R. Douglas Fields
DRUGI MÓZG

Rozdział 3

Transmisja z drugiego mózgu: komórki glejowe znają i kontrolują twój umysł

W roku 1966 Richard Orkand, John Nicholls i Stephen Kuffler, pionierzy elektrofizjologii (nauki zajmującej się badaniem impulsów elektrycznych w neuronach), wolno przesuwali elektrodę wzdłuż nerwu wzrokowego znieczulonej ryby i obserwowali przy tym instrumenty elektroniczne zaprojektowane tak, by wykrywać potencjały wytwarzane przez neurony. Wskazówka wychyliła się nagle od zera do 100 miliwoltów i powróciła do pozycji zerowej. Gdy wprowadzili elektrodę głębiej w nerw, zjawisko powtórzyło się, tak jak w wypadku zarzucenia wędki na coraz głębszą wodę. Powtarzało się to cyklicznie w trakcie prze­suwania elektrody wzdłuż nerwu wzrokowego i z powrotem podczas wycofywania elektrody.

Obserwacje te zaintrygowały naukowców, którzy wiedzieli, że cienkie aksony nerwu wzrokowego były stanowczo zbyt małe, by mogła w nie wniknąć elektroda, a odnotowane potencjały nie mogły pochodzić z aksonów nerwu wzrokowego. Jedyny wniosek, jaki się nasuwał, to ten, że elektroda napotkała komórki glejowe nerwu wzrokowego, dokładniej mówiąc, astrocyty leżące między aksonami. Czy astrocyty mogą w jakiś sposób uczestniczyć w przewodzeniu impulsów w aksonach? Naukowcy, przy użyciu swych elektronicznych instrumentów, zaczęli zgłębiać ten problem, dostarczając pierwszych dowodów, że owa druga strona mózgu może robić coś więcej, niż tylko sklejać neurony ze sobą.

Zaświecili w siatkówkę ryby i potencjał we wnętrzu astrocytów nagle się obniżył. Komórki glejowe odpowiedziały na bodziec świetlny! Jak? Po przeprowadzeniu znacznej ilości badań doszli do wniosku, że komórki glejowe w nerwie wzrokowym reagowały na naładowane dodatnio jony potasowe uwalniane z aksonów, gdy światło na siatkówce stymulowa­ło aksony do wysyłania impulsów elektrycznych do mózgu. Jak sobie przypominasz, naładowane dodatnio jony potasu uwalniane są z akso­nów zawsze wtedy, gdy te wytwarzają impulsy nerwowe. Naukowcy założyli, że astrocyty, odsysając jony potasowe podczas swych czynno­ści oczyszczania, nagromadziły ładunki dodatnie, które doprowadziły do obniżenia ich ujemnego potencjału charakterystycznego dla stanu spoczynku tych komórek. Światło pobudzające siatkówkę doprowadziło do wytworzenia impulsów nerwowych w aksonach i uwalniania jonów potasowych wchłanianych następnie przez astrocyty, co spowodowało zmianę potencjału w ich wnętrzu na bardziej dodatni.

Były to pierwsze sygnały, że komórki glejowe mogą reagować na im­pulsy elektryczne w neuronach, potraktowano je jednak jako ciekawostkę niewartą większej uwagi. Obniżenie potencjału we wnętrzu astrocytów wynikało w prosty sposób z ich dobrze znanej funkcji oczyszczania, polegającej na utrzymywaniu środowiska komórkowego neuronów w nieskazitelnej czystości. Impuls wpływał na astrocyty w taki sposób, nie było jednak żadnych widocznych skutków takiej interakcji. Wiele lat później, przy użyciu nowych metod obrazowania zmian chemicznych we wnętrzu żywych komórek, obalono tę hipotezę, udowadniając, że astrocyty wykorzystują, poza wolnymi zmianami potencjału, inne, nieelektryczne środki łączności. Elektrody przeznaczone do wykrywania impulsów elektrycznych w neuronach nie mogły reagować na zupełnie inne chemiczne środki przekazu stosowane w tej części mózgu. Wyposa­żeni w nowe narzędzia naukowcy przekonali się obecnie, że astrocyty nie tylko reagują na stymulację wzrokową, ale także uczestniczą w procesie widzenia, kontrolując neurony.

Elektronowe lampy próżniowe i wiązki elektronów: nowa granica

Często porównujemy mózg do urządzenia elektronicznego. Neurony są jak obwody scalone, synapsy są tranzystorami, aksony przewodami, ale czym są komórki glejowe? Porównanie komórek glejowych do cyny lutowniczej nie jest już aktualne. Niektóre komórki glejowe, na przykład komórki Schwanna, pełnią rolę izolatorów, czy jednak i inne komórki glejowe mogą działać analogicznie do innych podzespołów elektronicz­nych? Przekaźników? Baterii? Procesorów równoległych? Komórki glejowe mogą przyczynić się do upadku wyświechtanego porównania mózgu do urządzenia elektronicznego.

Gdy byłem chłopcem, wnętrzności telewizora przypominały widok miasta, a lampy elektronowe promieniowały żywym ciepłem. Gdy coś niedobrego działo się z obrazem, co było wydarzeniem sporadycznym, aczkolwiek spodziewanym, zaglądałeś do skrzyni w poszukiwaniu zimnej szklanej lampy, która właśnie zgasła. Pod każdym supermarketem stał kiosk z szeregiem gniazdek, do których można było dopasować charak­terystyczny układ szpilkowych wtyczek na spodzie podejrzanej lampy. Podłączona lampa oczekiwała na werdykt, który padał po naciśnięciu czarnego guzika. Igła miernika podążała ku strefie zielonej oznaczającej „dobra” lub wpadała nagle w czerwoną strefę śmierci: „zepsuta”. Jeżeli lampa była martwa, otwierałeś znajdującą się niżej szufladę i wybierałeś odpowiedni zamiennik.

