R. Douglas Fields
DRUGI MÓZG




Rozdział 14

Pamięć i moc mózgu ponad neuronami

Wklejanie wspomnień do naszego umysłowego albumu

Najbardziej intrygującą funkcją umysłową jest dla wielu zajmujących się układem nerwowym naukowców mechanizm pamięci. Kluczową dla procesu pamięci częścią mózgu jest hipokamp, a o transmisji synaptycz­nej i plastyczności synaps hipokampa wiemy więcej niż o jakiejkolwiek innej części mózgu. Dla osób zainteresowanych poznaniem obwodów komórkowych przechowujących wspomnienia - i możliwością, że pewną role odgrywają tu komórki glejowe - hipokamp był naturalnym miej­scem, od którego należało zacząć poszukiwania.

Biały szczur laboratoryjny zapada w sen po podaniu tych samych barbituranów, które stosuje weterynarz, by bezboleśnie skrócić cierpienia naszego psa lub kota. Przesuwam ostrze skalpela wzdłuż sklepienia jego czaszki od przodu ku tyłowi. Szybko przecinam kość czaszki, łamiąc ją od otworu potylicznego, gdzie z czaszką łączy się kręgosłup szyjny, do czoła. Biorę kolejne narzędzie chirurgiczne - szczypce ze stali nie­rdzewnej z zaostrzoną w kształcie ptasiego dzioba końcówką - nacinam kość i dzielę czaszkę na dwie połowy, odkrywając cielistoróżowy mózg ukazujący się jak orzech włoski w połówce skorupki. Pokrytą teflonem malutką łopatką wyjmuję mózg z czaszki, odcinając nerwy czaszkowe, które wychodzą przez małe dziurki w czaszce, by kierować mięśniami twarzy. Mózg z pluskiem wpada do oziębionej zlewki ze sztucznym płynem mózgowo-rdzeniowym, zanurzonej w wiaderku z łupanym lo­dem. Godzinę wcześniej odważyłem mnóstwo związków chemicznych i rozpuściłem jej w ultraczystej wodzie, by stworzyć sztuczny płyn mózgowo-rdzeniowy. Zlewka syczy od strumienia drobniutkich pęcherzyków unoszących się z akwariowego kamienia napowietrzającego, który nasyca płyn mieszaniną 95 procent tlenu i 5 procent dwutlenku węgla. Ważne jest, by pracować szybko i schłodzić mózg, wprowadzając go, nim umrze, w stan zawieszonego ożywienia. Często gdy to robię, myślę o chirurgach z czasów wojny secesyjnej, znanych ze swej szybkości.

Unosząc mózg z różowego, teraz zimnego roztworu plastykową łyżeczką (metal uszkodziłby mózg jak aluminiowa folia na wypełnie­niu zębowym), osuszam go na kawałku bibuły filtracyjnej, a następnie ostrym skalpelem kroję w połowie na obustronnie symetryczne płaty. Starając się ciąć coraz delikatniej, badam fałdy kory mózgowej w po­szukiwaniu hipokampa, by go wyciąć. Jest to maleńkie ziarenko tkanki mózgowej podobne do miniaturowego banana. W mózgu szczura ma on zaledwie około 6-7 mm długości. Żyletką odcinam oba końce tego banana i unoszę środkową jedną trzecią na czubku maleńkiej łopatki laboratoryjnej. W tym maleńkim kawałku tkanki widzę pod mikrosko­pem preparacyjnym kłąb białego kremu na różowym tle, do złudzenia przypominający bułeczkę cynamonową.

To temu zwojowi ten kawałek tkanki mózgowej zawdzięcza swoją nazwę. Przypomina on zwinięty ogon konika morskiego, co skłoniło anatomów do nadania temu sławnemu kawałkowi mózgu łacińskiej na­zwy tej ryby - Hippocampus. Żadna część mózgu, od chwili gdy w latach pięćdziesiątych nauka dowiedziała się o kluczowej roli, jaką hipokamp odgrywa w procesie pamięci, nie zyskała takiej sławy.

