Zanim zaczną się myśli - z pamiętnika komórki nerwowej

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 około 70 tysięcy 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