Po powrocie do domu zakładałeś nową lampę do pustego gniazdka We wnętrzu mahoniowej ramy chorego telewizora. Włączałeś przycisk doprowadzający moc napełniającą szczęśliwą nową lampę ciepłym poma­rańczowym światełkiem, gdy dołączała do brzęczącego koncertu innych, a przez falującą zamieć śnieżną i działające na nerwy trzaski przebijały się wyraźne głosy i ruchomy obraz Huntleya i Brinkleya przekazujących wiadomości dnia.

Obecnie, dzięki olbrzymiemu postępowi w dziedzinie elektroniki, społeczeństwo zostało zalane niezmierzoną ilością i różnorodnością telewizorów i niezliczonych innych urządzeń elektronicznych, ale nikt, kto je kupuje, nie wie jednak, jak działają. Jest to zjawisko bardzo niepokojące. W przeciwieństwie do wczesnej ery elektroniki, we wnętrzu plastykowego pudła dzisiejszego telewizora zobaczyć można małe czarne wafelki przyklejone do miętowo zielonych kart upstrzonych lutowanymi krostami i jamkami, pod powierzchnią których uwypukla się labirynt cienkich miedzianych przewodów przypominający mapę tokijskiego metra. Czy telewizor jest zdrowy, czy chory, jest tam zimno i ciemno. Wnętrzności są pozbawione życia i bezduszne. W żaden sposób nie można się zorientować, jak urządzenie działa, co może być nie tak lub jak je naprawić, gdy się zepsuje. Zaglądając do wnętrza dzisiejszego telewizora, czuję się bezradny. Nikt nie potrafi tego naprawić. Sam pomysł, żeby pójść do najbliższego supermarketu, aby zdiagnozować usterkę i kupić zamiennik zepsutej części, wydaje się niedorzeczny.

Trudno jest żyć w świecie, którego nie potrafimy pojąć. Gdy sprawa dotyczy wszechświata biologii - nauki o życiu, a szczególnie o ciele człowieka - pragnienie wiedzy staje się naglące, ostre i osobiste. Jak to działa? Dlaczego czuję lub robię to, co robię? Tajemnice wzrastania, trawienia, reprodukcji, zdrowienia i choroby stymulują naszą wyobraźnię i budzą nieodparte pragnienie wiedzy.

Idąc tym tokiem myślenia, najważniejszy silnik ludzkości mieści się w jednym narządzie ludzkiego ciała, narządzie, który osiągnął taką moc abstrakcyjnego myślenia i analizowania świata, że przedarł się przez granice pytania o to, jak zadaje pytania. W jaki sposób postrzega świat, marzy, myśli, panuje nad ciałem, ośmiela się zerwać z wiążącą to wszystko logiką, próbując zrozumieć wewnętrzny mechanizm swego działania.

Historia nauki o mózgu znalazła się teraz w szczególnym momen­cie. Natura rozciąga przed nami nieskończone obszary złożoności, ale w pewnych punktach historii postępu naukowego osiągamy szczyt no­wej góry, z której rozciąga się widok na nowy horyzont odkryć. Z tej perspektywy i w tym określonym punkcie czasowym widzimy wszystko w innym świecie. Wkrótce, gdy zejdziemy w gąszcz i pochłoną nas zarośla złożoności, wrócimy do punktu, w którym nikt nie będzie w stanie objąć tego wszystkiego swym umysłem. W obecnej jednak chwili znajduje­my się na wierzchołku góry badań nad mózgiem i patrzymy na świat komórek glejowych nowymi oczami.

Czyni to temat ekscytującym i dla wszystkich zrozumiałym. Wkrótce postęp nauki doprowadzi nas tam, gdzie tylko specjaliści będą mogli cokolwiek dostrzec i zrozumieć. Ale w tej chwili wiesz tyle samo, a w zasa­dzie więcej niż pierwsi uczeni, którzy w początkach dwudziestego wieku wyruszyli na ten nowy front nauki o mózgu uzbrojeni w najprostsze narzędzia, żyletkę i mikroskop. Bez podstaw teoretycznych ani mapy, która mogłaby ich poprowadzić, ośmielili się iść naprzód za jałowym założeniem, kierując się tylko swym rozumem. Musieli stworzyć nową terminologię, nadając nazwy cudom, które odkryli pod mikroskopem, i starali się to wszystko zrozumieć, myśląc intensywnie i dzieląc się swymi obserwacjami z towarzyszami tej samej podróży.

To do tej podróży możesz się teraz przyłączyć. Będziesz musiał na­uczyć się nowego języka, a czasami intensywnie i inaczej niż dotychczas myśleć, ale teraz jest jedyna okazja. Wszystko w twoich rękach.

Gry wideo i laserowe miecze: tajemnice komórek glejowych opisane jasnymi słowami

Synapsa jest tranzystorem mózgu, najważniejszym przełącznikiem łączącym neurony w obwody, dzięki którym myślimy i czujemy, pa­miętamy i mamy nadzieję. Czy jest to jednak jedyna droga przepływu informacji w mózgu? Gdyby istniała inna droga przekazywania tych informacji, wprowadzanie przewodów do komórek glejowych w spo­sób, w jaki elektrofizjolodzy podłączają swe elektroniczne wzmacniacze do neuronów, nie wykryłoby jej. Komórki glejowe nie komunikują się za pomocą impulsów elektrycznych. Do badań komunikacji komórek glejowych opracowano dużo bardziej wyrafinowaną metodę. Podobnie jak w przypadku płyt kompaktowych odtwarzanych przy użyciu wiązki laserowej przewyższającej jakością prymitywną igłę odtwarzacza płyt winylowych, sekrety komórek glejowych odsłoniła nam, dosłownie, wiązka światła.

