R. Douglas Fields
DRUGI MÓZG

Rozdział 11

Matka i dziecko

Budujemy mózg: komórki glejowe a okablowanie mózgu

W biologii nie ma nic bardziej cudownego niż przemiana zapłodnionego jaja w kompletny organizm. Niezapłodniona komórka jajowa, srebrna i świecąca w aureoli jaskrawego odbitego światła, widziana pod mikroskopem, leży uśpiona jak zimny księżyc. Gdy tylko dojdzie do jej zapłodnienia, wyrzuca ona kulistą falę uderzeniową promieniującą na zewnątrz jak supernowa i wymiatającą otaczającą próżnię do stanu nieskazitelnej czystości i sterylności. Fala uderzeniowa gęstnieje, tworząc skorupkę ochronną zamykającą jajeczko przed intruzami i skażeniem i broniącą dostępu tysiącom plemników wijących się i rozbijających trudny do przeniknięcia pierścień zapłodnienia.

Zapłodniona komórka jajowa iskrzy się i burzy jak powierzchnia słońca poprzecinana plamami słonecznymi i erupcjami zdradzającymi olbrzymią energię bijącą z jego wnętrza. Następuje gwałtowny wstrząs i cała masa kuli nagle rozszczepia się na dwoje, tworząc dwie idealne kule przyciśnięte do siebie i otoczone aureolą ochronną pierścienia za­płodnienia. Gdyby w tym momencie, w sposób naturalny albo sztuczny, te dwie bliźniacze kule rozdzieliły się, z jednego rozszczepionego jaja rozwinęłyby się identyczne bliźnięta. Podziały komórkowe przyspie­szają i powtarzają się, a dwie kule rozszczepiają się w cztery, cztery w osiem i tak dalej, aż z wykładniczo rosnącą prędkością kula prze­kształci się w niezliczoną ilość maleńkich komórek skupionych razem jak kula gliny. Indywidualne losy wielu spośród tych komórek są już w tym momencie przesądzone. Naukowcy stwierdzili to, wstrzykując barwniki znakujące do pojedynczych komórek w tej wczesnej fazie rozwoju i obserwując ewolucję tych komórek w kierunku komórek serca, kości czy mózgu.

Ta masa komórek zaczyna teraz wykonywać pierwsze ruchy skoordynowanego układu choreograficznego: gromadzi się, by stworzyć wydrążoną kulę. Od tej kuli wywodzi się topologię zarodka - stronę wewnętrzną i zewnętrzną. Komórki, które utworzą skórę i nerwy, prze­suwają się do warstwy zewnętrznej, a komórki, które utworzą kości i jelita, wślizgują się do środka. Komórki, które utworzą mięśnie i krew, wciskają się między skorupkę wewnętrzną i zewnętrzną.

Pierwszym narządem, jaki powstaje w maleńkim zarodku, nie jest bijące serce. W rzeczywistości pierwszym wyłaniającym się organem ciała jest układ nerwowy. Układ nerwowy płodu służy za kamień węgielny na którym zbudowane zostanie całe ciało embrionu. Układ nerwowy zarodka tworzy najpierw prążek lub bruzdę na powierzchni kuli. Bruzda ta następnie zamyka się, tworząc tubę. Stanie się ona rdzeniem kręgowym. Ten pierwotny etap tworzenia układu nerwowego wyznacza geometrię dla późniejszego rozwoju całego organizmu: głowy i ogona oraz obu­stronnie symetrycznych lewej i prawej połowy naszego ciała. Grupa komórek zarodkowych, które utworzą układ nerwowy, sama ustawia się w odpowiednim porządku, dzieląc się i przemieszczając w szyku, by utworzyć przypominającą kształtem zakraplacz grupę komórek zwaną cewą nerwową.

Mózg rozwija się z wybrzuszenia na jednym z końców cewy nerwowej, tak że układ nerwowy w początkowym stadium swego rozwoju wygląda jak szklany zakraplacz. „Gumowa gruszka” pęcznieje dalej, przekształ­cając się w mózg, a następnie rozdymając się, dzieli na trzy podstawowe części: przodomózgowie, które pewnego dnia będzie siedzibą wyższych funkcji umysłowych naszej kory mózgowej, śródmózgowie połączone z oczami pozostającym poza świadomością automatycznym systemem kontroli naszego ciała oraz tyłomózgowie, z którego rozwinie się rdzeń przedłużony i móżdżek na podstawie czaszki, w miejscu gdzie rdzeń kręgowy łączy się z mózgiem.

Nieudany proces wpuklenia komórek nerwowych tworzących cewę nerwową prowadzi do powstania ciężkich, często katastrofalnych w skut­kach wad wrodzonych. Defekty cewy nerwowej mogą manifestować się porodami dzieci pozbawionych głowy lub posiadających tylko jedno oko cyklopa albo rozszczepem kręgosłupa, w którym część ogonowa rdzenia kręgowego nie zamyka się całkowicie, co prowadzi do paraliżu i trudności w nauce. Aby zapobiec tym niewyobrażalnym tragediom, naukowcy muszą poznać najgłębsze sekrety wczesnych etapów rozwoju ludzkiego mózgu.

W miarę jak zakraplacz rośnie i przekształca się w mózg, pusta jama we wnętrzu cewy nerwowej stanie się komorami mózgu i rdzenia kręgowego. Mózgi wszystkich kręgowców są wydrążone i wypełnione krążącym płynem mózgowo-rdzeniowym (to ten płyn badają lekarze, wykonując nakłucie lędźwiowe). W okresie rozwoju płodowego pusta jama w mózgu (komory) ulega uciskowi i wybrzusza się jak balon klowna, tworząc cztery komory, by pomieścić zakręty i uwypuklenia głównych płatów naszego mózgu. Gdy dojdzie do zablokowania przepływu między komorami, ciśnienie płynu mózgowo-rdzeniowego wypełniającego jamę mózgu narasta, a mózg pęcznieje, osiągając stan patologicznego rozdęcia zwany wodogłowiem. Dzieci urodzone z wodogłowiem mają nienaturalnie duże głowy, gdyż kości ich czaszek rozchodzą się, a sama czaszka powiększa się, by móc pomieścić wypełniony płynem mózg. Wodogłowie niszczy mózg i nieleczone prowadzi do niedorozwoju umysłowego dziecka.

Obecnie w leczeniu stosuje się metodę najprostszą, jaką można sobie wyobrazić: do komory wprowadza się dren, którym nadmiar płynu mózgowo-rdzeniowego ma odpływać do krwi. Gdybyśmy po­znali fundamentalne mechanizmy, jakie w naszym rozwijającym się mózgu rządzą organizacją komórek tworzących owe jamy w mózgu, można by opracować bardziej wyrafinowane metody leczenia wodo­głowia. Wyniki badań przeprowadzonych niedawno w laboratorium Kena McCarthy'ego na Uniwersytecie Stanowym Północnej Karoliny w Chapel Hill wykazały, że genetyczna modyfikacja astrocytów u myszy może prowadzić do powstania wodogłowia. Było to odkrycie całkowicie nieoczekiwane, nakazujące naukowcom zastanowić się nad rolą komórek glejowych w rozwoju wodogłowia u płodu. Dalsze badania dadzą być może nadzieję na lepsze poznanie i możliwość zapobiegania niektórym postaciom wodogłowia wrodzonego.

Składanie o okablowanie mózgu

Mózg człowieka, ze swymi stoma miliardami neuronów i niezliczoną ilością połączeń synaptycznych, został opisany jako najbardziej skomplikowana struktura we wszechświecie. Zaprojektowanie i budowa równie skomplikowanej maszyny przekracza znacznie możliwości najlepszego zespołu architektów sprzętu komputerowego i inżynierów. Nasz mózg tymczasem bierze początek od najprostszego z możliwych zaczątków: linii wyżłobionej w kuli komórek zarodkowych, podobnej do odcisku kciuka pozostawionego przez artystę kształtującego bryłę gliny. W jaki sposób każda ze stu miliardów komórek nerwowych znajdzie właściwe miejsce w mózgu zarodka? Jeżeli pojedynczy neuron tworzy aż 100 000 połączeń synaptycznych, to jak mikroskopijny akson znajduje swe własne, jemu tylko przeznaczone gniazdko na właściwym neuronie? Co kieruje położeniem, jakie każdy pojedynczy neuron musi przyjąć, gdy z bezkształtnej masy powstaje struktura mózgu? Co rządzi niewyobrażalnym labiryntem połączeń miedzy nimi? Odpowiedź brzmi: komórki glejowe.

W okresie rozwoju płodowego pojawia się specjalna grupa komórek glejowych mistrzów, która ma zadanie dyrygować budową mózgu i znika, gdy robota zostaje skończona. Niektóre z nich zmieniają się w astrocyty, inne po prostu znikają. Pod ich kierownictwem cały ludzki mózg - najbardziej skomplikowana struktura we wszechświecie - wyłoni się z kuli komórek w czasie krótszym niż dziewięć miesięcy.

