowe jest dopełniany przez te naładowane jony. Podobnie jak wszystkie akumulatory neuron uzyskuje napięcie dzięki niewielkiej nierównowadze w ilości ładunków ujemnych i dodatnich po przeciwnych stronach bariery rozdzielającej dwa bieguny. Ładunki dodatnie i ujem­ne przyciągają się i dlatego w każdych warunkach nierównomiernego rozkładu ładunków jony poruszają się w kierunku jonów o ładunku przeciwnym, by przywrócić równowagę. Ten przepływ ładunków jest prądem elektrycznym.

Błona komórkowa jest barierą między biegunami akumulatora w neuronie, oddzielającą wnętrze komórki od przestrzeni międzyko­mórkowej. We wnętrzu komórki nerwowej jest nadmiar ładunków ujem­nych dających napięcie -0,1 wolta. Jeżeli ta nierównowaga jonów po obu stronach błony komórkowej spadnie do zera, akumulator neuronu ulegnie wyczerpaniu, a neuron stanie się elektrycznie niemy, niezdolny do wytwarzania impulsów. W tym momencie do gry wkraczają astrocyty, które odgrywają kluczową rolę w zachowaniu odpowiedniej równowagi jonowej w przestrzeni międzykomórkowej naszego mózgu. Kontrolując zawartość naładowanych jonów w płynie międzykomórkowym, komórki glejowe ładują akumulatory i pomagają w utrzymaniu źródeł energii dla neuronów.

Astrocyty jak gąbki wchłaniają usunięte z komórki nerwowej jony potasowe znajdujące się w jej pobliżu, wsysając je we własną cytoplazmę. Jony potasowe są uwalniane z komórek nerwowych podczas wytwarzania impulsów nerwowych. Nagromadzenie nadmiaru jonów dodatnich we wnętrzu astrocytu nie stanowi problemu dla funkcjonowania ko­mórek glejowych, gdyż nie komunikują się one przez wytwarzanie impulsów elektrycznych. Usuwanie nadmiaru jonów potasowych ma natomiast kluczowe znaczenie dla odnowy potencjału elektrycznego neuronów.

W jaki sposób astrocyty gromadzą i pozbywają się nadmiaru jo­nów potasowych? Astrocyty połączone są kanałami białkowymi, tzw. gap junctions, tworząc dużą sieć komórkową. Kanały te nie tylko łączą astrocyty jak zatrzaski, umożliwiają też swobodny przepływ potasu pomiędzy sąsiadującymi ze sobą komórkami glejowymi. Połączenia typu gap junctions umożliwiają astrocytom wypompowywanie potasu z otoczenia neuronu, który wytwarzając impulsy elektryczne, wyrzuca jony potasowe, rozpylając nadmiar jonów dodatnich do sieci astrocytów. Społeczność komórek glejowych połączonych gap junctions współpracuje, by utrzymać w okolicy neuronów właściwe stężenie jonów potasowych. Do pozbywania się nadmiaru potasu służą wyspecjalizowanym astro­cytom specjalne struktury zwane stopami końcowymi. Te wypustki komórkowe chwytają małe naczynia, podobnie jak czynią to czepiające się stopy nietoperza. Przez takie stopy końcowe astrocyty wyrzucają do krwiobiegu nagromadzony potas, oczyszczając mózg z odpadów powstających w wyniku aktywności neuronów.

Konsekwencje awarii mechanizmu umożliwiającego astrocytom utrzymanie właściwego stężenia jonów potasowych wokół neuronów są oczywiste. W okresie wzmożonej aktywności neuronów, której skrajnym przykładem jest napad drgawkowy, stężenie potasu wokół neuronów narasta bardzo szybko, a jego usuwanie przez astrocyty nabiera decy­dującego znaczenia. Bez astrocytów pochłaniających jony potasowe aktywność elektryczna mózgu uległaby wyczerpaniu. Mózg niezdolny do prawidłowego ładowania swych neuronalnych baterii wytwarza płaskie fale. W porównaniu z prawidłowymi falami mózgowymi takie spłaszczone fale, zwane szerzącą się depresją czynności bioelektrycznej, przypominają przyćmione światło lampy błyskowej, zbyt słabe, by mo­gło prawidłowo działać. Takie stłumione fale widzimy w zapisach EEG w wielu stanach chorobowych.

Aby mózg mógł pracować prawidłowo, astrocyty muszą dostoso­wywać się do różnych i ciągle się zmieniających wymagań neuronów. Czy nie oznacza to, że astrocyty w jakiś sposób nadzorują działania neuronów? Czy obecność w mózgu rozległej sieci astrocytów wzajemnie połączonych przez gap junctions nie sugeruje możliwości istnienia w mózgu innej komórkowej sieci łączności?