Szybki postęp techniczny lat 80., którego motorem była eksplozja rynku gier wideo, legł u podstaw rozwoju rewolucyjnych metod obra­zowania wapniowego. Rynek zabawek elektronicznych napędzał rozwój i produkcję nowych i przystępnych cenowo domowych komputerów z udoskonaloną kolorową grafiką, przeznaczonych do odtwarzania gier wideo. Nowe pokolenie anatomów próbowało bawić się tymi technologiami, wykorzystując je na przykład w mikroskopie, powstały w ten sposób nowe urządzenia - wideomikroskopy. Mikroskopy te, sprzężone z komputerami, wykorzystywały nowe możliwości obróbki obrazów o wiele doskonalsze od przestarzałych metod barwienia tkanek kolo­rowymi barwnikami dla ukazania ich budowy komórkowej. Wideomikroskopia pozwoliła naukowcom zobaczyć po raz pierwszy budowę niewybarwionej, żywej komórki, a nawet obserwować przepływ jonów uczestniczących w procesach fizjologicznych w komórce, odsłaniający przed nauką drugi mózg.

Sygnalizacja wapniowa: światło zastępujące elektrody

Poza laboratorium najchętniej nosi szorty i hawajskie koszule i gra na swej gitarze Gibson J-200 klasycznego rock and rolla, ale w swej karierze naukowej na Uniwersytetach Yale i Stanforda Stephen J. Smith specjalizuje się w budowie i zastosowaniu wideomikroskopów i nowo­czesnych mikroskopów laserowych w wizualizacji wzrostu i spadku poziomu jonów wapnia w żywych komórkach. Obecnie wiadomo, że te sygnały wapniowe są podstawowym środkiem stosowanym przez komórki do przekazywania informacji ze środowiska zewnętrznego przez błonę komórkową i do płynów wewnętrznych komórki (jej cytoplazmy). Jony wapnia są środkiem przekazywania zakodowanych informacji ze świata zewnętrznego do komórek.

Na powierzchni komórek znajduje się olbrzymia różnorodność czuj­ników monitorujących nieustannie ich środowisko chemiczne. Gdy wyspecjalizowany receptor wykrywa konkretny związek chemiczny, na jaki zgodnie ze swym przeznaczeniem ma reagować, sygnalizuje alarm dla całej komórki, otwierając w jej błonie komórkowej pory, przez które na krótko napływają do komórki jony wapnia. Ten sygnał wapniowy znaczy to samo co „Uwaga, Brytyjczycy” i stawia wszystkie elementy komórki w gotowości na wydarzenia, przed którymi ostrzegał wartownik, oraz zarządza przygotowania do odpowiedniej reakcji komórki. Zanurzając komórki w roztworze barwnika fluoryzującego tajemniczym zielonym światłem w obecności wapnia, Stephen J. Smith wraz z innymi entuzja­stami wykorzystywał tę nową metodę do badania sygnałów wapniowych stanowiących reakcję żywych komórek na różnego rodzaju bodźce.

Nasze komórki wykorzystują wapń jako sygnał, gdyż wszystkie komórki naszego ciała żyją praktycznie w morzu wapnia. We wnętrzu komórek mamy natomiast zupełnie inną sytuację. Pompy błony ko­mórkowej, na zasadzie podobnej do pomp utrzymujących odpowiedni poziom morza w systemie grobli, nieustannie wypompowują wapń, którego poziom we wnętrzu komórek jest 10 milionów razy niższy niż na zewnątrz. Stwarza to doskonałe warunki do wykorzystywania jonów wapnia jako ważnych przekaźników we wnętrzu komórki. Część wapnia wtłaczana jest również do cytoplazmatycznych zbiorników magazy­nujących, zwanych reticulum endoplazmatycznym. Czynność pomp jest istotna nie tylko dla usuwania resztek jonów wapnia z cytoplazmy, reticulum stanowi też rezerwuar, który może uwalniać znaczne ilości wapnia i aktywować odpowiedź komórkową w odwrotnym kierunku.

Wapń jest najważniejszym przekaźnikiem informacji we wnętrzu wszystkich komórek, koordynującym reakcje komórki na nieustanne zmiany w ich środowisku. Również neurony stosują ten system informa­cji wewnątrzkomórkowej. Wyspecjalizowane kanały jonowe w błonie komórkowej neuronu wykrywają zmiany potencjału generowane przez impuls nerwowy biegnący wzdłuż jego aksonu. Te kanały białkowe otwierają się na krótko w odpowiedzi na impulsy elektryczne, wpusz­czając strumień jonów wapnia do wnętrza neuronu. Monitorując owe pobudzenia wapniowe pulsujące w cytoplazmie w reakcji na zjawiska elektryczne zachodzące na powierzchni, mechanizmy ukryte w głębi komórki stale nadzorują zjawiska elektryczne w środowisku zewnątrz komórkowym. Przy użyciu nowych technik obrazowania wapniowego naukowcy mogą teraz praktycznie obserwować powstawanie impulsów elektrycznych w neuronach.

Rewolucyjne osiągnięcia w zakresie obrazowania wapniowego ży­wych komórek okazały się takie istotne, gdyż otwarły przed uczonymi nowe możliwości obserwacji żywych komórek w czasie rzeczywistym. Barwniki fluoryzujące w wyniku wiązania jonów wapnia wydobyły na światło dzienne wiadomości komórkowe, dawniej skrzętnie przed nami ukryte. Anatomowie nie szukali już klucza do tajemnic funkcjono­wania żywych komórek w przestrzeni ograniczonej do badań martwych tkanek naszpikowanych konserwantami i wybarwionych dla ukazania ich martwej struktury. Naukowcy mogli teraz obserwować procesy za­chodzące we wnętrzu żywych komórek, oglądając je pod swymi nowymi wideomikroskopami.