Całą grubość mózgu, od wydrążonej komory aż do pokrywy ze­wnętrznej, obejmuje specjalny typ komórek glejowych zwanych ko­mórkami radialnymi. Można je uwidocznić na wiele sposobów. Ich nazwa pochodzi od geometrycznego układu, przypominającego układ włókien radialnych podtrzymujących strukturę opony samochodowej. Owe masywne radialne komórki glejowe wzmacniają substancję mózgu, rozpinając się od podłogi po sufit poprzez ściany mózgu zarodka. Gdyby nasza kora mózgowa była ścianą z betonu, to glej radialny byłby zato­pioną w betonie siatką ze stali zbrojeniowej podtrzymującą ją. Radialne komórki glejowe są silnie zakotwiczone swymi ciałami komórkowymi do podłogi mózgu i wypuszczają odgałęzienia aż do dachu, podobne do pędów winorośli przyciętych płasko na kształt koralowego wachlarza. Struktura ta tworzy rusztowanie od fundamentów aż po dach, w którym  radialne komórki glejowe ustawione są w równych odstępach jak słupy wzdłuż muru domu.

Neurony rodzą się z komórek pnia w podłodze mózgu zarodka. Pęcznieją jak kawałki ciasta i zaczynają piąć się w górę po rusztowaniu utworzonym przez radialne komórki glejowe. Powierzchnia radialnej komórki glejowej pomalowana jest cząsteczkami białka znacznikowego instruującego neuronalne niemowlęta, dokąd mają iść. Lepkie makro­cząsteczki na ich powierzchni, zwane cząsteczkami adhezji komórkowej, ułatwiają młodym neuronom uchwyt i nakłaniają tym samym komórki do zajęcia właściwej pozycji w mózgu. Poszczególne typy neuronów odczytują molekularne znaki drogowe na radialnych komórkach glejowych, mówiące im, gdzie wysiąść i zacząć zbierać się wraz z innymi sobie podobnymi, by utworzyć warstwę kory mózgowej.

Komórki pnia: komórki glejowe rodzą neurony

Dopiero wyniki badań opublikowane na przestrzeni kilku ostat­nich lat obaliły wiele naukowych uprzedzeń, które kazały naukowcom ściśle rozdzielać neurony i komórki glejowe. Przy użyciu nowoczesnych technik naukowcy prześledzili pochodzenie neuronów narodzonych z komórek na podłodze mózgu zarodkowego i stwierdzili, że komórki glejowe mistrzowie nie tylko kierują drogą neuronów, ale również spon­tanicznie je wytwarzają. W jednym z eksperymentów w laboratorium stworzono wirusa, który miał działać jak komórkowy koń trojański, kryjący w swym wnętrzu genetyczne instrukcje produkcji zielono flu­oryzującego białka. Gdy użyto cząstek wirusa, by zainfekowały radialne komórki glejowe zwierząt doświadczalnych, zakażone komórki glejowe rozbłysły zielonym światłem. Stephen Noctor, Paolo Malatesta, Arturo Alvarez-Buylla, Magdalena Götz i inni członkowie zespołu obserwowali pod mikroskopem, jak u podstawy zielonego glejowego potwora pączkuje komórka córka. Przyglądali się, jak ta córka zaczyna wspinać się w górę po pniu radialnej komórki glejowej i zmieniać z glejowej pasierbicy w neuronalną księżniczkę. Ciągle widoczny ewidentny znak rozpoznawczy w postaci zielonego barwnika świadczył o jej glejowym pochodzeniu. Jedna macierzysta radialna komórka glejowa wydaje na świat i kieruje pokoleniami neuronów ku ich przeznaczeniu w mózgu płodu. W połowie ciąży w mózgu płodu ludzkiego drzewca jednej radialnej komórki glejowej czepia się aż trzydzieści pokoleń migrujących neuronów.

Wkrótce po urodzeniu dziecka radialne komórki glejowe zaczynają znikać. Niektóre przekształcają się w astrocyty, których szeregi rosną teraz gwałtownie dzięki szybkim podziałom komórkowym, niewielka liczba radialnych komórek glejowych pozostaje jednak w niektórych częściach naszego dojrzałego mózgu. Dlaczego?

Może służą jako rezerwa na wypadek, gdyby mózg dotknęła choroba lub uraz. W przodomózgowiu dorosłych myszy znaleziono niedawno przetrwałe radialne komórki glejowe, które ulegały transformacji w neu­rony i zostały później wcielone do okolicy węchowej i hipokampalnej mózgu (hipokamp odgrywa kluczową rolę w przekształceniu naszych codziennych doświadczeń w trwałe wspomnienia). Jak widać, owe komórki glejowe mistrzowie dyrygują powstawaniem naszego mózgu w życiu płodowym, a następnie chowają się za sceną i obserwują, jak mózg wywiązuje się ze swych funkcji, są jednak gotowe w dowolnym momencie naszego życia powrócić na scenę i zagrać rolę neuronów, gdy tylko pojawi się w naszym mózgu choroba lub jakiś inny problem.

Komórkowe rodzeństwo

Niegdyś sądzono, iż komórki glejowe muszą pochodzić od całkowicie niespokrewnionych przodków, w rzeczywistości jednak neurony i oligodendrocyty są dziećmi tej samej komórki macierzystej. Gdy komórka macierzysta dzieli się na dwie potomne, jedna z nich staje się neuronem, druga natomiast niedojrzałą komórką glejowa. Płodowy neuron dzieli się nadal, dając w kolejnych pokoleniach początek wyłącznie neuronom. Niedojrzała komórka glejowa może dzielić się na komórki, które mogą stać się neuronami lub komórkami glejowymi. Gdy neuron osiągnie dojrzałość, nie może się już dzielić i tworzyć nowych neuronów. Mogą to robić tylko niedojrzałe neurony mózgu płodu. (Niedawno odkryto, że w niektórych obszarach mózgu osoby dorosłej pozostaje niewielka ilość „komórek macierzystych”, które w pewnych okolicznościach mo­gą produkować nowe neurony. Dzieje się tak po urazach, ale także po wysiłku fizycznym i w procesie uczenia się). Młode oligodendrocyty są natomiast o wiele bardziej dynamiczne niż neurony. Dojrzały oligodendrocyt może powrócić do wcześniejszego stadium i wytwarzać więcej gleju skąpowypustkowego (niedojrzałych oligodendrocytów), który będzie naprawiać mózg. Co ciekawe, część komórek gleju ską­powypustkowego pozostaje w stadium niedojrzałym nawet w mózgu osoby dorosłej. Jest to dziwne, gdyż takie niedojrzałe oligodendrocyty mają stosunkowo prostą budowę komórkową i nie potrafią wytwarzać mieliny. Co te młodzieńcze oligodendrocyty robią w naszej głowie wiele lat po opuszczeniu przez nas łona matki?

Nowa postać: komórka NG₂

W połowie lat osiemdziesiątych William Stallcup i Joel Levine, pracujący wówczas w Instytucie Salka w La Jolla w Kalifornii, odkryli w mózgu nowy typ komórek. To doniosłe odkrycie nie odbiło się zbyt szerokim echem, a ty prawie na pewno o nim nie słyszałeś. Informacji tej nie ma jeszcze w podręcznikach i nie znajdzie się tam ona, dopóki naukowcy nie zrozumieją lepiej, czym są te nowe komórki.

Komórki glejowe NG₂ wzbudziły w środowisku naukowców zajmu­jących się układem nerwowym emocje tak żywe, jakie mogłoby spowo­dować wśród paleontologów odkrycie nowej skamieniałości. Komórka NG₂ jest bardzo dziwna, niepodobna do niczego wcześniej znanego. Zespół badaczy odkrył ten nowy typ komórki mózgowej, wytwarzając przeciwciała przeciw różnym liniom komórek guzów mózgu w hodowli komórkowej. Badacze dodawali następnie te przeciwciała do cienkich skrawków prawidłowej tkanki mózgowej i obserwowali, jaki typ przeciwciał się z nimi wiąże. Przeciwciało powinno związać się takimi ko­mórkami mózgu prawidłowego, które mają to samo białko rozpoznane przez przeciwciało na powierzchni komórki nowotworowej.

„Tak naprawdę nie mieliśmy żadnej hipotezy,” wyznał niedawno Joel Levine. „Chcieliśmy po prostu sprawdzić, co nowego możemy znaleźć. Wtedy można jeszcze było robić takie rzeczy”.

Snując wspomnienia, Levine przeciwstawił dawne czasy obecnej sytuacji, kiedy to zasady finansowania badań naukowych są tak re­strykcyjne, że rozpatruje się tylko sfinansowanie badań, które w opinii komitetu naukowców mogą przynieść znaczące nowe odkrycia. Nie muszę dodawać, że Darwin nigdy nie uzyskałby rządowych funduszy w warunkach, w których wymagano by od niego przedstawienia dowodów, że jego obserwacje przyniosą znaczące odkrycie. Z formularza wniosku Karola Darwina o grant naukowy: „Rejs dokoła świata na HMS Beagle w celu badań nad przyrodą w całym jej bogactwie”. Kwalifikacji nie przeszliby też ani Ramón y Cajal, ani Golgi.