Choremu znanemu w literaturze medycznej tylko z inicjałów HM usunięto hipokampy z obu półkul mózgu w celu zapobieżenia ciężkim napadom padaczkowym, które pojawiły się u niego po upadku z roweru w dziewiątym roku życia. Po leczeniu chirurgicznym napady ustąpiły, ale podczas zabiegu chirurdzy niechcący przecięli tajemnicze połączenie między teraźniejszością a przeszłością. HM stracił zdolność przekształ­cania wspomnień krótkotrwałych w trwałe. Zabieg chirurgiczny nie wpłynął na jego inteligencję czy osobowość, co dowodzi, że tajemni­czy mechanizm pamięci jest czymś, co pozostaje poza intelektem. HM uczył się nowych rzeczy zupełnie dobrze, ale w kilka minut po wejściu do jego świadomego umysłu nowe doświadczenia po prostu znikały. Wspomnienia zmagazynowane w jego mózgu jeszcze przed operacją pozostały nienaruszone, ale nie potrafił już trwale zapamiętać niczego nowego.

W roku 2008 świat poznał w końcu nazwisko HM, kiedy to Henry Gustav Molaison zmarł w wieku 82 lat w Windsor Locks w stanie Connecticut. Wyobraźcie sobie, co to musiało być za życie, bez możliwości gromadzenia nowych wspomnień. Henry Molaison był w sta­nie przypomnieć sobie w najdrobniejszych szczegółach ulice swego rodzinnego miasta i rozkład domu swego dzieciństwa, ale plan piętra domu, w którym obecnie mieszkał, pozostał dla niego tajemnicą. Mógł wielokrotnie czytać w gazecie ten sam artykuł i za każdym razem odbie­rać go tak, jakby czytał po raz pierwszy. Mimo że regularnie spotykał się ze swymi lekarzami, za każdym razem trzeba mu ich było przedsta­wiać, jak przy pierwszej wizycie. Kawałek mózgu o kształcie banana jest niezwykle ważnym łącznikiem między naszym obecnym codziennym doświadczeniem i osobistą przeszłością. HM w następstwie wycięcia obu hipokampów (z prawej i lewej półkuli mózgowej) skazany został na życie na zawsze w teraźniejszości.

Wyciskam jedną kroplę kleju cyjanoakrylowego (popularna nazwa handlowa to Krazy Glue) na dno małej czarnej płytkiej miseczki, mniej więcej wielkości damskiej puderniczki. Następnie ostrożnie przekładam papkowaty kawałek mózgu na kropelkę kleju, do której natychmiast się przylepia. To zawsze jest najbardziej krytyczny moment, gdyż kropelkę mózgu trzeba odpowiednio ustawić, tak by gdy tkanka się przykleja, „cynamonowy” zwój skierowany był ku górze. Gdyby tkanka dotknęła kleju pod jakimkolwiek innym kątem lub nie udałoby się jej przykleić, musiałbym zaczynać od początku z następnym szczurem.

Czarna miseczka jest w zasadzie stolikiem precyzyjnej, napędzanej silnikiem krajalnicy, przy użyciu której będę chciał pociąć mózgową cynamonową pałeczkę na cienkie jak papier plastry o grubości mniejszej niż 0,5 mm. Taca spoczywa na podłożu z lodu, a tkanka jest zanurzona w schłodzonym lodem sztucznym płynie mózgowo-rdzeniowym. Za­kładam nową żyletkę do precyzyjnie wibrującej łapy maszyny i pstryk­nięciem przełącznika kieruję ostrze w głąb tkanki. Łapa przesuwa się powoli, drgając zygzakowato w przód i w tył i brzęcząc głośno jak hała­śliwa maszynka do strzyżenia włosów. Można uzyskać około dwunastu plastrów, które zbiera się, wsysając je plastykowym zakraplaczem i wyciska delikatnie na wilgotny, ciepły stolik komory zapisu.