Ten nowy typ anatomów wyróżniał się nie tylko rewolucyjnymi metodami obrazowania, które stosował, ale również temperamentem. Tradycyjni anatomowie, pracujący w wolnym, metodycznym tempie kustosza muzeum, starannie badający i porównujący drobne różnice w budowie setek oglądanych preparatów, ustąpili pola szybko, odru­chowo myślącym elektrofizjologiom, którzy w lot analizowali dane uzyskane z żywych komórek. Wykorzystując całą swą inteligencję, ci nowi anatomowie - fizjolodzy - musieli szybko dokonywać krytycznych obserwacji i formułować sądy, zanim komórka umarła. Byli to naukow­cy poszukiwacze, którzy nie bali się pójść w jednej chwili za inspiracją i zaimprowizować nowy eksperyment, opierając się na tym, co zobaczyli. Ci nowi anatomowie przypominali bardzo elektrofizjologów, głównie dlatego, że posługiwali się zupełnie nowymi technikami obrazowania. Musieli szybko odróżniać reakcje ważne i prawdziwe od trywialnych i fałszywych, stojąc w obliczu zjawisk, których nikt przed nimi nie widział. Musieli szybko i w sposób błyskotliwy analizować i rozwiązywać problemy techniczne i likwidować awarie sprzętu, póki komórka stanowiąca przed­miot ich gorączkowych poszukiwań jeszcze żyła. Nie było to śledztwo przeznaczone dla osób ceniących sobie pracę od ósmej do piętnastej, gdyż samo strojenie instrumentów i przygotowanie żywych próbek biologicznych kończyło się dopiero wtedy, gdy reszta pracowników już szła do domu. Gdy reakcja ruszyła, naukowcy pracowali jak szaleni, próbując do końca wycisnąć wszystkie dane ze swego komórkowego jeńca w ostatnich godzinach jego życia.

Początkowo cała uwaga badaczy skupiona była na obserwacji sy­gnałów wapniowych w neuronach, niektórzy z nich pomyśleli sobie jednak, że skoro astrocyty potrafią w jakiś sposób wyczuwać sygnały nerwowe, musi to znajdować odzwierciedlenie we wzroście poziomu wapnia w cytoplazmie komórki glejowej. Jeżeli istniał jakiś drugi mózg, to stosując tę metodę - powstałą na bazie mieszanki gier wideo i mi­kroskopii - można było go odnaleźć.

Kropelka światła: neuroprzekaźniki czy glioprzekaźniki

Stephen J. Smith i jego współpracownicy oddzielili komórki wy­pełniające przestrzeń między neuronami, czyli astrocyty, i hodowali je w naczyniu laboratoryjnym. Wiedzieli, że te komórki mózgowe nie mają, w przeciwieństwie do neuronów, synaps, spiczastych komórkowych wąsów czepnych ani długich, przypominających kable aksonów przewodzących impulsy. Zamiast tego astrocyty tworzyły cienką skórkę na dnie naczynia hodowlanego. W przeciwieństwie do neuronów komórki te nie wykazują aktywności elektrycznej i panuje w nich absolutna cisza, ale gdyby astrocyty potrafiły odbierać wiadomości przesyłane przez obwody neuronalne, to, jak rozumował Smith, ponieważ wapń jest powszechnie stosowanym środkiem przekazywania sygnałów ze środowiska zewnętrznego komórki do jej wnętrza, można by się spodziewać nagłego napływu jonów wapnia do astrocytu otrzymującego sygnał od neuronu. Wiedząc, że neurony komunikują się przez synapsy, Smith postanowił nanieść roztwór jed­nego z najpopularniejszych neuroprzekaźników, kwasu glutaminowego, bezpośrednio na astrocyty i obserwować ich odpowiedź.

Pracując w zaciemnionym pomieszczeniu, Smith i jego współ­pracownicy dodali do hodowli tych szczególnych komórek roztworu związku chemicznego fluoryzującego w kontakcie z wapniem. Później wycisnęli do naczynia kropelkę neuroprzekaźnika. Kropelka kwasu glutaminowego wywołała eksplozję światła rozszerzającą się świetlistą falą uderzeniową od astrocytów znajdujących się najbliżej punktu po­dania we wszystkich kierunkach na całą populację. Astrocyty wykryły neuroprzekaźnik i ogłosiły komórkowy alarm wapniowy w swojej cytoplazmie. Ale było coś jeszcze.

Sygnały świetlne wirowały później przez całą populację komórek. Przez dziesięć minut badacze obserwowali sygnały świetlne przekazywane od jednego astrocytu do następnego, wirujące w naczyniu we fluory­zującej burzy świetlnej. Milczące komórki mózgowe porozumiewały się między sobą. Co ważniejsze, komunikację tę zainicjował ten sam neuroprzekaźnik chemiczny, który stosują neurony do porozumiewania się między sobą poprzez swoje synapsy. Teoria mówiąca, że astrocyty mogłyby podsłuchiwać rozmowy neuronów, nabrała właśnie rozma­chu: astrocyty potrafiły nie tylko wykrywać neuroprzekaźniki, ale także przekazywać wiadomości między sobą, stosując zamiast sygnałów elek­trycznych jony wapnia.

Smith uświadomił sobie, jak rewolucyjne następstwa może mieć to odkrycie. Komórki glejowe komunikowały się między sobą. Dlaczego? Jak? Co astrocyty wyposażone w umiejętność przechwytywania wia­domości przekazywanych między neuronami przez synapsy robiłyby ze zgromadzonymi informacjami?

