Obwody nerwowe są czymś stałym, zamkniętym i niezmiennym. Wszystko może umrzeć, nic nie może się regenerować.
W ten sposób znany neurobiolog i laureat Nagrody Nobla Santiago Ramón y Cajal (1852-1934) formułował to, co jeszcze przed 15 laty uchodziło za dogmat: w mózgu osób dorosłych nie powstają nowe komórki nerwowe. Wszystkie neurony wykształcone są w momencie narodzin, następnie ich liczba zmniejsza się stopniowo u wszystkich ssaków, łącznie z ludźmi, ponieważ komórki obumierają, ale nowych nie przybywa. Jednak już Ramón y Cajal dodawał:
Zadaniem nauki przyszłości jest, o ile to będzie możliwe, zmienić ten okrutny wyrok.
Dzięki pionierskim pracom i badaniom Josepha Altmana, prowadzonym w Massachusetts Institute of Technology w Cambridge (USA) na początku lat sześćdziesiątych ubiegłego wieku, jak również dzięki nowszym badaniom, dzisiaj wiemy, że przynajmniej dwa rejony mózgu dorosłego ssaka nie poddają się temu "okrutnemu wyrokowi" i przez całe życie pojawiają się tam nowe komórki nerwowe. Są to:
- odpowiedzialna za rozpoznawanie zapachów opuszka węchowa (bulbus olfactorius) oraz
- zakręt zębaty (gyrus dentatus) - część hipokampa odgrywająca ważną rolę w uczeniu się i zapamiętywaniu.
Powstawanie komórek nerwowych w mózgu dorosłego, zwane neurogenezą dorosłą, można udowodnić u zwierząt przy pomocy tak zwanych retrowirusów. Ich geny mogą być trwale wbudowane w plazmę zarodkową komórki-gospodarza tylko podczas podziału komórek, ponieważ w przeciwnym wypadku membrana jądra komórkowego osłania DNA. Kiedy zatem retrowirusowa plazma zarodkowa otrzymuje informacje dla fluoryzującej na zielono proteiny (GFP), wszyscy nowi przybysze błyszczą w mikroskopie fluorescencyjnym - tak samo jak wszystkie komórki, które powstają w dalszym przebiegu w wyniku podziału komórek pierwotnie zaznaczonych.
Dzięki tej sztuczce naukowcy odkrywają, że z dzielących się komórek prekursorowych w opuszce węchowej powstają dwa różne typy małych neuronów hamujących, które osiadają w różnych warstwach komórek. Z kolei w zakręcie zębatym powstaje klasa neuronów pobudzających.
Biologiczny magazyn części zamiennych
Dla naukowców zajmujących się układem nerwowym powstawanie nowych komórek w dorosłym mózgu jest fascynujące z dwóch powodów.
Po pierwsze, chodzi tu o mechanizm, dzięki któremu połączenia neuronowe ciągle się zmieniają. Przyczynia się on w ten sposób do plastyczności mózgu - do jego zdolności reagowania na zmieniające się otoczenie i dostosowywanie do tych zmian zachowań organizmu.
Po drugie, ten przykład pozwala bardzo dobrze przeanalizować, w jaki sposób można by ewentualnie pobudzić pozostałe rejony mózgu do tworzenia nowych komórek. Gdyby się to pewnego dnia udało, być może dałoby się zastępować nowymi te neurony w mózgu, które obumarły z powodu takich chorób, jak udar mózgu czy choroba Alzheimera lub wskutek urazów głowy.
Aby zbliżyć się do tego wielkiego celu, trzeba najpierw zrozumieć, dlaczego nowe komórki powstają akurat w tych dwóch rejonach mózgu, a w innych - o ile wiadomo - nie. W tym celu naukowcy szczegółowo badają, w jaki sposób z jeszcze zupełnie niepodzielonej komórki macierzystej powstaje neuron, który potem obejmuje specyficzne funkcje w sieci połączeń neuronowych. W ostatnich latach odkryli, że zarówno na etapie rozwoju embrionalnego, jak też w dorosłym już mózgu prekursorami neuronów są często komórki glejowe. Komórki glejowe odgrywają w systemie nerwowym zazwyczaj bardzo różne role: regulują dostarczanie krwi do mózgu, osłaniają miejsca styku między neuronami, formują izolujące otoczki mielinowe wokół wyrostków komórek nerwowych i wiele innych. Stosunkowo niedawno odkryto, że mogą one stanowić punkt wyjścia przy tworzeniu nowych komórek nerwowych.