Komora zapisu zajmuje środek stołu ze stali nierdzewnej, unoszący się na tłokach powietrznych izolujących ją od najdrobniejszych wibracji, jakie występują w budynku. Stół powietrzny wielkości stolika do kart znajduje się w pokoju wielkości dużej szafy ściennej wypełnionym po sufit instrumentami elektronicznymi: wzmacniaczami, monitorami komputerowymi i oscyloskopami. Przypomina kokpit statku kosmicz­nego napakowany labiryntem przycisków, mrugających światełek i tarcz zegarowych. Scenie towarzyszy dźwięk bulgoczących roztworów i po­wtarzających się okresowo sygnałów różnych urządzeń monitorujących. Te stymulatory elektroniczne wzmacniają najdrobniejsze sygnały elek­tryczne wysyłane między neuronami w plastrach mózgu.

Na stole spoczywa sześcian o wymiarach jeden na jeden metr, zbudowany z błyszczącej blachy miedzianej, otwarty z przodu. Jest to puszka Faradaya, połączona z grubym biegnącym w ziemi kablem miedzianym, niezależnym od wszystkich innych ziemnych obwodów budynku. Gdybyś spróbował włożyć do środka swój telefon komórko­wy, nie złapałby on w ogóle sygnału, gdyż puszka ta nie przepuszcza żadnego promieniowania elektromagnetycznego. Promieniowanie elek­tromagnetyczne emitowane jest stale przez linie elektryczne biegnące w ścianach budynków i sygnały stacji radiowych oraz telewizyjnych. Niezliczone urządzenia elektryczne towarzyszące nam współcześnie w życiu codziennym, od silników lodówek i kompresorów po brzęczą­ce świetlówki, dają wyładowania elektryczne. Ten szum elektryczny wychwytywany za pośrednictwem wzmacniaczy przez głośnik radio­odbiornika słyszymy w radiu jako trzask, gdy szukamy stacji. Emisje te są tysiące razy silniejsze od słabych sygnałów bioelektrycznych, które chcemy podsłuchać, by usłyszeć komunikujące się wzajemnie neurony tej części mózgu, która wykuwa wspomnienia.

Światła w pokoju są przyciemnione, by zmniejszyć odblask moni­torów komputerowych i wyeliminować elektryczne brzęczenie żarówek fluorescencyjnych. Komora zapisu dumnie spoczywa na środku stołu powietrznego. Jest to krystaliczny cylinder z pleksiglasu wielkości puszki kawy lśniący jasną bielą w jaskrawym świetle chłodnego blasku wiązek światłowodów. We wnętrzu przezroczystej komory w roztworze pod­grzewanym do temperatury ciała, po to by przywrócić do życia neurony schłodzone dla ochrony podczas krojenia, bulgocą drobne pęcherzyki. Roztwór kapie do komory z aparatu do przetoczeń i opływa skrawki mózgu, by zapewnić im odpowiednią temperaturę, wilgotność i dopływ tlenu. Spoglądając w mikroskop zawieszony na wysięgniku, starannie ustawiam niezwykle ostre elektrody szklane, wprowadzając je we fragment skrawka mózgu, w którym, jak wiem, dendryty spotykają się z aksonami. Umieszczam we właściwym położeniu kolejną elektrodę o cienkiej me­talowej końcówce, by dostarczała wstrząsów elektrycznych iskrzących salwą impulsów biegnących wzdłuż aksonu i powodowała uwalnianie z synapsy neuroprzekaźnika. Wszystko to dokonuje się poprzez obrót tarczy zdalnie kierowanych mikromanipulatorów, które precyzyjnie poruszają elektrody w trzech wymiarach. Pokonywanie mikroskopijnych odległości wykracza znacznie poza zakres precyzji ręki ludzkiej.

Siła sygnału synaptycznego jest przedstawiana w sposób ciągły na ekranie komputera jak w kardiomonitorze. Za każdym razem, gdy przekręcam wyłącznik, by pobudzić akson, na płaskiej linii ukazującej potencjał wyjściowy synapsy faluje mały wyskok. Im wyższy wyskok, tym silniejsze połączenie synaptyczne, ponieważ zapis jest po prostu ruchomym wykresem sygnału generowanego przez synapsę w czasie.

