Tejemnice neuronauki

Mózg to ważąca jedynie ok. 1,5 kg, ale niezwykle skomplikowana maszyneria. Dziś wiemy, że tworzy ją 86 mld neuronów, z czego aż 80 proc. znajduje się w móżdżku, którego względna wielkość to 10 proc. masy całości. Liczbę połączeń między komórkami nerwowymi szacuje się w setkach trylionów – a jeden trylion to 1018. Mózg jest maszyną specyficzną także ze względu na sposób działania – elektryczne impulsy są zamieniane na synapsach na sygnał chemiczny, by znów powrócić na drogę elektryczną. Połączenia synaptyczne różnią się pod względem nasilenia, co sprawia, że liczba ich możliwych konfiguracji jest wręcz zawrotna. Do tego dochodzą jeszcze komórki glejowe o liczebności podobnej do neuronów, które uczestniczą w tworzeniu osłonek mielinowych, wpływając na prędkość neurotransmisji, dostarczają neuronom źródła energii, komunikują się z układem odpornościowym i spełniają wiele innych funkcji. Wszystkie te elementy tworzą większe całości układające się w sieć neuronalną. Po milionach lat ewolucji architektura ludzkiego mózgu znalazła się w pół drogi między specjalizacją struktur neuronalnych a pełną plastycznością. Jedną z charakterystycznych cech ssaków jest kora mózgowa, która składa się z kolumn neuronalnych, zorganizowanych „w głąb” w sześciu warstwach. Struktury kory mózgowej są wyspecjalizowane w pełnieniu różnych funkcji związanych z percepcją (np. kora wzrokowa w potylicznym płacie mózgu) i działaniem (kora ruchowa w płacie czołowym). Te lokalnie zwarte obszary potrafią łączyć się z odległymi strukturami, także podkorowymi, które wyewoluowały wcześniej. Dzięki temu informacje przetwarzane są z maksymalną wydajnością, ale nie są zarazem całkowicie izolowane. Taką organizację neuronaukowcy nazywają siecią małych światów. Dzięki niej człowiek cechuje się umiejętnością adaptacji do różnych warunków, tworzy kulturę, a jego umysł bogaty jest w życie wewnętrzne. Pomimo że wciąż brakuje wiedzy na temat niektórych szczegółów całej tej mózgowej układanki, to, czego dowiedzieliśmy się dotychczas, pozwala żywić uzasadnione przekonanie, że – jak pisze filozof John Searle – „zjawiska umysłowe, wszelkie świadome i nieświadome zjawiska psychiczne, doznania wzrokowe czy słuchowe, doznania bólu, łaskotki, swędzenie, myśli, z pewnością całość naszego życia psychicznego, są efektem procesów zachodzących w naszym mózgu”. Neuronauka chce nie tylko odczytać jeden z wielu rozdziałów księgi natury – jej ambicją jest odczytanie ważnych stron księgi natury ludzkiej. Jakie są drogi naszej wiedzy? Dokąd jeszcze może nas zaprowadzić? Pierwsze kroki: od anatomii do funkcji Starożytni Grecy nie przywiązywali do mózgu większej wagi – był dla nich jednym z wielu organów w ciele człowieka. Arystoteles twierdził nawet, że rola mózgu sprowadza się do chłodzenia sercowej pneumy. To właśnie serce było jego zdaniem siedliskiem duszy. Z drugiej strony filozof ten spekulował jednak, że w mózgu mieści się tzw. zmysł wspólny, scalający informacje docierające do wszystkich zmysłów. Dopiero mniej więcej w III w. p.n.e. dzięki medykom aleksandryjskim rozpoczęto systematyczne badania anatomii mózgu post mortem, koncentrując się m.in. na móżdżku, oponach i komorach. Aby odkryć pojedyncze komórki tworzące tkankę mózgową, neuroanatomia musiała czekać wiele stuleci. Choć mikroskop wynaleziono już w XVII w., dopiero w XIX w. udało się uzyskać optymalną jakość obrazu. Czeski fizjolog i anatom Jan Evangelista Purkyně w 1837 r. odkrył i opisał komórkę móżdżku, nazwaną jego nazwiskiem. Po raz pierwszy zaobserwowano wówczas charakterystyczne, rozgałęziające się wypustki (dendryty), wyłaniające się z jednej strony ciała komórkowego, oraz długie włókno z drugiej (akson). Choć mniej więcej w tym samym