Eksperyment z zaporą przeciwpożarową

Wkrótce wyjaśniono, w jaki sposób komórki glejowe wykrywają neuroprzekaźnik. Badacze stwierdzili, że, co bardzo istotne, astrocyty mają na swojej błonie komórkowej takie same receptory białkowe dla neuroprzekaźników, jakie znajdują się na dendrytach neuronów. W neuronach receptory te służą do wykrywania neuroprzekaźnika wysyłanego przez synapsę. Dlaczego takie same receptory są na astrocytach? Gdy receptory te poczuły kropelkę kwasu glutaminowego, którą Smith wprowadził do naczynia, otwarły się, pozwalając strumieniowi jonów wapnia wpłynąć do środka. To z kolei spowodowało świecenie fluorescencyjnego znacznika wapniowego, aby anatomowie mogli to zobaczyć. Należy jednak pamiętać, że reakcja komórek glejowych wy­wołana została sztucznie przy użyciu, nie da się ukryć, prymitywnej metody dostarczania neuroprzekaźnika. Bez wątpienia trzeba jeszcze było określić, czy astrocyty reagują na neuroprzekaźnik uwalniany w warunkach naturalnych, gdy neurony komunikują się ze sobą przez synapsy. Niemniej jednak było już wiadomo, że astrocyty są w ogó­le zdolne do takiej reakcji. Komórki glejowe są wyposażone w aparat do podsłuchiwania informacji przekazywanych między neuronami na synapsach i potrafią te informacje rozpowszechniać w swojej po­pulacji obwodami glejowymi.

Informacje ujawnione przez sygnały wapniowe mogłyby szerzyć się w mózgu w sposób całkowicie odmienny niż sygnalizacja elektryczna, uważana za jedyny sposób, w jaki działa mózg. Co więcej, informacje te mogłyby przepływać przez komórki, które nie są neuronami - konkretnie przez astrocyty - komórki pozbawione wszystkich charakterystycznych cech neuronów, takich jak aksony, dendryty i synapsy, na których opie­ra się cała nasza koncepcja funkcjonowania mózgu. Po raz pierwszy naukowcy mogli przekonać się na własne oczy, że istnieje drugi mózg. Ale jak on działa?

Bez odpowiedzi pozostawało intrygujące pytanie, co astrocyty mo­głyby robić z informacjami uzyskanymi przez podsłuchiwanie neuro­nów. Zagadką, którą należało rozwiązać w pierwszej kolejności, był sposób działania tej nowej formy komunikacji. Jak komórki glejowe przekazywały wiadomości wapniowe od jednej komórki do drugiej w sieci łączności obejmującej całą populację astrocytów w naczyniu hodowlanym i, ekstrapolując, cały mózg?

Najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem było przekazywanie wiadomości wapniowych między astrocytami przez kanary wapniowe łączące sąsiadujące komórki. Obecność takich kanałów międzykomór­kowych, zwanych gap junctions, w astrocytach została dobrze udokumentowana. Jak punkty połączenia dwóch statków kosmicznych gap junctions umożliwiają wymianę jonów potasu i małych cząsteczek. Stan Kater przeprowadził wraz ze swymi współpracownikami, pionierami w dziedzinie obrazowania wapniowego na Uniwersytecie Stanowym Colorado, prosty, lecz elegancki eksperyment oparty na założeniu, że jeżeli fizycznie oddzieli się od siebie poszczególne astrocyty, fala wapniowa wyzwolona w jednym z nich nie będzie się szerzyła na jej oddalonych i osamotnionych sąsiadów.

Aby sprawdzić tę hipotezę, po prostu wydrapali linię astrocytów z dna naczynia hodowlanego, tworząc komórkową „zaporę przeciw­pożarową”, która powstrzymałaby falę wapniową, gdyby ta szerzyła się bezpośrednio z komórki na komórkę. Wyniki nie mogły być bardziej jednoznaczne: fala wapniowa rozprzestrzeniała się od komórek po jed­nej stronie zapory, a następnie przeskoczyła bez najmniejszej trudności przez pozbawioną komórek „zaporę przeciwpożarową”. Był to dowód, że astrocyty poza zdolnością przekazywania wiadomości bezpośrednio między komórkami przez kanały białkowe łączące sąsiednie komórki mają też możliwość wzajemnej komunikacji poprzez nadawanie jakiegoś nieznanego sygnału rozchodzącego się w pożywce hodowli, sygnału, który wyzwala falę wapniową w odległych komórkach w reakcji łańcuchowej. Tak jak neurony, które komunikują się przez synapsy poprzez wysyłanie wiadomości chemicznych (drogą neuroprzekaźników), astrocyty poro­zumiewają się ze sobą, wysyłając pewien typ cząsteczki sygnałowej drogą przestrzeni międzykomórkowej. Neurony i komórki glejowe korzystają z tych samych kanałów łączności. Jednakże neurony komunikują się przez połączenia synaptyczne w obwodach liniowych jak telefony sta­cjonarne, a astrocyty nadają sygnały jak telefony komórkowe. Nigdzie w teoretycznym modelu czynności mózgu nie brano pod uwagę takiego typu komunikacji.

Ujawnienie szpiega: żądło glejowe

Inicjacja reakcji wapniowej w astrocytach przez wprowadzenie do hodowli neuroprzekaźnika - kwasu glutaminowego - była rewolu­cyjnym odkryciem, eksperyment przeprowadzono jednak w warunkach odbiegających dalece od naturalnych. Czy astrocyty w mózgu potrafią wykrywać neuroprzekaźniki uwalniane naturalnie na synapsach, a nie tylko te wprowadzane pipetą? Czy komórki glejowe potrafią robić to w skojarzeniu z funkcjami mózgu o istotnym znaczeniu? Jak można się tego dowiedzieć?

Podejrzewasz, że komórki glejowe mogą nadzorować komunikację synaptyczną między neuronami, a być może również interweniować, regulując przepływ informacji przez synapsy. Jak możesz to udowodnić? Sytuacja jest identyczna, jak gdybyś podejrzewał, że jakiś szpieg kontroluje łączność miedzy sztabem a agentami w terenie. Podejrzewasz, że ten szpieg kontroluje twoje kodowane rozmowy i ingeruje w wymianę informacji, zmieniając treść wiadomości. W jaki sposób możesz pozbyć się szpiega?