Ten kawałek mózgu jest tak lubiany przez elektrofizjologów, gdyż przy użyciu opisanych przed chwilą instrumentów można zobaczyć na ekranie oscyloskopu, jak powstają wspomnienia. W roku 1973 w Oslo Tim Bliss i Terje Lømo zauważyli po raz pierwszy ciekawe zjawisko. Gdy zamiast pojedynczego wstrząsu zastosowali krótką salwę wstrząsów, na linii potencjału synaptycznego pojawił się wyskok znacznie silniejszy - prawie dwa razy wyższy. Synapsa była teraz o wiele silniejsza i wytwa­rzała potencjał prawie dwa razy wyższy niż wcześniej. Później wyskoki synaptyczne pozostały silniejsze nawet w odpowiedzi na pojedynczy wstrząs zaaplikowany kilka godzin później. Badacze uświadomili sobie nagle, że swoją salwą impulsów wzmocnili połączenie synaptyczne, co stanowi istotę uczenia się.

Zjawisko to zwane długotrwałą potencjalizacją (LTP) uważane jest obecnie za komórkowe podłoże procesu uczenia się i pamięci. Wspomnienia są połączeniami między neuronami, a takie wzmocnione połączenia elektrofizjolodzy mogą zobaczyć w plastrze mózgu szczura. Dzięki prowadzonym w ciągu minionych trzydziestu lat intensywnym badaniom poznano mechanizm LTP w najdrobniejszych szczegółach aż do poziomu molekularnego. Gdy poznamy cząsteczki, które prze­chowują wspomnienia, będziemy mogli otrzymać leki poprawiające pamięć lub pomóc osobom, których pamięć ulega osłabieniu na skutek wieku, choroby lub wrodzonego defektu.

Krótkie wstrząsy naśladują naturalny potencjał wejściowy hipokampa, występujący u szczura spontanicznie w trakcie przetwarzania informacji czuciowych zbieranych podczas eksploracji środowiska. Sy­napsy ulegają wzmocnieniu poprzez LTP, dzięki zmianom komórko­wym powodującym wzrost uwalniania neuroprzekaźnika z terminalu synapsy lub wzrost czułości odbierającego sygnał dendrytu. Zmiany te razem powodują wzrost potencjału w synapsie i wzmacniają połączenie między dwoma neuronami.

Neurofizjolodzy pracujący nad zjawiskiem LTP w hipokampie w latach osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych dwudziestego wieku stanowili elitę wśród badaczy pamięci, gdyż sprowadzili pamięć do po­staci elementarnej: wzmocnienia połączenia synaptycznego między neuronami. Za pomocą cienkich szklanych elektrod zamykali ulotne wspomnienia w naczyniach, udało im się też w skomplikowanym gąsz­czu mózgu odnaleźć jedno połączenie synaptyczne. Pamięć należała do nich. Mogli ją kontrolować i monitorować na poziomie komórkowym, używając precyzyjnych urządzeń elektronicznych. Wcześniej nauka o pamięci i uczeniu się była domeną psychologów, którzy zgłę­biali fenomen ludzkiej pamięci, stosując sprytnie zaprojektowane testy pamięci lub przeganiając szczury po labiryntach. Strategie badawcze obejmowały badanie zwierząt poddanych działaniu leków, mających tłumić pewne drogi przewodnictwa w mózgu, lub eksperymentalnym zabiegom chirurgicznym w celu odnalezienia ukrytego w mózgu ma­gazynu wspomnień i poznania mechanizmu jego działania na pozio­mie komórkowym. Obecnie neurofizjolodzy wyprzedzili psychologów w badaniach pamięci. Nawet najmniejsze osiągnięcie w badaniach nad LTP miało szansę przebić się do najbardziej szanowanych czasopism naukowych. Mechanizm komórkowy uczenia zaczęto wkrótce odkrywać w najdrobniejszych szczegółach.