W 2000 roku nasz zespół (wówczas jeszcze przy Instytucie Neurobiologii Maxa Plancka w Martinsried) odkrył jednak, że tzw. promieniowe komórki glejowe nie służą tylko jako zwykłe drabinki dla wędrujących komórek nerwowych w trakcie rozwoju mózgu. W dużej mierze to od nich pochodzi znaczna część ważnych komórek piramidalnych w korze mózgowej.
Mniej więcej w tym samym czasie grupa naukowców skupiona wokół Fiony Doetsch i Arturo Alvareza Buylla z Rockefeler University w Nowym Jorku zidentyfikowała te komórki macierzyste, z których w mózgu dorosłego powstają nowe neurony w opuszce węchowej. Chodziło oczywiście o astrocyty - komórki glejowe w kształcie gwiazd, które w olbrzymich ilościach występują praktycznie w całym mózgu.
Nasuwa się tylko pytanie: dlaczego w opuszce węchowej komórki te potrafią przez całe życie wytwarzać nowe komórki nerwowe, podczas gdy w prawie wszystkich pozostałych rejonach mózgu nie są do tego zdolne? Komórki macierzyste są komórkami "niepodzielonymi", które jeszcze się nie wyspecjalizowały w konkretnej roli. Wszystko jeszcze przed nimi. Zasadniczo mogą rozwinąć się w bardzo wiele różnych typów komórek. Równocześnie produkują one znowu nowe komórki macierzyste, zapewniając ciągłość produkcji. Jeśli jednak ten drugi proces nie nastąpi, to wykorzystywany jest zapas komórek macierzystych i w ten sposób wcześniej czy później neurogeneza również się kończy.
Możliwe, że właśnie tak dzieje się w trakcie rozwoju większości rejonów mózgu. Tylko w dwóch opisywanych rejonach - tak zwanych niszach komórek macierzystych - z nieznanych przyczyn nie wyczerpuje się zapas i dlatego na bieżąco powstają dodatkowe neurony. Dla wszystkich pozostałych obszarów mózgu, w tym również dla całego obszaru kory nowej - siedziby naszego świadomego postrzegania i sprawności motorycznej - stwierdzenie Cajala "nic nie może się regenerować" zdaje się rzeczywiście sprawdzać. Jeśli w tych miejscach po jakimś uszkodzeniu, np. wskutek udaru mózgu, komórki umierają, to nie zastępują ich nowe. Mimo to lekarze duże nadzieje pokładają dziś w próbach sztucznego pobudzenia do neurogenezy również tych rejonów.
W tym celu naukowcy musieli tak przeprogramować astrocyty w tych rejonach mózgu, żeby również one mogły służyć jako komórki macierzyste i wytwarzać nowe komórki nerwowe. Tego rodzaju fundamentalnymi zwrotami w rozwoju komórek sterują tak zwane master control genes. Z reguły chodzi tu o geny czynników transkrypcyjnych - czyli proteiny, które z kolei potrafią uruchomić produkcję wielu innych protein i w ten sposób działają jak włącznik. Jeśli komórka macierzysta lub prekursorowa aktywuje we właściwym momencie swego rozwoju taki kluczowy gen, to wybiera jeden z wielu możliwych programów - i przypieczętowuje tym swój dalszy los. W roku 2008 odkryliśmy na przykład, że w niszach komórek macierzystych do neuronów rozwijają się przede wszystkim te komórki prekursorowe, które wytwarzają czynnik transkrypcyjny DLX2.