Levine i Stallcup coś znaleźli. Jedno z ich nowych przeciwciał (nazwano NG₂ od umownego numeru inwentarza przypisanemu mu w zeszycie laboratoryjnym) łączyło się bardzo wybiórczo z populacją komórek rozproszonych w mózgu osoby dorosłej. Są to komórki szczególne. Nie mają żadnej spośród charakterystycznych dla neuronów cech. Nie mają dendrytów ani aksonów. Nie są astrocytami ani komórkami mikrogleju, a jednak stanowią pięć procent wszystkich komórek mózgu. Co ciekawe, te tajemnicze komórki rozsypane są w mózgu równomiernie jak pieprz w potrawie, jakby nie zwracały uwagi na obowiązujące w mózgu przedziały i granice anatomiczne.

„Gdy pokazywaliśmy naszym kolegom preparaty (mikroskopo­we), patrzyli w mikroskop i mówili 'To ciekawe', i odchodzili spokojnie do swojej pracy przy stole laboratoryjnym”, powiedział Levine.

Levine i Stallcup zostali sami ze swymi wątpliwościami. Czym są te komórki mózgowe? Skąd pochodzą? Co robią? Czy jest to czwarty typ komórek glejowych ośrodkowego układu nerwowego, czy po prostu jakiś odrębny typ oligodendrocytów, który zatrzymał się na jakimś etapie rozwoju i przetrwał w dorosłym mózgu? Czy zmieniają się one w sytuacji choroby lub urazu? Dwadzieścia lat badań naukowych i niedawna publikacja dwóch prac naukowych z innych laboratoriów przyniosły rezultat w postaci szybko teraz pojawiających się odpowiedzi na te pytania. Odpowiedzi te zmieniają reguły obowiązujące do tej pory w nauce o układzie nerwowym.

Komórki wagony sypialne

Zauważono jedną ważną cechę różniącą komórki NG₂ od neuronów; w przeciwieństwie do dojrzałych neuronów komórki NG₂ mogą się dzielić i proliferować. Levine i inni badacze byli szczerze zaskoczeni, stwierdzając, że znakomitą większość komórek dojrzałego mózgu, które zachowały zdolność podziałów, stanowią komórki NG₂ - aż 90 procent dzielących się w zdrowym dojrzałym mózgu komórek przypada na komórki NG₂. Fakt ten czyni te komórki szczególnie interesującymi. Komórki glejowe NG₂ mogą dawać początek nowotworom mózgu, gdyż guzy tworzą komórki, które dzielą się w sposób niekontrolowany. Neurony się nie dzielą, to eliminuje je całkowicie jako punkt wyjścia nowotworów. Przypomnijmy sobie, że przeciwciało przeciw NG₂ wyizo­lowano po raz pierwszy z komórek nowotworowych. Z drugiej strony zdolność komórek NG₂ do podziałów czyni je potencjalnie ważnymi w walce mózgu z chorobą i procesach gojenia po urazach.

Tutaj fabuła się zagęszcza, komórki NG₂ nie tylko bowiem potrafią się dzielić, naukowcy stwierdzili również, że wykazują one silne własności upodabniające je do komórek pnia. W odpowiednich warunkach, jak stwierdzili Akiko Nishiyama oraz inni badacze, a wśród nich Vittorio Gallo w Narodowym Centrum Zdrowia Dzieci w Waszyngtonie, komórki NG₂ mogą przekształcać się w różne typy komórek mózgowych. Mogą to być astrocyty, oligodcndrocyty lub neurony. Komórki glejowe NG₂ stanowią najważniejszy typ komórek, które dzielą się po udarach i innych uszkodzeniach mózgu.

Długo oczekiwane marzenie o transplantacji u ludzi komórek w celu leczeniu urazów rdzenia kręgowego stało się rzeczywistością w roku 2009, gdy Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków wydała kali­fornijskiej firmie biotechnologicznej Geron pozwolenie na rozpoczęcie eksperymentów z transplantacją komórek u chorych z urazami rdze­nia kręgowego. Komórki, które wykorzystuje się w takich sytuacjach, pochodzą z ludzkich zarodkowych komórek pnia mających zdolność do rozwoju w nieskończenie różne komórki, ale jaki jest idealny typ komórki do przeszczepu do uszkodzonego rdzenia kręgowego?

Mając na uwadze dane z eksperymentów na zwierzętach, firma postawiła na komórkę o jedynym w swoim rodzaju potencjale reakcji na uszkodzenie - na komórkę NG₂. Zespół zamierza skłonić komórki pnia do transformacji w komórki NG₂, a następnie wstrzyknąć je chorym po przebytym przed tygodniem lub dwoma ciężkim urazie rdzenia kręgowego. Ponieważ komórki NG₂ mogą w odpowiednich warunkach tworzyć astrocyty, neurony lub oligodendrocyty, zespół ma nadzieję, że przekształcą się one głównie w wytwarzające mielinę komórki glejowe.

Poprzez wytworzenie nowej mieliny na aksonach, które utraciły po urazie rdzenia kręgowego swą izolującą osłonkę, komórki NG₂ przywrócą przewodnictwo impulsów w aksonach, co przyniesie pacjentom poprawę czucia i funkcji ruchowych. Co więcej, jak obecnie wiadomo, neurony, których aksony tracą osłonkę mielinową, często obumierają. Jeżeli komórki NG₂ potrafią odbudować osłonkę mielinową aksonów, to proces ten powinien uratować cenne neurony, którym udało się przeżyć uraz.

Głównym zmartwieniem przy transplantacji wszelkiego rodzaju komórek o własnościach komórek pnia u ludzi, jest to, że mogą się nadal dzielić i rozwinąć w guz nowotworowy. Ponieważ komórki NG₂ wykryto po raz pierwszy przy użyciu przeciwciał przeciw komórkom guza mózgu, problem jest poważny. Mimo to dyrektor wykonawczy Gerona Thomas Okarma kładzie te jak najbardziej uzasadnione wątpliwości na karb powszechnej ignorancji na temat tych komórek wśród większości naukowców, którym nie chciało się wystarczająco dogłębnie przestudiować tematu. „Akademicki świat ma tak mało doświadczenia z terapią komórkową, że ludzie ci (których niepokoi kancerogenny potencjał komórek NG₂) słusznie się denerwują. My jesteśmy tak daleko przed nimi”. Firma zamierza również stosować komórki NG₂ w chorobie
Alzheimera, udarze i stwardnieniu rozsianym.

Komórki NG₂ wykazują cechy jeszcze bardziej szczególne, które podważają podstawowe doktryny nauki o komórkach układu nerwowe­go. W roku 2000 Dwight Bergles, pracujący obecnie w Johns Hopkins School of Medicine, odkrył wraz ze swymi kolegami synapsy tworzące się na komórkach NG₂. Odkrycie to obala fundamentalny podział na neurony, które komunikują się przez synapsy, i komórki glejowe, które tego nie robią. Odkrycie to wprawia w szczególne zakłopotanie, gdyż komórki NG₂ są typem komórek glejowych, który najbardziej przy­pomina niedojrzałe oligodendrocyty. Dlaczego wytwarzające mielinę komórki glejowe o własnościach komórek pnia miałyby zostać włączone w obwody układu nerwowego poprzez synapsy? Komórki NG₂ nie mają połączenia wyjściowego, przez które mogłyby aktywować inne komórki, jak jak to robią neurony, nie mogą więc przekazać wiadomości innej komórce w odpowiedzi na informacje przychodząceprzez synapsę. Po co komórkom glejowym synapsy?

Być może fakt włączenia w obwody neuronalne umożliwia komór­kom NG₂ podsłuchiwanie aktywności elektrycznej mózgu i monito­rowanie transmisji informacji między neuronami. Jeżeli tak, podziały komórek NG₂ czy ich rozwój w kierunku innych komórek podlegałyby regulacji ze strony aktywności impulsowej mózgu. Być może aktywność impulsowa mogłaby wydawać komórkom NG₂ polecenie utworzenia większej ilości produkujących mielinę oligodendrocytów w mózgu cho­rego na stwardnienie rozsiane lub nawet przekształcać komórki NG₂ w nowe neurony w dorosłym mózgu.