Pierwszą możliwością jest znaleźć pluskwę, za pomocą której szpieg podsłuchuje zakodowane informacje. Tą metodą posłużyli się naukowcy w pierwszej kolejności, próbując zweryfikować hipotezę. Sprawdzili wszystkie linie, zbierając i sprawdzając wszystkie możliwe do wyobrażenia wiadomości, w jakie mogłyby ingerować komórki glejowe kontrolują­ce transfer informacji między neuronami przez synapsy. To, czego się dowiedzieli, ich zaskoczyło.

Stwierdzili, że komórki glejowe mają czujniki zdolne do wykrywania znacznej liczby neuronalnych cząsteczek sygnałowych, w tym wszystkich neuroprzekaźników stosowanych przez neurony w komunikacji na sy­napsach. Komórki glejowe są również wrażliwe na strumienie jonowe pojawiające się wraz z przepływem informacji elektrycznej przez obwody neuronalne oraz na wiele innych cząsteczek o potencjalnych własno­ściach aktywacji receptorów komórkowych, poprzez które komórki glejowe mogłyby teoretycznie nadzorować przetwarzanie informacji w neuronach.

Drugą metodą zastosowaną przez naukowców było założenie podsłuchu potencjalnemu szpiegowi, tak jak zrobili to Smith i jego współpracownicy, którzy dodali fluoryzujący pod wpływem jonów wapnia barwnik do hodowli astrocytów. Wyzwaniem było przeprowadzenie eksperymentu w organizmie żywego zwierzęcia i przekonanie się, czy cząsteczka wykrywająca wapń wewnątrz astrocytów rozbłyśnie jasnym światłem, gdy neurony będą przekazywały informacje przez synapsę.

Pierwsza pułapka, jaką zastawili naukowcy, by ujawnić glejowego agenta szpiegującego synapsy, umieszczona została w połączeniu między nerwem i mięśniem. Cel ten wybrano zamiast synaps ukrytych głęboko w tkance mózgowej, co dla takiego eksperymentu stanowiłoby ogromne wyzwanie technologiczne. Zamiast tego Smith i świeżo upieczona absolwentka Noreen Reist monitorowali informacje przekazywane przez synapsę odpowiedzialną za skurcz mięśnia, łatwo dostępną u znieczulonej żaby, u której wystarczy tylko zdjąć skórę okrywającą mięsień.

Mięśnie kurczą się w odpowiedzi na komendy wysyłane przez aksony neuronów ruchowych do synapsy w mięśniu, zwanej połączeniem nerwowo-mięśniowym. Gdy akson wytwarza impuls elektryczny, z pę­cherzyków synaptycznych w zakończeniu nerwowym uwalniany jest neuroprzekaźnik chemiczny, acetylocholina. Acetylocholina pobu­dza receptory neuroprzekaźnika na włóknie mięśniowym, powodując skurcz mięśnia. Komunikacja w połączeniu nerwowo-mięśniowym jest pod każdym względem identyczna jak w każdej innej synapsie między dwoma neuronami w mózgu. Tak jak neuron postsynaptyczny wytwarza impuls elektryczny w odpowiedzi na sygnał z synapsy, identycznie robi to włókno mięśniowe. Energia elektryczna szerzy się w całej komórce mięśniowej, powodując jej skurcz.

Poza mózgiem nie ma astrocytów, anatomowie jednak wiedzą od z górą 150 lat, że w otoczeniu połączeń nerwowo-mięśniowych, podobnie jak w otoczeniu synaps w mózgu, znajdują się komórki glejo­we, a konkretnie terminalne lub okołosynaptyczne komórki Schwanna. Komórki te uważane były bardzo długo za kompletnie nieaktywny ele­ment strukturalny, niemający związku z transmisją synaptyczną. Smith i Reist podejrzewali, że jest inaczej.

W roku 1992 wypełnili terminalne komórki Schwanna w połączeniu nerwowo-mięśniowym żaby znacznikiem wiążącym wapń i przy użyciu swych wideomikroskopów i laserowych mikroskopów skaningowych wypatrywali w komórkach Schwanna sygnałów wapniowych po zadzia­łaniu na włókno nerwowe prądem elektrycznym, po to aby wytworzyło impulsy. Gdy salwa impulsów pobudziła mięsień do skurczu, zobaczyli terminalne komórki Schwanna, otaczające synapsę nerwowo-mięśniową, rozbłyskujące światłem.

Był to olbrzymi krok do przodu w stosunku do badania, które prze­prowadzili wcześniej w hodowli komórkowej. Nowe doświadczenia udo­wodniły, że komórki glejowe potrafią wykrywać fizjologiczną transmisję informacji przez synapsy. Badacze ci dowiedli, że terminalne komórki Schwanna dokonują tego poprzez wykrywanie neuroprzekaźników uwalnianych przez neurony ruchowe na synapsie. Naukowcy zastana­wiali się teraz, czy komórki Schwanna wykorzystywały przechwycone informacje, by kontrolować działania neuronów?

Komórki glejowe złapane na gorącym uczynku

To nowe odkrycie jedynie potwierdza tezę, że komórki glejowe kontrolują komunikację neuronalną. Dużo trudniej, aczkolwiek ma to zdecydowanie większe znaczenie, jest udowodnić, że komórki glejowe wykorzystują te informacje, aby wpływać na komendy i zmieniać bieg wypadków. Jakie działania podjąłbyś, żeby to udowodnić? Tradycyjną, stosowaną przez kontrwywiad metodą jest puszczenie w obieg fałszywej informacji i obserwacja tego, co przypuszczalny szpieg z nią zrobi.