Przestawić przełącznik
Być może astrocyty w komórkach nerwowych dałoby się odpowiednio przeprogramować, zmuszając je do odczytywania genów kluczowych, które zazwyczaj wymuszają przejście od komórki macierzystej bądź prekursorowej do neuronu. Z neurobiologii rozwojowej kory mózgowej znamy już kilka następnych "protein włączających" oprócz DLX2, na przykład czynnik transkrypcyjny neurogenin 2. O ile DLX2 prowadzi z reguły do neuronów hamujących, o tyle poprzez neurogenin 2 powstają zazwyczaj pobudzające komórki nerwowe.
Czy można zatem przekształcić komórkę astroglejową w neuron, każąc jej produkować DLX2 lub neurogenin 2? Żeby to sprawdzić, przechowywaliśmy przez pewien czas astrocyty z kory mózgowej młodych myszy w szalkach Petriego i następnie wprowadzaliśmy gen kluczowy - w tym przypadku neurogenin 2 - do ich jąder komórkowych. Rzeczywiście niektóre komórki w ciągu czterech do sześciu tygodni zaczynały się wyraźnie zmieniać i wykształcać typowe cechy neuronów.
Następnie sprawdzaliśmy ich pobudliwość elektryczną. I otóż - w odróżnieniu od astrocytów - przekształcone komórki wytwarzały elektryczne potencjały czynnościowe. Jest to dowód na to, że również pod względem funkcjonalnym mamy do czynienia z prawdziwymi neuronami. Z czasem dowiedzieliśmy się nawet, że owe komórki potrafią wykształcać synapsy - czyli połączenia, za pomocą których porozumiewają się ze sobą. Przynajmniej w szalkach Petriego dają się one następnie zintegrować z istniejącymi sieciami neuronowymi.
Teraz należy zbadać, czy ta metoda zadziała również w nienaruszonym organizmie.
Rzeczywiście istnieją oznaki wskazujące, że tego rodzaju zmiany dadzą się wywołać również w przypadku komórek glejowych w korze mózgowej żyjących zwierząt. Nie dowiedziono jednak jeszcze, że tworzą się wtedy komórki nerwowe w pełni funkcjonalne.
Aby w przyszłości móc leczyć choroby niszczące neurony lub uszkodzenia mózgu przy pomocy genetycznych modyfikacji astrocytów, naukowcy muszą odpowiedzieć na kolejne ważne pytanie: czy te przeprogramowane komórki dopasują się we właściwy sposób do sieci istniejących komórek nerwowych? W tym celu musimy jeszcze lepiej zrozumieć procesy, jakie zachodzą podczas integracji powstałych w naturalny sposób neuronów w dorosłym mózgu. Dzięki temu powinno się udać zapobiec niszczeniu komórek w wyniku zaprogramowanej śmierci.
Już dzisiaj wiemy, że na dorastające neurony oddziaływać muszą różne neuroprzekaźniki i czynniki wzrostu, aby mogły dojrzewać i poprawnie wykształcać wyrostki do odbierania (dendryty) oraz wysyłania (aksony) sygnałów. Dopiero wtedy nowe komórki nerwowe mogą integrować się także ze skomplikowanymi obwodami neuronowymi, których wzorzec aktywności określa nasze zachowanie.
Tłum. Paweł Brysacz -artykuł ukazał się w najnowszym wydaniu niemieckiego magazynu Gehirn&Geist
Dr Benedikt Berninger jest biologiem, pracownikiem Instytutu Fizjologii na Uniwersytecie Ludwiga Maximiliana w Monachium. Prof. dr Magdalena Gotz kieruje tam katedrą genomiki fizjologicznej oraz Instytutem Badań nad Komórkami Macierzystymi w Centrum Helmholtza w Monachium.
Czytaj także w "Charakterach":
- Najnowszy numer "Charakterów" - spis treści
- Wyobraźcie sobie, że w waszych nogach zamiast krwi krąży musująca pepsi, a w mięśniach i kościach zadomowiły się legiony mrówek
- Seks w kryzysie - Źle się dzieje w sypialniach 30-latków!