W roku 2008 David Attwell, Ragnhildur Káradóttir i ich współ­pracownicy w University College w Londynie dokonali odkrycia, które całkowicie obaliło pojęcie jednej z najbardziej podstawowych różnic między neuronami i komórkami glejowymi: zdolności wytwarzania impulsów elektrycznych (potencjałów czynnościowych). Gdy przyłożyli elektrodę do komórki NG₂ by monitorować sygnały elektryczne, które komórki te otrzymywały przez swe wejścia synaptyczne, badacze stwier­dzili, że połowa komórek NG₂ potrafi wytwarzać impulsy elektryczne używając takiego samego mechanizmu jak neurony. Inni naukowcy nadal nie są przekonani, że komórki wytwarzające impulsy elektryczne są komórkami glejowymi, sądzą raczej, że jest to jakiś typ neuronów w stadium przejściowym rozwoju od protoplasty NG₂.

W chwili obecnej nie ma pewności, czy komórki NG₂ są czwartym typem komórek glejowych, czy zatrzymanymi na pewnym etapie rozwoju oligodendrocytami przetrwałymi w dorosłym mózgu, czy też nową neuronalno-glejową hybrydą, ale te niedawno odkryte komórki mózgowe zacierają linię podziału między neuronami i glejem. Otwiera to wyobraźnię naukowców na nowe możliwości na styku mózgu neuronalnego i drugiego mózgu. Teraz naukowcy mają mnóstwo hipotez do sprawdzenia, a wnioski o granty na badania komórek NG₂ sypią się jak z rękawa.

Z dwóch umysłów: glej jednoczy

W przeciwieństwie do większości narządów ustroju mózg jest struk­turą parzystą połączoną razem jak coś w rodzaju bliźniąt syjamskich. W ten sposób w naszej czaszce znajdują się w zasadzie dwa mózgi, chociaż tylko jeden z nich potrafi mówić. Tu może tkwić przyczyna naszych nieświadomych przeczuć i nastrojów, które pchają nasz proces racjonalnego podejmowania decyzji w nie zawsze zrozumiałym dla nas kierunku. Ogólnie można przyjąć, że lewa półkula mózgowa specjalizuje się u większości ludzi w funkcjach analitycznych, a prawa jest bardziej biegła w artystycznych. Mowa rezyduje po lewej stronie. Dwa mózgi porozumiewają się wzajemnie poprzez gruby pień włókien nerwowych (ciało modzelowate), który przekazuje informacje między siostrzanymi partiami kory mózgowej po obu stronach mózgu. Chorzy, u których przecięto te linie łączności w celu opanowania napadów padaczkowych, wydają się pod wszelkimi względami zdrowi; stosując sprytne testy, można jednak wykazać, że oba mózgi zamieszkujące głowę są komplet­nie siebie nawzajem nieświadome, utraciwszy połączenia. Można to udowodnić za pomocą testów, w których informacje prezentowane są tylko jednej stronie mózgu chorego, na przykład pokazując mu obraz po zasłonięciu jednego oka. Jak powszechnie wiadomo, informacje z lewej połowy ciała przechodzą do prawej połowy mózgu i odwrotnie. To ciało modzelowate ponownie składa wszystkie informacje, łącząc nasze dwa mózgi w jeden świadomy umysł. Bez tego zachowanego połączenia lewa strona nie wie, co robi prawa.

Nasza lewa ręka podlega kontroli prawej półkuli mózgowej, gdyż włókna nerwowe wychodzące z mózgu do mięśni ręki krzyżują się w stronę przeciwną w rdzeniu kręgowym. Również informacje wzro­kowe podlegają skrzyżowaniu. Gdy skupiasz wzrok na jakimś punkcie w przestrzeni, informacje wzrokowe z prawej strony widzianego punktu przechodzą do kory lewej półkuli mózgowej. Do skrzyżowania infor­macji dochodzi w miejscu zwanym skrzyżowaniem wzrokowym, gdzie włókna z naszych dwojga oczu kierowane są do prawej lub lewej półkuli mózgowej. Jeżeli informacja wzrokowa nie dotrze do kory lewej półkuli mózgowej, która potrafi mówić, dana osoba zaprzeczy, jakoby widziała obiekt przedstawiony jej w prawym polu widzenia. Załóżmy, że chory o rozszczepionym mózgu (taki, któremu przecięto ciało modzelowate) patrzy prosto na nos pirata. Gdyby pirat nosił jeden kolczyk ukazujący się w prawej połowie pola widzenia chorego, potrafiłby on opisać ten kolczyk szczegółowo. Dzieje się tak dlatego, że informacje z prawej połowy kory po skrzyżowaniu trafiają do kory lewej półkuli mózgowej, która kontroluje również mowę. Gdyby jednak pirat nosił kolczyk w dru­gim uchu, chory zaprzeczałby, jakoby cokolwiek zwisało z uszu pirata. Informacja z tej połowy pola widzenia trafiłaby do prawego mózgu, który nie potrafi mówić. Niemniej ta prawa półkula mózgu wiedzia­łaby wszystko o kolczyku. Te podświadomą wiedzę można by ujawnić, prosząc chorego, by narysował twarz pirata lewą ręką. Gdy będzie to robił, kolczyk znajdzie się na rysunku we właściwym miejscu. Chory zapytany, dlaczego narysował kolczyk, będzie zakłopotany i odpowie „Nie wiem”. „Gadający mózg” rzeczywiście nie wie nic o kolczyku, jeżeli ciało modzelowate zostało przecięte, gdyż obraz kolczyka w lewym polu widzenia dociera tylko do prawej kory mózgowej. Mimo że ten prawy mózg nie potrafi mówić, może ujawnić to, co postrzega przy użyciu komunikacji niewerbalnej, czyli po prostu rysując ręką kontrolowaną przez tę samą półkulę.

Roger Sperry otrzymał w roku 1981 Nagrodę Nobla za badania nad chorymi o rozszczepionym mózgu i inne innowacyjne prace naukowe poświęcone tworzeniu połączeń nerwowych w rozwoju zarodkowym mózgu. Te interesujące badania z udziałem chorych o rozszczepionym mózgu kontynuuje wielu naukowców, między innymi dawny współ­pracownik Sperry'ego Michael Gazzaniga.

Sposób, w jaki te ważne długodystansowe szlaki komunikacji two­rzone są w okresie, gdy rozwija się mózg płodu, mówi bardzo wiele o mechanizmach zawiadujących połączeniami między wszystkimi neuronami podczas rozwoju. Co więcej, w warunkach przebudowy dorosłego mózgu po urazie i w procesie uczenia się dochodzi do re­aktywacji wielu spośród tych samych mechanizmów, które tworzyły mózg w życiu płodowym.

Jak wspominano wcześniej, połączenie między półkulami nazywamy ciałem modzelowatym, które jest grubym pękiem przewodów między dwoma półkulami, najbardziej rzucającą się w oczy strukturą wewnątrz mózgu oglądanego po przecięciu na pół.

Do położenia tych grubych kabli łączności między półkulami ko­nieczne jest utworzenie tymczasowego mostu z komórek glejowych spinającego obie półkule mózgu płodu. Gdy u zwierząt doświadczalnych przetniemy taki wiszący, zbudowany z astrocytów most, aksony nie mogą przedostać się do przeciwległego mózgu. Aksony wyrastające z neuronów jak pędy winorośli dochodzą do przepaści oddzielającej prawą i lewą półkulę mózgową i gromadzą się po obu stronach w sfru­strowanych zwojach, nie wiedząc, dokąd pójść i jak przejść na drugą stronę. Można wykonać sztuczny most z bibuły filtracyjnej pokrytej astrocytami zarodkowymi lub nawet opłaszczony błoną komórkową pochodzącą z tych komórek glejowych. Po wprowadzeniu do mózgu takiego mostu aksony przepełzają przezeń.

Podobne mosty i drogi z astrocytów pojawiają się w innych miejscach mózgu płodu, zawiadując połączeniami między neuronami w miejscach, gdzie powinny one stworzyć obwód. Astrocyty prowadzą aksony nie tylko fizycznie torując im drogę, którą mogą iść, ale również uwalniając sygnały molekularne stymulujące i kierujące wzrostem zarodkowych aksonów. W punktach o krytycznym dla mózgu znaczeniu astrocyty o funkcji komórkowych przewodników wysyłają też sygnały chemiczne zatrzymujące aksony wyrastające z neuronów, które znalazły się na złej drodze.

Co ciekawe, pewne nieprawidłowości w okresie rozwoju zarodkowego mogą skutkować nadzwyczajnymi zdolnościami. Niedawno stwierdzono, iż niektóre osoby o wybitnych umysłach - ludzie o niesamowitych zdolnościach zapamiętywania, na przykład tekstów książek czytanych  przed laty - nie mają ciała modzelowatego. Osoby takie jednak cierpią zwykle na inne zaburzenia umysłowe. Często nie są zdolne do myślenia abstrakcyjnego czy pełnej oceny informacji, które tak łatwo zapamiętują. To tak jakby cała moc mózgu rozdysponowana normalnie na wiele funkcji intelektualnych skoncentrowała się w wyniku zaburzeń tworzenia połączeń w obrębie kory w okresie rozwoju w jednym małym obwodzie czynnościowym.

