Zanim zaczną się myśli - z życia komórki nerwowej
Zaktualizowano: 5 lip 2021
Dojrzały mózg to około 100 miliardów neuronów. Ale to jeszcze nic, bo każdy z nich może tworzyć połączenia (synapsy) z ponad tysiącem innych komórek nerwowych. W związku w ludzkim mózgu istnieją biliony synaps, które umożliwiają codzienne pojawianie się tysiąca myśli i konsolidowanie setek megabajtów danych. Kiedy cała ta magia się rozpoczyna i czy rodzimy się już z "wyposażonym" mózgiem? Dlaczego neurony wiedzą gdzie powinny się zlokalizować, czy nadmiar komórek nerwowych jest dobry i na czym polega neuroplastyczność?
Być może trudno w to uwierzyć, ale rozwój mózgu z embrionu rozpoczyna się już kilka tygodni od momentu zapłodnienia. Z kilku komórek o początkowo niezdefiniowanym potencjale rozwijają się miliardy komórek nerwowych i glejowych. Muszę tutaj wtrącić, że jeszcze do niedawna komórki glejowe traktowano jedynie w kategorii elementów strukturalnych aktywnych neuronów, które stanowią puste przestrzenie zapewniające integralność mózgu – niejako "rusztowanie dla umysłu". Niektórzy badacze sądzą jednak, że neurony są komórkami, które pierwotnie rozwinęły się, by pełnić funkcje ruchowe i czuciowe, a główną rolą ich powstania był ewolucyjny odruch zdobywania pokarmu i wydawania potomstwa. Wysnuwa się zatem hipotezę, że wyższe funkcje związane z procesem tworzenia, myślenia i samoświadomości rozwinęły się niezależnie. Pojawia się tutaj rola komórki glejowej, która być może uprzedziła jeszcze komórkę neuronalną. Jest to dla mnie absolutnie fascynujące zagadnienie, które zgłębiłam jakiś czas temu w tym tekście.
Wracając jednak do neuronów. Mimo swojej obecności już w momencie narodzin, większość powstałych komórek nerwowych musi jeszcze odpowiednio się zróżnicować i zorganizować w kompletne, funkcjonujące sieci neuronalne (to takie "nieopierzone" dzieciaki). Dlatego dopiero po narodzinach człowieka neurony ulegają dalszej, właściwej specjalizacji w czasie której zaczynają tworzyć połączenia z innymi komórkami. W tym momencie zaczyna tworzyć się funkcjonalna sieć neuronalna, która w przyszłości tworzyć będzie dojrzały mózg - świadomość, myśli i emocje. Takie sieci neuronalne powstają zgodnie z zasadą, że komórki, które równocześnie się uaktywniają, wykształcają wzajemne połączenia (to tak zwana reguła Hebba). Krótko mówiąc, neurony, które są często aktywne w tym samym momencie, zwykle współpracują ze sobą i ostatecznie łączą się na stałe. Zasada ta ma poważne konsekwencje dla utrzymania sprawności mózgu. Co ciekawe, mózg niemowlęcia cechuje znacznie większa liczba połączeń neuronalnych niż mózg dorosłego człowieka. Wynika to z tego, że nie wszystkie połączenia okazują się przydatne, dlatego zgodnie z zasadą „używaj albo wyrzuć”, mózg eliminuje niektóre z nich. To właśnie ten element rozwoju stanowi niejako naturalne dostosowanie się do indywidualnych potrzeb jednostki. Więcej na ten temat napisałam w dalszej części tekstu, dlatego - chodźcie ze mną dalej.