Ale neurofizjolodzy nie chcieli przyjąć do wiadomości, że znaczenie może mieć cokolwiek innego poza zjawiskami elektrycznymi na błonie synaptycznej. Nie mieli racji. Badania wykazały wkrótce, że w proces pamięci w istotny sposób zaangażowane jest nawet jądro komórkowe neuronu. Aby wyprodukować na przykład nowe białka, które scementują wspomnienia krótkotrwałe w trwałą pamięć, trzeba odczytać geny zako­dowane w DNA. Bez tego procesu wspomnienia szybko ulotniłyby się jak zapomniane nazwisko osoby, którą przed chwilą spotkałeś. Ta biologia molekularna pozostawała całkowicie poza sferą możliwą do zgłębienia przy użyciu elektrod, ale mieściła się przynajmniej w obrębie komórki nerwowej. Sam pomysł, by hipokampalna LTP lub pamięć mogła mieć cokolwiek wspólnego z czymś innym niż neurony, był absolutnie nie do przyjęcia. Owe poglądy neurocentryczne znalazły swój kres teraz, gdy poznajemy rolę komórek glejowych w przetwarzaniu informacji w tym najbardziej uświęconym dla neurofizjologów ze wszystkich ob­szarów mózgu.

W roku 1992 Stephen Smith i jego byli studenci John Dani i Alex Chernjavsky opisali eksperymenty, w których wykazali, że astrocyty w plastrach hipokampa szczura świecą wapniem w momencie, gdy akson nerwu w tej tak ważnej dla pamięci części mózgu wytwarza impulsy elektryczne. Oznacza to, że astrocyty wiedzą o sygnałach elektrycznych przekazywanych między obwodami neuronalnymi kodującymi wspomnie­nia. Ken McCarthy i J.T. Porter z UNC Chapel Hill odkryli mechanizm kontroli transmisji synaptycznej dokonywanej przez astrocyty. Tak jak podejrzewali, astrocyty hipokampa reagują na neuroprzekaźnik kwas glutaminowy uwalniany z synaps hipokampa. Naukowcy udowodnili to, stosując lek blokujący receptory dla kwasu glutaminowego. Stwierdzili, że działanie takie zablokowało odpowiedź wapniową astrocytów. Już od połowy lat dziewięćdziesiątych było wiadome, że komórki glejowe przysłuchują się wyładowaniom synaptycznym poprzez przechwytywanie sygnałów neuroprzekaźnika. Ale dlaczego?

Większość badaczy nie brała pod uwagę możliwości, by astrocyty uczestniczyły wraz z neuronami w przetwarzaniu informacji, a zwłaszcza w formowaniu pamięci. Przeważał pogląd, że wzrost stężenia wapnia w astrocytach związany jest z pełnionymi przez te komórki glejowe funk­cjami sprzątania i odzwierciedla chęć zaspokojenia potrzeb neuronów i ich synaps w tym zakresie. Pogląd ten podzielają nawet dziś jeszcze niektórzy zajmujący się tą dziedziną naukowcy. Inni badacze nie byli jednak tak chętni, by odrzucić możliwość czynnego udziału komórek glejowych w procesie przetwarzania informacji i formowania pamięci.


Komórki glejowe w przetwarzaniu informacji
Yin i Yang neuronów i komórek glejowych

Do końca lat dziewięćdziesiątych badania nad drugim mózgiem po­sunęły się od złącza nerwowo-mięśniowego przez siatkówkę do ośrodka pamięci w mózgu. Badania te wykazały, że komórki glejowe podsłuchują, ale niewiele dowodów przemawiało za jakimikolwiek istotnymi kon­sekwencjami reakcji wapniowej dla funkcji neuronów. Jak to zostało omówione w części l, naukowcom badającym czynność synaps poza mózgiem udało się wykazać, że komórki glejowe w obrębie złącza ner­wowo-mięśniowego nie tylko podsłuchują synapsę, lecz także ją regulują. Takich dowodów nie znaleziono natomiast w odniesieniu do żadnego obszaru mózgu, a na pewno nie do ośrodka pamięci.