Linia środkowa między lewym i prawym mózgiem jest niezwykle ważną zaporą wodną ściśle strzeżoną przez zarodkowe komórki glejowe stacjonujące wzdłuż tej granicy. Żaden sygnał przychodzący ani wychodzący z prawej lub lewej połowy ciała nie przechodzi na drugą stronę mózgu. Molekularne drogowskazy na tych komórkach glejowych linii środkowej oraz sygnały, które wysyłają, interpretowane są odmiennie przez aksony, które powinny przejść na przeciwną stronę mózgu, i przez aksony, które powinny pozostać na swoim terytorium. Umieszczając metodami inżynierii genetycznej niewłaściwe cząsteczki w komórkach glejowych linii środkowej muszki owocowej naukowcy obserwowali tworzące się w układzie nerwowym larw nieprawidło­we połączenia, gdy aksony z prawej i lewej połowy ciała przechodziły na oślep tam i z powrotem na drugą stronę, plącząc się beznadziejnie w bezużyteczne supły.

Naukowcy dowiedzieli się wiele o cząsteczkach wykorzystywanych przez komórki glejowe linii środkowej jako sygnały kierujące wyra­stającymi z neuronów aksonami oraz o znajdującej się w wierzchołku aksonu maszynerii molekularnej, która odbiera i analizuje te sygnały. Opanowanie informacji dostarczanych przez komórki glejowe w okresie rozwoju zarodkowego będzie niezwykle ważne, jeżeli kiedykolwiek zechcemy wykorzystać je do odbudowy połączeń w uszkodzonym mó­zgu lub rdzeniu kręgowym. W zasadzie wszystko, co trzeba zrobić, to postawić właściwe glejowe znaki drogowe tam, gdzie są potrzebne, by pozwolić lekarzom właściwie pokierować wzrostem aksonów regene­rujących po urazie.

Neurony w glejowej pajęczynie: przestrzeń pomiędzy nimi

Na przestrzeń znajdującą się między komórkami naszego mózgu nie zwraca się zwykle uwagi, a jednak wszystkie nasze myśli i funkcje mentalne poruszają się w tej trudnej do zgłębienia sferze. Neuroprzekaźniki uwal­niane przez neurony i wytwarzane przez nie prądy elektryczne przenoszą wiadomości do innych neuronów przez przestrzeń międzykomórkową mózgu. Hormony, składniki odżywcze i drobnoustroje chorobotwór­cze - wszystko to wędruje w przestrzeni zewnątrzkomórkowej. Ale jak wygląda przestrzeń międzykomórkowa mózgu? Jaką część naszej tkanki mózgowej stanowi pusta przestrzeń między komórkami? Czy przestrzeń międzykomórkowa zmienia się wraz z aktywnością neu­ronów, w procesie uczenia lub wraz z wiekiem? Jeżeli się zmienia, to jakie są tego konsekwencje? Jakiej regulacji podlega ta przestrzeń? Jak szybko i jak daleko mogą podróżować neuroprzekaźniki przez mózg w przestrzeni między komórkami? Czy komórki glejowe mają wpływ na tę międzykomórkową sferę mózgu?

Można by przypuszczać, że pierwsi naukowcy już dawno temu spe­netrowali ten teren dokładnie, gdy szczegółowo badali wszelkie zawiło­ści budowy komórek mózgowych za pomocą swych mikroskopów, ale niestety, nieumyślnie go wtedy zadeptali. Gdy tkankę konserwuje się w formaldehydzie, kurczy się ona jak hamburger na grillu, wyciskając całą przestrzeń między komórkami. Również biochemicy nie zauwa­żyli tej części mózgu, analizowali bowiem cząsteczki w cytoplazmie starannie upakowane wewnątrz komórek, podczas gdy cząsteczki prze­strzeni międzykomórkowej - wiele spośród nich niezwykle ważnych dla chemicznej kontroli komunikacji między komórkami nerwowymi - wymknęły się im, gdy izolowali komórki nerwowe, które zamierzali badać w swych probówkach.

Neurobiolodzy Charles Nicholson z Uniwersytetu w Nowym Jorku i Eva Sykova z Instytutu Medycyny Eksperymentalnej w Pradze opra­cowali metodę badania niewidocznej przestrzeni zewnątrzkomórkowej mózgu. Wstrzykując znaczniki i śledząc ich dyfuzję w żywych skrawkach mózgu szczura, stwierdzili, że około 20 procent naszego mózgu przypada na przestrzeń międzykomórkową. Jest to frakcja pustej przestrzeni o wiele większa niż w obrazie struktury mózgu, który wyłania się, gdy oglądamy utrwaloną chemicznie tkankę w preparacie mikroskopowym.

Ku swemu zaskoczeniu Nicholson stwierdził, że barwniki fluorescencyjne uwalniane do przestrzeni zewnątrzkomórkowej świeżej tkanki mózgowej nie dyfundują w niej tak szybko, jak można by się spodzie­wać, jak, powiedzmy, kropla śmietanki rozpuszczająca się w kawie. Coś w przestrzeni międzykomórkowej spowalnia dyfuzję. Zestawiając pomiary barwnika znacznikowego z matematycznymi modelami dyfuzji, Nichol­son stwierdził, że dyfuzja cząsteczek w przestrzeni zewnątrzkomórkowej podlega ograniczeniom, gdyż ów mikrowszechświat we wnętrzu naszej głowy ma niezwykle złożoną strukturę fizyczną. Liczne zaułki i kryjówki między komórkami mózgu utrudniają przepływ substancji przez prze­strzeń zewnątrzkomórkową, ponieważ dyfundujące cząsteczki wchodzą w mikroskopijne ślepe uliczki i wpadają w pułapkę. Korzystne jest to, że neuroprzekaźniki uwalniane na synapsach osiągają wyższe stężenie i nie rozpraszają się tak szybko i na tak dużą odległość do punktu uwalnia­nia, jak można by się było tego spodziewać. Poprawia to komunikację między neuronami poprzez koncentrację i wydłużenie czasu odbioru wiadomości.

Badania Evy Sykovej i jej współpracownicy Lydii Vargovej wykazały wysoce dynamiczny charakter przestrzeni zewnątrzkomórkowej mózgu. Zmienia się w chorobie i wraz z wiekiem oraz ma wpływ na proces uczenia się. Warunki skutkujące niedoborem tlenu, na przykład udar, powodują skurczenie przestrzeni zewnątrzkomórkowej. Gdy przestrzeń zewnątrzkomórkowa obkurcza się, zwalnia dyfuzja substancji między komórkami. Podobny efekt konstrukcyjny ma uszkodzenie mózgu wywołane raną kłutą, nowotwór mózgu natomiast otwiera przestrzeń między komórkami mózgu, zwiększając ją do prawie 43 procent obję­tości mózgu - prawie połowa objętości zajętego przez nowotwór mó­zgu przypada na płyn! Powoduje to przyspieszenie rozsiewu komórek nowotworowych w całym papkowatym teraz mózgu.

Badania Vargovej wykazują, że wraz z wiekiem ubywa przestrzeni między komórkami naszego mózgu, w wyniku czego dyfuzja cząsteczek przekaźników między neuronami staje się utrudniona. U szczurów, podobnie jak u ludzi, dochodzi z wiekiem do ubytku sprawności intelektualnej, a stopień ubytku, jakiego doświadczają, gdy osiągają podeszły wiek, jest osobniczo zmienny. Gdy Vargova porównała w teście labi­ryntu wiekowe szczury, które szybko się uczą z ich kolegami seniorami, którzy uczą się wolno, stwierdziła, że u szczurów szybko się uczących ubytek przestrzeni zewnątrzkomórkowej był zdecydowanie mniejszy niż u uczących się powoli.

Co decyduje o wielkości przestrzeni zewnątrzkomórkowej? Jednym z głównych czynników są komórki glejowe. Obkurczanie się i pęcznienie komórek glejowych oraz wydłużanie i retrakcja komórkowych odgałęzień to główny czynnik regulujący objętość przestrzeni międzykomórkowej i jej strukturalną złożoność. W ten sposób komórki glejowe (astrocyty) ze swymi sondującymi komórkowymi palcami, które oddzielają neurony, dyrygują ruchem neuroprzekaźników w przestrzeni zewnątrzkomórkowej i tym samym kontrolują prędkość i zasięg informacji przekazywanych przez neuroprzekaźniki między neuronami.

W przeciwieństwie do próżni przestrzeni międzygwiezdnej we wszechświecie przestrzeń międzykomórkowa we wnętrzu naszej czaszki nie jest pusta. Wypełniona jest sznurowatymi białkami nabijanymi enzymami, które regulują syntezę i rozkład neuroprzekaźników. W prawie każdej tkance naszego ciała ta macierz białkowa skleja komórki ze sobą, ale w mózgu macierz zewnątrzkomórkowa zawiera również bogaty wachlarz różnych cząsteczek, które robią znacznie więcej niż tylko zszywanie komórek w tkankę. Cząsteczki te regulują środowisko komórkowe i kontrolują sygnały przekazywane między komórkami. Łącząc się z makrocząsteczkami penetrującymi przez błonę komórko­wą, neuronów i komórek glejowych, macierz cząsteczek na zewnątrz komórki przekazuje informacje o środowisku zewnętrznym do wnętrza komórek.