Neuronalny Big Bang
Jeszcze do niedawna obowiązywał pogląd, że zakończenie rozwoju mózgu równoznaczne jest zatrzymaniem tworzenia nowych komórek nerwowych, a istniejące neurony jedynie stopniowo degenerują, ponieważ nie są zdolne do odtwarzania się. Jak twierdził Santiago Ramon y Cajal - wybitny hiszpański neuroanatom, histolog i miłośnik neurobiologii: Gdy rozwój został zakończony, źródło wzrostu i regeneracji aksonów i dendrytów wyschło nieodwracalnie. W dorosłym układzie nerwowym ścieżki nerwowe są ustalone, zakończone i niezmienne. Wszystko może zginąć, nic nie może się zregenerować. Zadaniem nauki w przyszłości będzie zmienić, o ile to możliwe, ten nieprzyjazny wyrok. Prawda, że brzmi to dość wiarygodnie (i poetycko)? Jednak, szczęśliwie dziś możemy już o tym zapomnieć. Ostatnie dekady w nauce wyraźnie pokazały, że zdolność mózgu do przystosowywania się oraz jego plastyczność są większe niż przypuszczano. Wprowadzenie nowych metod wykrywania dzielących się komórek i rozwój technik biologii molekularnej dał nam niepodważalne argumenty na to, że procesy neurogenezy w dorosłym mózgu rzeczywiście zachodzą, a odkrycie nowopowstających neuronów w mózgu dorosłego człowieka było zdecydowanie jednym z najważniejszych odkryć dzisiejszej neurobiologii.
Centralnym pojęciem w tym nowym podejściu jest neuroplastyczność, czyli utrzymującą się całe życie zdolność do zmiany i reorganizacji w odpowiedzi na stymulację, która towarzyszy uczeniu się i zdobywaniu doświadczeń.
To dożywotnia zdolność do wytwarzania nowych neuronów (neurogenezy) i nowych połączeń między nimi (synaptogenezą).
Najwięcej danych naukowych wskazuje, że w ukształtowanym już mózgu istnieją dwa obszary, w których obserwuje się ciągły i aktywny proces neurogenezy: zakręt zębaty hipokampa (ang. dentate gyrus) oraz opuszki węchowe (ang. olfactory bulb), a populacje tych komórek podlegają ciągłej wymianie (co ciekawe, zanik wytwarzania nowych neuronów w tym obszarze i właśnie zaburzenia węchu są jednymi z pierwszych symptomów rozwijania się choroby Alzheimera). Podziały komórkowe obserwuje się w dwóch obszarach, są to: warstwa podkomorowa komory bocznej (ang. subventricular zone), skąd nowe komórki migrują do opuszki węchowej oraz warstwa podziarnista (ang. subgranular zone) hipokampa. Powstałe tam nowe neurony wbudowują się następnie w warstwę ziarnistą (ang. granular zone) formacji hipokampa. Włączanie nowych komórek do tej struktury mózgu jest ściśle związane ze zmianami strukturalnymi i funkcjonalnymi. To właśnie ta wymiana neuronów, przebudowa drzewek dendrytycznych i tworzenie nowych połączeń jest kwintesencją zdolności uczenia się i zapamiętywania.
Co ciekawe, wyniki badań podejmowanych w ostatnich latach wykazały także, że neurony mogą powstawać również poza tymi obszarami, w zupełnie innych strukturach dojrzałego mózgu. „Nowiutkie” komórki nerwowe zidentyfikowano na przykład w podwzgórzu, wzgórzu, ciele migdałowatym, strefach okołokomorowych, w korze czołowej i skroniowej oraz w nerwie wzrokowym. Badania przedstawiają coraz więcej dowodów na obecność neuronalnych komórek macierzystych także w rdzeniu kręgowym, w obwodowym układzie nerwowym oraz w układzie nerwowym jelit. Co ważne, istnieje szereg czynników - stymulatorów i hamulców neurogenezy, które mają przeogromny wpływ na jej przebieg (standardowo - na większość z nich mamy wpływ). Temat jest niesamowicie ciekawy i szeroki, dlatego z pewnością poświęcę temu osobny tekst.