Richard Robitaille, neurobiolog z Uniwersytetu w Montrealu, opra­cował plan podsunięcia fałszywej wiadomości terminalnym komórkom Schwanna dla sprawdzenia, jak owa nieprawdziwa informacja będzie wpływać na komunikację między neuronem i mięśniem. Za pomo­cą bardzo cienkiej pipety szklanej wstrzyknął do komórek Schwanna otaczających synapsę odpowiednie związki chemiczne. Były to związki znane jako posłańcy wykorzystywani przez komórki do przekazywania informacji z receptorów na jej powierzchni do jej wnętrza. Robitaille spróbował wstrzyknąć nie tylko jony wapnia, ale również innych po­słańców drobnocząsteczkowych wykorzystywanych przez komórki w komunikacji wewnątrzkomórkowej. Iniekcji takiej nie otrzymały ani włókna nerwowe, ani komórki mięśniowe, wiadomość dotarła tylko do komórek Schwanna.

Gdy Robitaille i jego koledzy dostarczyli do terminalnych komórek Schwanna fałszywą wiadomość, zauważyli, że doszło do zaburzenia sy­gnału elektrycznego otrzymanego przez mięsień. Niektóre wiadomości wstrzyknięte do komórek Schwanna powodowały nasilenie reakcji elek­trycznej w mięśniu, zachodzącej w odpowiedzi na pobudzenie impulsu nerwowego, inne natomiast wiadomości chemiczne powodowały osła­bienie reakcji mięśnia. Był to niepodważalny dowód, że komórki glejowe nie tylko kontrolują informacje neuronalne przechodzące przez synapsy, ale również je zmieniają. Implikacje tego odkrycia były szokujące.

Naukowców w innych laboratoriach również ogarnął szał badań nad zakresem połączeń między komórkami glejowymi i synapsami w układzie nerwowym. Eric Newman, neurobiolog z Uniwersytetu Minnesota, zaczął swą karierę naukową od badań receptorów podczerwieni u grzechotników. Dzięki tym jedynym w swym rodzaju organom grzechotniki potrafią odnaleźć ciepłokrwistą ofiarę, posługując się szczególnym zmy­słem wzroku i wykrywania ciepła. Newman porzucił wkrótce badania grzechotników i zwrócił się ku innemu narządowi zmysłów, a dokładnie ku światłoczułej warstwie tylnej ściany oka - siatkówce. Wykorzystując w swych badaniach elektrofizjologię i obrazowanie wapniowe, zobaczył, że podczas gdy fala wapniowa w astrocytach siatkówki - bardzo podobna do tych, które obserwował Smith w hodowli komórkowej - wymia­tała siatkówkę po neuronach, pobudzenia elektryczne w obwodach wzrokowych ulegały wzmocnieniu lub zahamowaniu. Przekonał się, że owe glejowe fale wapniowe wirowały w siatkówce swym własnym rytmem, ale można je było również stymulować, kierując na siatkówkę światło, podobnie jak zaobserwowali to w swych badaniach na nerwach wzrokowych Kuffler, Nicholls i Orkand w roku 1966. Ale tym razem Newman dowiódł, że komórki glejowe nie tylko reagowały na stymu­lację wzrokową, ale również wpływały na wyładowania w neuronach w odpowiedzi na sygnały wapniowe. Astrocyty w siatkówce przyglądały się informacjom wzrokowym przesyłanym przez neurony, gdy światło padało na siatkówkę, a następnie przekazywały te informacje przez sieci glejowe w formie wewnątrzkomórkowych fal wapniowych, regulując w ten sposób komunikację neuronalną. Komórki glejowe brały udział w procesie widzenia. Astrocyty siatkówki kontrolowały neurony.

Przypomnij sobie, że siatkówka jest zarodkowym wyrostkiem mózgu. Czy wyniki tych nowych badań wskazują, że komórki glejowe mogłyby brać udział w czynnościach intelektualnych naszego mózgu? W jakich czynnościach? Odruchach? Myśleniu? Marzeniach? Emocjach? Zdrowiu psychicznym? Pamięci?

Aby znaleźć odpowiedź na te rewolucyjne pytania, badacze mu­sieli dowiedzieć się znacznie więcej o komórkach glejowych, owych komórkach nieneuronalnych tworzących drugi mózg. Coraz liczniejsi naukowcy poszerzają zakres swych badań, nie ograniczając się do neuro­nów, ale chcąc dowiedzieć się bliżej, na czym polega funkcja „komórek pomocniczych” jaką pełnią w układzie nerwowym astrocyty, komórki Schwanna, oligodendrocyty oraz komórki mikrogleju. Wzrasta świa­domość w tym zakresie: „pomocnicza” rola komórek glejowych może okazać się w rzeczywistości kierowniczą, a wtedy wszystkie neurony podlegałaby kontroli drugiego mózgu. Wiedziano, że komórki glejowe są zaangażowane w toczące się w mózgu procesy patologiczne, ale czy te same komórki glejowe mają też swój udział w jakimś aspekcie prawidłowej czynności mózgu? Czynność komórek glejowych w funkcjonującym prawidłowo mózgu i w różnych jego stanach chorobowych ma olbrzymie znaczenie praktyczne, a z drugiej strony badania czynności komórek glejowych w stanach chorobowych mogą przyczynić się do poznania ich roli w zdrowym mózgu.

Reperacja mózgu: komórki glejowe naprawiają uszkodzenia układu nerwowego i likwidują zmiany chorobowe

Dwa rodzaje komórek glejowych, astrocyty i komórki mikrogleju, działają wspólnie, pełniąc funkcją wartowników wypatrujących bakterii i wirusów atakujących mózg. Po wykryciu czynnika chorobotwórczego komórki te formują armię do walki z drobnoustrojami. Wyszukują i po­żerają patogeny i uwalniają substancje chemiczne, aby oczyścić mózg z czynników chorobotwórczych. Czujność tego komórkowego wojska ma zasadnicze znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania i przeżycia naszego mózgu, ale wyniki nowszych badań nad komórkami mikrogleju kierują naszą uwagę ku innym, mniej znanym funkcjom tych dziwnych komórek. Jako przykład może posłużyć przewlekły ból utrzymujący się często jeszcze długo po wygojeniu uszkodzenia nerwu, szczególnie trudny do leczenia. Obecnie przekonujemy się, że wiele metod leczenia farmakologicznego okazuje się w tym wypadku nieskutecznych, po­nieważ naukowcy nie docenili roli komórek glejowych w patogenezie bólu i uzależnień lękowych. Neuronalne leki przeciwbólowe rozwiązują tylko część problemu: nie działają na drugi mózg.