Macierz zewnątrzkomórkowa w mózgu jest syntetyzowana w okresie rozwoju mózgu nie przez neurony, ale przede wszystkim przez astrocy­ty. W nerwach tułowia i kończyn naszego ciała to komórki Schwanna okręcają macierzą komórki nerwowe.

Podobnie jak rusztowanie dla budynku tak macierz zewnątrzkomór­kowa jest niezbędna dla podtrzymania rozwoju mózgu płodu. Macierz białkowa zawiera cząsteczki wspierające wzrost aksonów i prowadzące je ku właściwym punktom połączenia z innymi neuronami. Astrocyty wprowadzają do macierzy w odpowiednich momentach rozwoju płodu różnego rodzaju cząsteczki zawiadujące wzrostem. Podobnie jak pająk tka swoją sieć z włókien klejących i takich, które się nie kleją, tak astrocyty wplatają w macierz zewnątrzkomórkowa cząsteczki adhezji, do których neurony z łatwością się przyczepiają i na nich rosną. W innych miejscach mózgu, do których nie powinny wchodzić aksony (lub w szczególnych momentach, kiedy nie byłoby właściwe, by wchodziły), astrocyty dodają do macierzy zewnątrzkomórkowej śliskich cząsteczek. Te nasmarowane zapory nie pozwalają aksonom ani neuronom przejść. Jak to zostało omó­wione w rozdziale 5 poświęconym paraliżowi, bariery glejowe o śliskiej powłoce nie dopuszczają też do regeneracji aksonów po urazie mózgu lub rdzenia kręgowego. W całym świecie prowadzone są intensywne badania poszukujące sposobów regulacji adhezyjnych i nieadhezyjnych własności macierzy zewnątrzkomórkowej w bliźnie glejowej utworzonej przez astrocyty po urazowym uszkodzeniu mózgu lub rdzenia kręgowe­go. Poznanie tego rusztowania jest niezbędne do osiągnięcia niezwykle ważnego celu, jakim jest wyleczenie paraliżu.

Rusztowanie budowane przez astrocyty w okresie rozwoju płodo­wego mózgu funkcjonuje nadal w dorosłym mózgu i, jak wspominano wcześniej, niezbite dowody przemawiają za rolą macierzy zewnątrzkomórkowej w procesie uczenia się i pamięci, a także w chorobie. Astrocyty modyfikują adhezyjne cząsteczki związane z synapsami podczas uczenia się tak, by umożliwić tworzenie nowych synaps, a także wydzielają en­zymy (proteazy), które rozbierają macierz podczas gojenia rany. Gdy astrocyty ulegną przemianie nowotworowej, proteazy te zwracają się przeciw mózgowi, rozkładając macierz zewnątrzkomórkową i pozwalając komórkom guza na tworzenie przerzutów i naciekanie innych części mózgu. Komórki nowotworowe, które wymknęły się spod kontroli macierzy zewnątrzkomórkowej, sieją szeroko spustoszenie.

Poznanie roli komórek glejowych w powstawaniu i degradacji macierzy zewnątrzkomórkowej umożliwi nam lepszy wgląd w to, jak budowany jest mózg, jak zmienia się on pod wpływem doświadczeń, jak ulega osłabieniu przez uraz lub chorobę, na przykład rozsiew nowo­tworu. Najważniejszą jednak ze wszystkich przestrzeni między dwoma neuronami jest maleńka zatoczka między neuronem i synapsą. Nowe badania wskazują na astrocyty jako na architektów tworzących te nie­zwykle ważne połączenia elektroniczne.

Powstanie synaps: gwiazdy niebieskie

Zajmujący się układem nerwowym naukowcy stoją teraz twarzą w twarz z zaskakującym odkryciem, że proces tworzenia w mózgu neuronalnych obwodów jest kontrolowany nie tylko przez neurony, ale również przez komórki glejowe. Komórki glejowe potrafią kontrolować nawet tworzenie synaps na neuronach.

W roku 1997 Ben Barres i członkowie zespołu jego laboratorium na Uniwersytecie Stanforda opisali ciekawą obserwację. Neurony izolo­wane z siatkówki oka prowadzone w hodowli komórkowej funkcjono­wały i rosły słabo, gdy usunięto z niej astrocyty. Podobną prawidłowość stwierdzono w przypadku neuronów pobranych z innych okolic mózgu, w tym z hipokampa. Gdy zespół Barresa wybarwił neurony w tej hodowli, by ukazać ich synapsy i za pomocą mikroelektrod rejestrował sygnały iskrzące na synapsach, nie było wątpliwości: neurony hodowane w nieobecności astrocytów miały mniej czynnych połączeń synaptycznych.

Znaleźliśmy się jeszcze przed tym punktem, w którym od zawsze zakładano, że liczba synaps tworzonych przez neuron zależy tylko i wyłącznie od samego neuronu. Cała neurofizjologia teoretyczna i stosowana opiera się na tym założeniu. Obserwacje Barresa obaliły to założenie, sugerując równocześnie, że astrocyty w jakiś nieznany sposób pomagają określić, ile synaps utworzy neuron. Wyobraź sobie: tworzenie synaps - podstawowej jednostki czynnościowej układu nerwowego - pod kon­trolą komórek glejowych!

Naukowcy próbowali następnie dowiedzieć się, jak to możliwe, by astrocyty kontrolowały tworzenie się synaps. Czy astrocyty stymu­lują narodziny synapsy poprzez dotknięcie neuronu, czy też uwalniają do podłoża jakieś substancje, pod wpływem których neurony wypusz­czają więcej synaps?

Aby to stwierdzić, zespół Barresa zebrał podłoże hodowlane z ho­dowli zawierającej wyłącznie astrocyty i dodał do hodowli zawierającej wyłącznie neurony. Eksperyment wykazał, że składnikiem aktywnym przyczyniającym się do tworzenia synaps było coś, co uwalniały astrocyty, ponieważ podłoże zebrane z hodowli zawierającej wyłącznie astrocyty stymulowało powstawanie synaps równie dobrze jak same astrocyty dodane do hodowli zawierającej same neurony. (Wielu czytelników chciałoby zapewne wiedzieć, co to za substancje, po których kiełkują synapsy i gdzie można je dostać). Dzięki serii testów biochemicznych naukowcy stwierdzili, że astrocyty uwalniają co najmniej dwa, a praw­dopodobnie wiele więcej chemicznych sygnałów stymulujących two­rzenie się synaps.

Frank Pfrieger z Instytutu Maxa Plancka w Niemczech wyizolował cholesterol jako jeden z czynników aktywnych. Jest jeszcze zbyt wcze­śnie, by można było w pełni odpowiedzieć na pytanie, w jaki sposób pochodzący z astrocytów cholesterol promuje powstawanie synaps.

W roku 2004 Karen Christopherson, Erik Ullian i ich współpra­cownicy zidentyfikowali duże białko nazwane trombospondyną jako kolejną cząsteczkę uwalnianą przez astrocyt. Białko to jest od dawna znane naukowcom ze swego działania na komórki krwi, wcześniej nie wiedziano jednak, że ma ono cokolwiek wspólnego z tworzeniem się synaps.

Obecnie zaczynamy sobie uświadamiać, że astrocyty kontrolują nie tylko siłę przekazu synaptycznego, regulując neurotransmisję w szparze synaptycznej, ale również są w stanie kontrolować powstawanie synaps de novo. Tworzenie synaps w okresie rozwoju płodowego, jak również w procesie uczenia się u dzieci i dorosłych, jest jednym z najbardziej podstawowych i najintensywniej badanych procesów w nauce o układzie nerwowym. W ciągu minionych pięciu lat tą dziedziną wstrząsnęło odkrycie, że stery dzierżą tutaj astrocyty.

Ta kontrola tworzenia synaps przez komórki glejowe ma również miejsce, podobnie jak w mózgu i rdzeniu kręgowym, w naszym ob­wodowym układzie nerwowym, gdzie komórki glejowe dokonujące remodelingu synaps można obserwować pod mikroskopem. Wesley Thompson i jego współpracownicy z Uniwersytetu w Teksasie oraz Jeff Lichtman i jego współpracownicy z Uniwersytetu Harvarda stwierdzi­li, że w połączeniu nerwowo-mięśniowym, które jest synapsą między neuronami ruchowymi i włóknami mięśniowymi, komórki Schwanna nadzorują rozwój, usuwanie i przebudowę synaps kontrolujących skurcz naszych mięśni.