Wszystko musi mieć swoje miejsce - wędrówki komórek nerwowych
Wspomagane komórkami glejowymi i licznymi czynnikami (między innymi neurotrofinami - takimi jak mój ukochany BNDF), neurony rozpoczynają swoistą wędrówkę po mózgu. Sortując się, zmieniając swoje położenie i osiedlając się w określonych strukturach, tworzą liczne wiązki (szlaki lub nerwy) i zgrupowania (ośrodki i jądra) w miejsach swej ostatecznej lokalizacji. Zaczynają tworzyć neuropile, czyli takie swoiste jednostki - obszary układu nerwowego złożone z aksonów, dendrytów i wypustek komórek glejowych charakteryzujące się występowaniem licznych synaps.
O finalnym umiejscowieniu i przynależności neuronu do określonego miejsca decydują zarówno czynniki genetyczne jak i środowiskowe - co ma niezwykłe znaczenie w kontekście prawidłowego rozwoju dziecka, przebytych traum i sposobu wychowania.
Wiadomo, że migracja neuronów zachodzi w największym stopniu w okresie płodowym i na krótko po urodzeniu, niemniej jednak trwa ona przez całe dzieciństwo. Co więcej, istnieją również przypuszczenia, że zjawisko to może mieć miejsce jeszcze w pewnym stopniu w dorosłym życiu. Szczególne znaczenie mają jednak zaburzenia w okresie prenatalnym jak i sytuacje, które mogą przytrafić się dziecku zaraz po urodzeniu. Istotnie zakłócają one proces migracji neuronów i niezwykle negatywnie wpływają na mechanizmy prawidłowego tworzenia się połączeń neuronalnych. Do takich elementów zaliczyć można przykładowo infekcje, niedotlenienie, działanie alkoholu czy narkotyków.
Specjalizacja w działaniu
Każdy z powstałych neuronów posiada to samo DNA, więc pod względem genetycznym jest identyczną komórką, jednak to „diabeł tkwi w szczegółach“. Specyficzna dla różnych grup neuronów kombinacja materiału genetycznego zapewnia danej komórce swoją unikatową neurochemię, architekturę, morfologię i zdolności odbierania sygnałów (zapewniając jej określone zdolności poznawcze). Pod względem morfologicznym niektóre neurony różnią się od siebie tak bardzo, że pozornie mogą przypominać zupełnie różne rodzaje komórek. Jedne z nich mają niezwykle długie aksony i silnie rozgałęzione dendryty (tworzące tzw. drzewko dendrytyczne) inne zaś, mogą być krótkie i zbudowane z długiego neurytu i bardzo małego perikarionu (ciała komórki nerwowej). Jedno jest pewne – forma, jaką przybrały ma im zapewnić możliwie najlepszą funkcjonalność do pełnienia swojej określonej roli. Każdy z tych dokonanych, różnicujących „wyborów“ rozwojowych jest wynikiem działania tysięcy sygnałów – ich wzorca, intensywności, okresu życia w jakim się pojawiają. Mogą pojawić się w konsekwencji jakiegoś doświadczenia w życiu, które „daje znać“ neuronowi by pewne geny wyłączył, albo „sugerując“, że inne mogłyby się teraz przydać. Dlatego właśnie każde zdarzenie, które w czasie rozwoju organizmu zmienia jego chemiczne bądź środowiskowe sygnały, może istotnie wpłynąć na wzór różnicowania się określonych neuronów, a co za tym idzie - na ich funkcjonalność.