W roku 1998 Maiken Nedergaard z New York Medical College umieściła elektrodę na astrocycie w skrawku hipokampa mózgu szczura i stymulowała go małym potencjałem. W momencie gdy to zrobiła, ona i jej współpracownicy zobaczyli, jak synapsy w obwodach neuronalnych hipokampa odpowiadają spadkiem potencjału. Przekroczona została kolejna granica. „Komórki pomocnicze” przejęły kontrolę nad obwodami neuronalnymi w sercu mózgu, tam gdzie powstaje ludzka pamięć. Astrocyty pewnie położyły rękę na synapsach odpowiedzialnych za pamięć.

Przekroczyć linię

Kolejne dane sugerujące, że astrocyty biorą udział w procesie ucze­nia się i pamięci, pojawiły się w roku 2002, kiedy to Nobufumi Kawai i współpracownicy z Japonii opisali upośledzoną LTP hipokampa po udarze mózgowym u genetycznie modyfikowanych myszy, którym usu­nięto gen kodujący GFAP w astrocytach. Mutacja dotyczyła wyłącznie białka włóknistego astrocytów, neurony pozostały nienaruszone. Ale doszło do upośledzenia pamięci. W tym samym roku Hiroshi Nishiyama i współpracownicy pracujący w Japonii stwierdzili wzmocnienie LTP u myszy z defektem innego genu glejowego (nazywanego S100). Co więcej, myszy stały się mądrzejsze! Myszy, którym metodą inżynierii genetycznej usunięto gen glejowy, uczyły się biegać w labiryncie szyb­ciej niż inne myszy. Odkrycia te należą do całkowicie niezależnej linii dowodów podważających powszechną opinię, że funkcja mózgu i co za tym idzie pamięć są domeną wyłącznie neuronów.

A jak dokładnie, na poziomie molekularnym, astrocyty interweniują w transmisję synaptyczną i pomagają zapisywać wspomnienia? W roku 1994 Philip Haydon, Vladimir Parpura i współpracownicy stwierdzili, że stymulując wzrost poziomu wapnia w astrocytach w hodowli komór­kowej, można doprowadzić do uwalniania przez nie neuroprzekaźnika kwasu glutaminowego. Ten neuroprzekaźnik pochodzenia glejowego stymuluje z kolei receptory kwasu glutaminowego neuronów i wzmacnia transmisję synaptyczną.

Badania Haydona, Parpury oraz innych wykazały ostatecznie, że astrocyty, podobnie jak neurony, mają pęcherzyki synaptyczne uwalniające neuroprzekaźnik. Przekroczenie owej linii podziału między neuronami i komórkami glejowymi wywołało sprzeczne opinie i wymagało wielu lat badań i dyskusji, aby rozstrzygnąć tę kwestię. Ale ponieważ astrocy­ty porozumiewają się między sobą poprzez szeroko rozsyłane sygnały, Natura nie miała powodu, by skupić wszystkie pęcherzyki synaptyczne w jednym punkcie kontaktu, podobnie jak u neuronów, które przekazują informacje przez łańcuch synaps. Jest to powód, dla którego naukowcy nie zauważyli pęcherzyków synaptycznych w astrocytach. Pęcherzyki były widoczne we wnętrzu astrocytów na fotografiach z mikroskopii elektronowej, ale ponieważ byty rozproszone w całej komórce i nie przy­pominały wyglądem swych odpowiedników w neuronach, przeoczono je. Teraz możemy zobaczyć, że astrocyty maja pęcherzyki synaptyczne rozsypane w swym ciele komórkowym i mogą uwalniać różnego rodzaju neuroprzekaźniki z dowolnego punktu swej błony komórkowej. Neurony podlegają o wiele większym ograniczeniom w komunikacji. Gdyby neu­rony były telefonami połączonymi liniami łączności, to astrocyty można by uznać za telefony komórkowe szeroko rozprzestrzeniające swe sygnały. Co więcej, astrocyty mogą uwalniać neuroprzekaźniki, które pobudzają neurony, i takie, które je hamują. Używają tych neuroprzekaźników, by komunikować się między sobą i z neuronami.