Umieszczając noworodka myszy pod mikroskopem i badając co­dziennie przez siedem kolejnych dni znajdującą się tuż pod jego skórą synapsę nerwowo-mięśniową, badacze ci mogli obserwować proces tworzenia synaps w mięśniach i eliminacji dodatkowych połączeń synaptycznych. Ku swemu zaskoczeniu stwierdzili, że komórki Schwanna decydują o tym, gdzie dokładnie we włóknie mięśniowym powstanie synapsa. Stwierdzili również, że komórki Schwanna zawiadują usuwa­niem dodatkowych synaps z włókien mięśniowych.

Podobne mechanizmy rozwojowe pojawiają się na nowo u zwie­rząt dojrzałych w procesie naprawy układu nerwowego po urazie. Gdy zostanie przecięty akson neuronu ruchowego, zregenerowany akson odrasta i tworzy synapsy z właściwymi dla siebie włóknami mięśniowymi, przywracając utraconą funkcję mięśnia. Obserwując proces gojenia pod mikroskopem, Thompson i jego współpracownicy zobaczyli, jak terminalne komórki Schwanna, które w warunkach prawidłowych ciasno otaczają zakończenie synaptyczne, ulegają nagłej transformacji. Po uszkodzeniu aksonu terminalne komórki Schwanna zaczęły gwałtownie kiełkować i puszczać długie wypustki. Niektóre spośród tych wypustek dotarły w końcu do znajdującej się na pobliskim włóknie mięśniowym synapsy. Gdy się to stało, nieuszkodzone zakończenie nerwowe zareagowało nagłym kiełkowaniem nowej gałęzi aksonu, która pobiegła po moście z komórek Schwanna z powrotem do włókna mięśniowego, które utraciło wcześniej swe połączenie synaptyczne, przywracając tym samym temu włóknu mięśniowemu jego funkcję. Komórki Schwanna nadzo­rujące ściśle czynność każdej synapsy nerwowo-mięśniowej uzdrawiają nas, naprawiając połączenia do naszych mięśni uszkodzone przez uraz lub chorobę. Można się zastanawiać, w jakim stopniu remodeling synaps podlega kontroli komórek glejowych nadzorujących ruch informacji przepływających przez każdą synapsę.

Okna możliwości i zakończenie sprawy: komórki glejowe w okresie krytycznym

Spróbuj nauczyć się nowego języka po okresie dojrzewania, a zawsze będziesz mówić z akcentem. Nie można nauczyć starego psa nowych sztuczek. Wszyscy rodzimy się ze zdolnością rozróżniania wszystkich dźwięków we wszystkich językach, jednakże w toku zwiększania efektyw­ności pracy naszego mózgu wyostrzamy zdolność rozróżniania dźwię­ków ważnych dla naszego języka ojczystego i pozbywamy się obwodów nerwowych, które byłyby istotne przy rozróżnianiu innych dźwięków, które nie są ważne w naszym języku. Dowodzi to, że tworzenie obwodów w mózgu kierowane jest przez doświadczenie środowiskowe, a nie wyłącznie określone w genetycznym planie działania. Małe dzieci japońskie poddane ekspozycji na język polski nie będą miały problemu z odróżnieniem „l” i „r”, ale ich rodzice nie będą mieli szans usłyszeć różnicy brzmienia słowa „klatka” i „kratka”. Podobnie jak w przypadku  trudności ze zrozumieniem ze słuchu każdego innego języka, dorosły Japończyk, który nigdy nie słyszał języka polskiego jako niemowlę, musi nauczyć się posługiwać innymi wskazówkami ułatwiającymi zrozumienie, takimi jak kształt warg mówiącego czy kontekst zdania, by prawidłowo odróżniać słowa różniące się dźwiękami, których jego mózg nie potrafi rozdzielić. Twój mózg wycina nieużywane połączenia, by zwiększyć wy­dajność i efektywność tych obszarów i tych funkcji, które są używane.

Najlepiej przebadanym przykładem jest tutaj proces widzenia. Ba­dając rozwój widzenia trójwymiarowego u kociąt otwierających swe oczy na świat, laureaci Nagrody Nobla David Hubel i Torsten Wiesel stwierdzili, że interakcja wzrokowa z otoczeniem jest absolutnie niezbędna dla tworzenia obwodów w korze wzrokowej, czyli obszarze kory mózgowej, w której analizowane są informacje wzrokowe. Gdy zasłonili nowo narodzonemu kocięciu jedno oko i po kilku tygodniach odsłonili je, usuwając plaster, kot był już do końca życia na to oko ślepy. Aparat optyczny tego oka był w całkowitym porządku, ale mózg nie potrafił zrobić użytku z przychodzących informacji. Bez koniecznych czynnościowych doświadczeń wzrokowych dostarczających informacji zwrotnej dla połączenia obwodów neuronalnych oko nie zostało prawidłowo połączone z korą mózgową.

Podobnie jak w przypadku komputera, gdy proces tworzenia ob­wodów zostanie ukończony, nie można już tych obwodów w sposób istotny zmienić. Hubel i Wiesel stwierdzili, że żadne doświadczenia wzrokowe dorosłego kota nie są w stanie zrekompensować ograniczeń, jakich doświadczyło kocię w krytycznym momencie swego rozwoju, kiedy to powstawały w mózgu obwody wzrokowe. Nazwali to „okresem krytycznym”, a pojęcie to dotyczy zarówno ludzi, jak i zwierząt doświad­czalnych. Jest to powód, dla którego lekarze śpieszą się, by najwcześniej jak to możliwe operować zaćmę u noworodka lub skorygować ustawienie gałek ocznych u dzieci z zezem wrodzonym. Podobne okresy krytyczne znane są obecnie w rozwoju wielu różnych układów czuciowych.

W roku 1989 Cristian Müller i Johannes Best z Instytutu Maxa Plancka we Frankfurcie opisali eksperyment, w którym przeszczepili niedojrzałe astrocyty do mózgu dorosłego kota, w wyniku czego doszło do odbudowy obwodów kory mózgowej - idea okresu krytycznego rozbiła się w drobny mak. Niedojrzałe astrocyty jakimś sposobem przywróciły korę wzrokową do stadium młodzieńczego, kiedy to była plastyczna i zdolna do tworzenia obwodów.

Przez długie lata nikt nie wiedział, co zrobić z tym eksperymentem. Czy oznacza to, że komórki glejowe kontrolują okres krytyczny? Jeżeli byłaby to prawda, czy oznacza to, że komórki glejowe odgrywają jakąś rolę - rolę przywódczą - w zakładaniu i wymianie przewodów w połączeniach synaptycznych mózgu? A gdyby to była prawda, komórki glejowe miałyby jakiś sposób, by podsłuchiwać przetwarzanie i transmisję informacji w neuronach. Ta potencjalna umiejętność wydawała się nie mieć sensu dla większości naukowców, dla których drugi mózg był równie ciemny i tajemniczy jak druga strona Księżyca. Powód, dla którego przeszczepione astrocyty potrafią na nowo odtworzyć okres krytyczny, pozostaje nieznany. Może to mieć coś wspólnego z uwalnianiem przez astrocyty czynników wzrostu lub wydzielaniem enzymów rozbijających macierz zewnątrzkomórkową i umożliwianiem tworzenia nowych sy­naps. Nikt nie jest pewny do końca, ale naukowcy zaczynają rozumieć, dlaczego komórki glejowe ustalają okres krytyczny dla procesu uczenia się. Temat ten będziemy zgłębiać ponownie w trzeciej części tej książki, ale obecnie przejrzyjmy jeszcze raz główne punkty, które pomogą nam rozwiązać zagadkę zadaną przez paraliż, rzucającą nowe światło na okres krytyczny w uczeniu się. Mielina w mózgu i rdzeniu kręgowym naszpi­kowana jest białkami blokującymi odrastanie aksonów, aksony kiełkują natomiast i rosną bez przeszkód na mielinie wytworzonej przez komórki Schwanna w obwodowym układzie nerwowym. Dlaczego?

Uszkodzenie mózgu u wcześniaków: ukryta wiadomość od wytwarzających mielinę komórek glejowych

Wiele dzieci jest narażonych w okresie porodu na niedobór tlenu, a to może skutkować ciężkim uszkodzeniem mózgu. Neurony bez wąt­pienia ulegają uszkodzeniu pod wpływem braku tlenu, ale komórki, z których powstają oligodendrocyty, są na takie uszkodzenie podatne jeszcze bardziej. Śmierć tych komórek w momencie narodzin dziecka powoduje niedorozwój umysłowy. U dzieci takich rozwija się leukomalacja okołokomorowa, inaczej PVL, polegająca na utracie mieliny spowodowanej śmiercią komórek, które dojrzewają do oligodendrocytów. U dzieci z takim niedoborem mieliny pojawia się niedorozwój umysłowy i zespół nadpobudliwości psychoruchowej z deficytem uwagi, ponieważ impulsy elektryczne nie są w stanie przechodzić właściwie przez pozbawione izolacji aksony.