Co za dużo (i się nie przyda) to nie zdrowo - darwinizm neuronalny
Jest to zdecydowanie kluczowe zjawisko w rozwoju układu nerwowego (z perspektywy biologa przyznam, że celowe i programowane umieranie neuronów jest jednym z bardziej fascynujących mnie biologicznych fenomenów). Skąd ta rozrzutność? W różnych obszarach mózgu powstaje znacznie więcej komórek nerwowych niż jest to potrzebne dla danej struktury i stworzenia sprawnie funkcjonującego systemu. Dlatego też w toku rozwoju niepotrzebne lub niedostatecznie aktywowane i używane neurony muszą zginąć. Darwinizm neuronalny – to koncepcja zakładająca istnienie pewnej ogólnej zasady funkcjonowania układu nerwowego, związanej z rywalizacją pomiędzy neuronami. Tworzy analogię do darwinowskiej teorii ewolucji – w początkowej fazie rozwoju układu nerwowego mamy wiele neuronów i synaps, z których większość zanika. Synapsy tworzą się w sposób przypadkowy, w procesie selekcji część z nich jest wybierana, zaś inne są odrzucane. Pozostają najlepiej funkcjonujące aksony i ich połączenia, te które używane są po prostu najcześciej. Jak wykazują badania, to właśnie niepotrzebne komórki nerwowe stanowią podstawę tak dużej plastyczności układu nerwowego w chwili narodzin. Wszystko musi mieć bowiem określoną funkcję i to właśnie przez swoją zależność od zadań, do których są delegowane – jedne z nich przeżywają, a inne nie. Według Profesora Vetulaniego (mój naukowy idol) między 8. a 15. rokiem życia następuje wymarcie ogromnej liczby neuronów i tak naprawdę wtedy zaczyna się prawdziwe kształtowanie mózgu. Tutaj znów przypuszcza się, że proces ten wydaje się mieć u podłoża zarówno geny jak i czynniki środowiskowe. Ma tu miejsce prosta, ewolucyjna zależność – przeżywają te neurony, którym udaje się stworzyć połączenia synaptyczne z innymi neuronami i które są aktywnie wykorzystywane przez pracujący mózg. Komórki o znikomej aktywności lub jej braku, ulegają po prostu degeneracji. To idealny przykład wspomnianej zasady zależności rozwojowej od działania (use it or loose it), która stanowi kluczowy element w procesach nerwowych związanych z uczeniem się, pamięcią i rozwojem. Im częściej dana sieć jest jest aktywowana (czyli neurony wspólnie pobudzane są do działania), tym silniejsze stają się połączenia między nimi. Za każdym razem, gdy próbujemy sobie coś przypomnieć lub wpadamy na nowy pomysł, powstaje nowe połączenie w mózgu. Jeżeli sieć wspierająca daną funkcję mózgu jest regularnie stymulowana dzięki praktyce i treningowi - staje się silniejsza, przyczyniając się do optymalizacji wspieranej funkcji mózgu. Z drugiej zaś strony, im rzadziej sieć neuronalna ulega aktywacji, tym słabsze stają się jej powiązania, a słabe powiązania ostatecznie obumierają. Funkcje mózgu, których nie stymulujemy tracą w końcu sprawność. Tylko wzmacnianie sygnału i połączeń pomiędzy neuronami umożliwia ich przetrwanie. Innymi słowy - uczenie się, doświadczanie i nabywanie nowych umiejętności pozwala ocalić komórki nerwowe przed śmiercią. To kwintesencja neuroplastyczności i sposób na zapobieganie demencji.
Bibliografia:
1. Mózg a zachowanie. Praca zbiorowa. Wydawnictwo naukowe PWN
2. Jerzy Vetulani. Mózg: fascynacje, problemy, tajemnice. Homini, Kraków
3. Andrew Kobb. U źródła naszych myśli. Wydawnictwo Sonia Draga
4. Dorszewska J.: Neurogeneza i plastyczność synaptyczna ośrodkowego układu nerwowego. W: Apoptoza w chorobach ośrodkowego układu nerwowego. Red. W. Kozubski, J. Dorszewska. Czelej, Lublin 2008, 45–64.
5. Braun SM, Jessberger S. Adult neurogenesis: mechanisms and functional significance. Development. 2014;141(10):1983‐1986.
6. Stiles J, Jernigan TL. The basics of brain development. Neuropsychol Rev. 2010;20(4):327–348.
7. Arzate DM, Covarrubias L. Adult Neurogenesis in the Context of Brain Repair and Functional Relevance.Stem Cells Dev. 2020;29(9):544‐554.
zdjęcie: pixabay.com