Imponujące możliwości komórek macierzystych w leczeniu różnych schorzeń neurologicznych, od choroby Parkinsona po porażenia, zyska­ły szerokie uznanie, a komórki glejowe i tutaj znajdują się w centrum zainteresowania. Dojrzałe neurony nie mogą się dzielić, a gdy ulegną uszkodzeniu w wyniku choroby lub urazu, nie można ich z zasady ni­czym zastąpić. Komórki glejowe natomiast reagują na uszkodzenie mózgu podziałami i migracją do miejsca uszkodzenia. Tam naprawiają uszkodzenie, bronią przed chorobą, pielęgnują neurony, przywracając je do zdrowia i kierują regeneracją uszkodzonych włókien nerwowych w celu przywrócenia prawidłowej łączności między neuronami oraz między neuronami i mięśniami. Przeprowadzone w ostatnim czasie badania ujawniły jednakże, że niedojrzałe komórki glejowe mogą dzia­łać jak komórki pnia, a dojrzałe astrocyty mogą stymulować komórki pnia uśpione w dorosłym mózgu do tworzenia zastępczych neuronów i komórek glejowych. Wyniki badań nad wykorzystaniem zarodkowych komórek pnia w leczeniu chorób mózgu są niezwykle obiecujące, a ko­rzyści wypływających z przynoszenia ulgi w cierpieniu ludzi nie można przecenić, ze względów etycznych badania te budzą jednak wiele kon­trowersji. W mózgu znajdują się natomiast niedojrzałe komórki glejowe obdarzone zdolnością zastępowania neuronów zniszczonych przez cho­robę. Z rewelacjami tymi wiąże się wielkie nadzieje. Gdybyśmy potrafili zapanować nad tymi glejowymi „komórkami pnia”, którymi obdarzyła nas natura, zyskalibyśmy olbrzymie możliwości terapeutyczne.

Komórki glejowe mogą być również źródłem choroby. Często by­wają one celem ataku drobnoustrojów chorobotwórczych, również tych najgroźniejszych, między innymi wywołującego AIDS wirusa HIV czy też prionów odpowiedzialnych za chorobę szalonych krów. Komórki glejowe są też ściśle związane z patogenezą chorób neurodegeneracyjnych, w których neurony więdną i obumierają. W chorobie Parkinsona, stwardnieniu zanikowym bocznym (ALS) oraz w chorobie Alzheimera odgrywają rolę zarówno korzystną, jak i szkodliwą. Już sama nazwa „cho­roby neurodegeneracyjne” wskazuje na zawężenie pola zainteresowań do neuronów, co jest myśleniem krótkowzrocznym i z punktu widzenia biologii fałszywym. W miarę pojawiania się coraz liczniejszych doniesień na temat roli komórek glejowych w funkcjach mózgu oczywiste się też staje ich znaczenie w różnego rodzaju procesach chorobowych.

Osobom nieoswojonym z koncepcją drugiego mózgu najbardziej zaskakujące wydać się mogą wyniki najnowszych badań, wskazujące na udział komórek glejowych w patogenezie wielu chorób psychicznych, od schizofrenii i depresji po tak specyficzne zaburzenia jak patologicz­ne kłamstwa i brak słuchu muzycznego. Rewelacje na temat udziału komórek glejowych w powstawaniu chorób psychicznych nie zdziwiły badaczy, którzy uznali rolę astrocytów w regulacji transmisji danych przez synapsy, większość jednak oniemiała na widok ujawnionych dzięki nowym technikom obrazowania zmian w obrębie istoty białej u ludzi cierpiących na schizofrenię, depresję, chorobę dwubiegunową, autyzm oraz zespół nadpobudliwości ruchowej i niedoboru uwagi (ADHD). Odkrycia te skłoniły naukowców do weryfikacji poglądów na temat znaczenia mieliny w przetwarzaniu informacji w obrębie mózgu. Badania w tej dziedzinie są ciągle jeszcze w powijakach, sugerują jednak nowe spojrzenie na przetwarzanie informacji w mózgu oraz istnienie nowego, wcześniej niedostrzeganego mechanizmu uczenia się i plastyczności.

Choroby przebiegające z niszczeniem mieliny - na przykład stward­nienie rozsiane - są źródłem niepełnosprawności i cierpień wielu osób. Do tej pory nie zwracano uwagi na fakt, że choroby demielinizacyjne, które są chorobami komórek glejowych, należałoby zaliczyć do chorób neurodegeneracyjnych. Ze względu na daleko posuniętą zależność aksonów od ich partnerów glejowych, którzy podtrzymują je przy życiu i chronią - a nie tylko zapewniają izolację, zapobiegając ucieczce prądu elektrycznego - gdy komórki glejowe obumierają z powodu choroby, jak to się dzieje w stwardnieniu rozsianym, umierają również często ich partnerzy neuronalni.

Drugi mózg może potencjalnie wpływać na szerokie spektrum fi­zjologicznych i patologicznych stanów mózgu. Jest to coś, co dotyka nas wszystkich w naszym codziennym życiu. Wszystko, od narkomanii, przez utratę słuchu, najlepszy czas na naukę, starzenie się, choroby nowotworowe, po wiele innych związanych ze zdrowiem aspektów czynności mózgu, ma związek z drugim mózgiem. Komórki glejowe są, jak widać, pępkiem świata mózgu w zdrowiu i chorobie.