Co ciekawe, wiele spośród aksonów w mózgach takich dzieci, a także zwierząt doświadczalnych z PYL wypuszcza bujnie gałęzie, wrastające w miejsca, w które nie powinny. W warunkach prawidłowych wytwa­rzające mielinę komórki glejowe hamują kiełkowanie aksonów w okresie rozwoju, co może mieć zasadnicze znaczenie dla prawidłowego tworzenia połączeń w mózgu.

Mielinę porównuje się do elektrycznej taśmy izolacyjnej nawiniętej na przewody, i izolacja jest z całą pewnością ważną funkcją mieliny, ale mielina może przypominać taśmę elektryczną jeszcze pod innymi względami. Niektórzy naukowcy mają silne przeczucie, że osłona mielinowa została położona na aksonach nie tylko w celu przyspieszenia przewodzenia impulsów, ale by zapakować obwody neuronalne, z chwilą gdy zostały one całkowicie ukształtowane, i definitywnie zakończyć proces tworzenia obwodów w mózgu, podobnie jak czyni to elektryk, zabezpieczając taśmą przewody wewnątrz urządzenia, gdy wszystkiej one są już prawidłowo założone.

Jakoś trzeba to zrobić, w przeciwnym wypadku aksony kiełkowałyby nadal obficie w całym mózgu. Według tej teorii, kiełki pojawiające się w dorosłym mózgu ulegają odcięciu, gdy dotkną mieliny. Brak w pełni uformowanej mieliny jest jednym z powodów, dla których u małych dzieci i młodych zwierząt łatwiej dochodzi do naprawy uszkodzeń układu nerwowego. Torbacze takie jak dydelf, których niemowlęta rozwijają się w torbie matki jak kangury, nadają się idealnie do badań rozwojowych, gdyż późny etap rozwoju płodowego zachodzi u nich poza łonem matki. Przecięty u młodego dydelfa rdzeń kręgowy goi się, pod warunkiem że do urazu dojdzie, zanim rdzeń kręgowy zostanie pokryty mieliną.

Po urazie mielina jest jedną z pierwszych struktur komórkowych, które się rozpadają, i aksony mogą znowu bez żadnych ograniczeń wypusz­czać nowe kiełki. Niestety, gdy tylko zetkną się z mielina, która hamuje kiełkowanie i przyspiesza przewodnictwo w innych nieuszkodzonych aksonach, kiełki zostają zatrzymane na swej drodze. Ta właściwość stanowi biologiczny dylemat: kiełkowanie aksonów jest albo dobre, albo złe, zależnie od okoliczności.

Patrząc z punktu widzenia ewolucji, łatwo zrozumieć, dlaczego aksony w mózgu i rdzeniu kręgowym nie odrastają po uszkodzeniu: w naturze zwierzę o uszkodzonym ośrodkowym układzie nerwowym zostaje zjedzone. I przeciwnie, z niewielkim uszkodzeniem kończyn można przeżyć i je naprawić, nim uszkodzenie stanie się śmiertelne. Dla dzikich zwierząt nie ma znaczenia, że mielina w mózgu i rdzeniu kręgowym naszpikowana jest jak minami białkami, które blokują kieł­kowanie aksonów i ich odrastanie po urazie. Hamujące białka mieli­ny znalazły się tam w innym celu: by zatrzymać kiełkowanie aksonów z chwilą powstania dojrzałego obwodu. Martin Schwab, który odkrył Nogo, pierwsze białko mieliny hamujące kiełkowanie aksonów, z tym się zgadza. Zapytany, dlaczego, jego zdaniem, Natura dodała do mieliny Nogo i inne białka hamujące kiełkowanie aksonów, odpowiada: „Myślę, że Nogo i inne inhibitory (w mielinie) mają za zadanie stabilizować niezwykle złożoną strukturę dorosłego układu nerwowego wyższych kręgowców”. Schwab mówi dalej: „Nogo-A zostało «wynalezione» przez żaby, nie mają go ryby ani salamandry, a jedną z jego funkcji jest ograniczenie plastyczności do małych domen przestrzennych (w roz­winiętych mózgach), z chwilą gdy oun osiągnie dojrzałość”.

To ma sens, że coś musi kończyć okres wzrostu i kiełkowania akso­nów we wczesnych etapach rozwoju, ale dlaczego, spytałem, to mielina i oligodendrocyty mają hamować kiełkowanie i wzrost aksonów, a nie jakieś inne komórki?

„Oligodendrocyty dojrzewają późno, rzeczywiście w korelacji z dojrzewaniem dróg nerwowych, a wzrost aksonu zostaje wstrzymany w momencie, gdy droga jest dojrzała... Oligodendrocyty są po prostu na właściwym miejscu we właściwym momencie rozwoju, a ponie­waż okrywają aksony mieliną, okres krytyczny dla obwodu zbliża się ku końcowi”.

Profesor Stephen Strittmatter, neurobiolog z Uniwersytetu Yale, zga­dza się, że oligodendrocyty są właściwymi komórkami, by zamknąć okno okresu krytycznego: „Wcześniejsze prace Aguayo i Schwaba udowodniły bezsprzecznie, że mielina zawiera coś o własnościach hamujących... czas mielinizacji odpowiada najlepiej etapowi rozwoju, w którym zamykają się okresy krytyczne. Patrząc na rozwój w ogólnym zarysie, neurony rodzą się, migrują we właściwe miejsce, wypuszczają aksony i dendryty, później tworzą neuroprzekaźniki i synapsy, a następnie, korzystając z własnych doświadczeń, precyzyjnie dostrajają swe połączenia. Gdy wszystko to zostanie ukończone, powstaje mielina i kończy się zależne od doświadczenia dostrajanie. W porównaniu z jakimkolwiek innym zdarzeniem dojrzewanie oligodendrocytów zbiega się najlepiej z za­kończeniem dostrajania opartego na doświadczeniu”.

Strittmatter i jego doktorant Aaron McGee poddali ostatnio tę teorię próbie. Jak wyjaśniono wcześniej, białko Nogo działa na białko recepto­rowe błony komórkowej neuronów. Strittmatter i jego współpracownik pozbawili mysz genu receptora białka Nogo. U takich zmutowanych myszy aksony kiełkowały obficie po udarze lub urazie rdzenia kręgowego. Co więcej, pozbawione receptora białka Nogo zwierzęta po urazie odzyski­wały w znacznym stopniu zdolność chodzenia i chwytania przedmiotów po uszkodzeniu nerwu. W laboratorium Schwaba obserwowano bardzo podobny efekt po zablokowaniu receptora białka Nogo przeciwciałem. Ale zablokowanie receptora białka Nogo ma oprócz ułatwienia regene­racji jeszcze jeden istotny wpływ na proces uczenia się.

Badacze stwierdzili, że blokada inhibicyjnego białka Nogo mieliny przywraca mózgowi jego młodzieńczą elastyczność utraconą w wieku dorosłym. Jak wykazali w latach sześćdziesiątych Hubel i Wiesel, neurony mózgu otrzymujące w warunkach prawidłowych informacje z oka, które zostało eksperymentalnie zasłonięte u kocięcia na kilka tygodni, tracą połączenia z bezużytecznym okiem i przełączają się do oka otwartego. Taki neuron „widzi” teraz dobrym okiem. U zwierząt starszych nie ma już jednak takiej elastyczności. Wiek okresu krytycznego dla takiej przebudowy obwodów zbiega się z czasem zakończenia mielinizacji obwodów wzrokowych. Badania Strittmattera, których wyniki opubli­kowano w roku 2005, wykazały, że okres krytyczny można ponownie otworzyć poprzez usunięcie z neuronów myszy receptoru białka Nogo - stare zwierzęta były w stanie tak przełączyć swe neurony wzrokowe, by przystosować się do utraty widzenia w jednym oku.

Te nowe odkrycia dotyczące roli mieliny pod koniec jej wytwarzania w okresie krytycznym przynoszą rozwiązanie zagadki, dlaczego mielina, która izoluje aksony, zawiera białka decydujące o tym, że uszkodzenie rdzenia kręgowego prowadzi do trwałego paraliżu. Z tym nowym spojrzeniem wiąże się duże nadzieje związane z leczeniem paraliżu po razach rdzenia kręgowego, pozwala ono również zrozumieć, dlaczego w procesie uczenia się istnieją okresy krytyczne i dlaczego wiek okresu krytycznego nie jest dla wszystkich funkcji jednakowy. Różne części mózgu ulegają mielinizacji w różnym czasie. Kawałki układanki znalezione podczas eksploracji drugiego mózgu zaczynają łączyć się w całość, wypełniając luki w wiedzy o mózgu neuronalnym, które od dawna były tajemnicą. Te nowe odkrycia wskazują, że tworzące mielinę komórki glejowe kontrolują proces uczenia się w sposób, który jak od dawna zakładano, miał być domeną wyłącznie neuronów.