Istnieje wiele rodzajów neuroprzekaźników stosowanych przez różne neurony, ale astrocyty wykorzystują cząsteczkę nawet jeszcze bardziej uniwersalną: adenozynotrójfosforan, czyli ATP. Jest to ta sama cząsteczka, którą zna każdy sportowiec lub student biologii jako skondensowa­ny pakiet energii dla wszystkich komórek. Ale poza komórkami ATP występuje rzadko. Niedostatek ten czyni z ATP cząsteczkę doskonale nadającą się do przesyłania sygnałów między komórkami - jak bły­skawica w ciemną noc - a fakt, że bez ATP nie może się obejść żadna, czyni zeń przekaźnik uniwersalny. Neurony i komórki glejowe uwalniają ATP z pęcherzyków synaptycznych, co wykrywają receptory błonowe pobliskich komórek. Receptory ATP wywołują następnie napływ jo­nów wapnia do komórki, a to z kolei powoduje uwalnianie większej ilości pęcherzyków synaptycznych z astrocytów, przesłanie większej ilości neuroprzekaźnika i ATP do środowiska i szerzenie się sygnału na zasadzie reakcji łańcuchowej w populacji astrocytów. ATP i kwas glutaminowy są najważniejszymi cząsteczkami sygnałowymi powodującymi przetaczanie się fal wapniowych przez astrocyty w naczyniu hodowlanym i ich przepływ przez astrocyty w mózgu. Ale w miarę jak naukowcy badają komunikację między astrocytami, staje się jasne, że nie są to z całą pewnością jedyne substancje wykorzystywane w sygnalizacji wapniowej między tymi komórkami.

Obecnie rozumiemy, że astrocyty nie wytwarzają impulsów elek­trycznych, gdyż nie mają potrzeby szybkiego przekazywania informacji na duże odległości, jak to robią neurony. Astrocyty rezygnują więc z tej części porozumiewania się między neuronami, natomiast w pełni wy­korzystują i uczestniczą w drugiej, ciekawszej jego części, a mianowicie komunikacji przez neuroprzekaźniki.

Astrocyty zajmują stosunkowo duży obszar mózgu, a ich wpływ na synapsy może być bardzo rozległy. A jednak u progu dwudziestego pierwszego wieku naukowcy ciągle jeszcze nie sprawdzili możliwości, że informacja może zostać przechwycona przez astrocyt na jednej synapsie, przepływać przez obwód glejowy w drugim mózgu, a następnie powodować uwalnianie neuroprzekaźnika z astrocytu, by regulować komunikację między neuronami na odległej synapsie, niewłączonej bezpośrednio w obwód neuronów. W roku 2005 zespól Philipa Haydona udowodnił tę hipotezę. Badania Haydona potwierdziły, że astrocyty reagują na aktywność synaps hipokampa wzrostem poziomu wapnia, a to z kolei reguluje siłę nie tylko znajdującej się w pobliżu synapsy, z której wyszedł impuls elektryczny, ale również siłę innych odległych synaps tego neuronu. Astrocyty obejmujące swym działaniem duże odległości w mózgu i działające na przekaz synaptyczny jak zawory stanowią mechanizm kontrolny. Informacja w mózgu neuronalnym zostaje przechwycona przez drugi mózg i wykorzystana do kontroli funkcji synaps w innym miejscu w mózgu neuronalnym. Co takiego może dokonać spotkanie dwóch wewnętrznych umysłów, czego nie może sam mózg neuronalny?

To zjawisko regulacji siły odległych synaps - nazywane depresją heterosynaptyczną - przypomina w znacznym stopniu to, czego wszyscy doświadczamy, prowadząc rozmowę w hałaśliwej restauracji. Nie tylko uważniej przysłuchujemy się temu, co mówi nasz gość, ale równocze­śnie blokujemy dopływ hałasu z kuchni i rozmów toczących się przy innych stolikach. Takie skupienie umysłu ma zasadnicze znaczenie dla wyboru ważnych sygnałów z naszego środowiska wśród tego całego rozgardiaszu. To samo dzieje się w naszym hipokampie. Synapsy wej­ściowe niosące nowe informacje, których chcesz się nauczyć, ulegają wzmocnieniu przez długotrwałą potencjalizację, a równocześnie inne sygnały z innych synaps niosące do tego samego neuronu informacje bez znaczenia zostają stłumione. Wiadomo było, że takie wyostrzone skupienie uwagi w procesie uczenia się odbywa się w hipokampie przy udziale neuroprzekaźnika zwanego adenozyną, ale zawsze zakładano, że adenozyna uwalniana jest z synaps innych neuronów w obwodach tłumiących szum. Założenie to nie było w pełni słuszne.

Przypomnijmy sobie, że dzięki badaniom Marka Ellismana wiemy, że astrocyty rozciągają się daleko poza swój przypominający kształtem gwiazdę szkielet komórkowy i że dzielą hipokamp na sektory (patrz rozdział 13). Domena jednego astrocytu może obejmować sto tysięcy synaps. Zespół Haydona stwierdził, że wzrost poziomu wapnia w astrocycie wyzwolony przez impuls elektryczny synapsy i uwalnianie kwasu glutaminowego powoduje z kolei uwalnianie przez astrocyt adenozynotrójfosforanu, czyli ATP. Cząsteczka ATP powstaje poprzez przyłączenie trzech reszt fosforanowych do rdzenia cząsteczki adenozyny, która jest neuroprzekaźnikiem hamującym (jak to zostało omówione w rozdziale 13, bierze udział w regulacji snu). Adenozyna rozprzestrzeniająca się z astrocytu pobudzonego przez synapsę zmniejsza siłę innych odległych synaps na tym samym neuronie. Druga połowa mózgu nadzoruje owo skupienie umysłu w hipokampie. Prawie równocześnie mniej więcej to samo udowodnił zespół Richarda Robitaille'a, wstrzykując do astrocytów hipokampa lek zapobiegający wzrostowi poziomu wapnia i co za tym idzie uwalnianiu ATP. Gdy zablokowano komunikację astrocytów, odległe synapsy nie ulegały depresji.

Wielu naukowców było zszokowanych, gdy dowiedzieli się, że to astrocyty są komórkami powodującymi depresję synaps i wyostrzają­cymi w ten sposób szczególne docierające do naszego ośrodka pamięci sygnały. Co by się stało, gdyby astrocyty przestały wykonywać to tak ważne zadanie koncentracji synaps? Jaki wpływ miałoby to na uczenie się, uwagę, a nawet różne choroby psychiczne? Równie zaskakujące jest odkrycie, że astrocyty regulują siłę synaps, komunikując się przez swą własną sieć glejową. Sieć ta działa poza siecią neuronów i nie ograniczają jej sztywne linie połączeń rozpięte między neuronami. Nie wiemy prawie nic o tych przypominających telefonię komórkową sieciach astrocytów. Jakie są ich ograniczenia? Czy można je modyfikować - inaczej mówiąc, czy astrocyty zmieniają się pod wpływem umysłowych doświadczeń, czy się uczą? Nowe badania dostarczają dowodów, że astrocyty rzeczywiście zmieniają siłę swych połączeń w procesie uczenia się.

Luźne końce

Jedno jest jasne: komórki glejowe są siłą napędową umysłu. Ale co z komórkami Schwanna? Komórki Schwanna w naszych nerwach obwodowych i oligodendrocyty w naszym mózgu, które pozostawił swemu studentowi Rio-Hortedze Ramón y Cajal, nie mają nic wspólnego z synapsami. Po prostu uczepiają się aksonu i pokrywają go izolacyjną warstwą mieliny. A jednak w moim laboratorium stwierdziliśmy, że komórki te przechwytują informacje przepływające przez włókna ner­wowe. Przyglądając się astrocytom, by to zrozumieć, zyskujemy cenne wskazówki, ale nie odpowiedzi. Komórki Schwanna są zupełnie inne. Przeczuwamy, że umknęło nam coś ważnego, co dotyczy wewnętrznych działań mózgu, coś, co znajduje się daleko poza synapsą.