czasie biologia zaczynała odkrywać komórkową budowę wszystkich organizmów, dominował pogląd, że obiekt obserwacji czeskiego uczonego w istocie jest niesamodzielną częścią jednolitej substancji mózgu. Prawdziwy przełom nadszedł w 1873 r., gdy Camillo Golgi opracował nowe metody barwienia preparatów. Dzięki temu hiszpański histolog Santiago Ramón y Cajal mógł przystąpić do badań, które pięć lat później wykazały, że dendryty i aksony neuronów łączą się za pomocą synaps. Obiektem badań Cajala był mózg embriona, charakteryzujący się mniejszą gęstością komórek. Tzw. doktryna neuronów wygrała ostatecznie z postrzeganiem mózgu jako jednolitej substancji. Choć Golgi był przeciwnikiem doktryny neuronów, obydwaj uczeni zostali wspólnie uhonorowani Nagrodą Nobla w 1906 r. Mózg stopniowo odkrywał nie tylko sekrety swojej budowy, ale również swojego funkcjonowania. Już pod koniec XVIII w. Luigi Galvani odkrył elektryczną aktywność układu nerwowego. Dopiero 150 lat później przedstawiono pierwsze wyniki elektrometrycznych badań włókien nerwowych. Następnie zaobserwowano wyładowania neuronów piramidowych w hipokampie kota. Metoda rejestracji aktywności pojedynczych komórek nerwowych przyjęła się szybko. Polega ona na wprowadzeniu bardzo cienkiej elektrody do wnętrza badanego neuronu lub tuż obok niego. Choć w eksperymentach tego typu nie wykorzystuje się spektakularnej maszynerii, rejestrowanie aktywności pojedynczych neuronów jest do dziś najbardziej precyzyjną metodą badania mózgu – daje bowiem bezpośredni wgląd do zmian dynamiki działania neuronu niemal w czasie rzeczywistym. Stosując metodę rejestracji aktywności pojedynczych neuronów, w latach 90. XX w. uczeni z laboratorium Giaccoma Rizzollattiego w Parmie dokonali jednego z najbardziej spektakularnych odkryć w dziejach neuronauki. Interesowały ich komórki z obszaru F5 kory ruchowej makaka, co do których wiadomo było, że są aktywowane podczas ruchów dłoni. Przypadek pokazał, że nie tylko wtedy. Gdy podczas eksperymentu makak sięgał dłonią po kawałki owoców, aparatura rejestrowała aktywność w obszarze F5. Jednak kiedy jeden z naukowców wykonał analogiczną czynność, aparatura podłączona do mózgu małpy zareagowała również. Okazało się, że neurony ze struktury F5 są aktywowane zarówno podczas własnoręcznej manipulacji przedmiotem, jak i obserwacji takiej czynności wykonywanej przez innego osobnika. W ten sposób odkryte zostały tzw. neurony lustrzane. Podstawowym ograniczeniem stosowania metody rejestracji aktywności pojedynczych neuronów na ludziach jest konieczność otwarcia czaszki. Metodę tę stosuje się jedynie w celach medycznych, jednak w trakcie takich poszukiwań czasami udaje się przy okazji powiększyć dotychczasową wiedzę. Wróćmy jednak do pierwszej połowy XX w. – ludzki mózg zaczął odsłaniać tajemnice swojego działania wraz z wynalezieniem nieinwazyjnej metody badawczej, jaką jest elektroencefalografia (EEG). Odkrycie to przypisuje się Hansowi Bergerowi – niemieckiemu psychiatrze i neurologowi, który w 1929 r. opublikował wyniki prowadzonych potajemnie przez wiele lat w szopie badań. Praca ta nie wzbudziła entuzjazmu ówczesnego środowiska naukowego – powątpiewano nawet, czy pomiarowi podlegała rzeczywiście aktywność mózgu. Dziś elektroencefalografia wykorzystywana jest powszechnie zarówno przez lekarzy, jak neuronaukowców, jak i psychologów. EEG polega na rejestracji zmian potencjału elektrycznego na powierzchni skóry głowy. Zmiany te są efektem naturalnej aktywności elektrycznej mózgu. Badanie elektroencefalograficzne przeprowadza się, rozmieszczając elektrody w różnych miejscach głowy. Zapis odpowiednio wzmocnionej aktywności elektrycznej nazywany jest elektroencefalogramem. Za pomocą EEG śledzi się aktywność elektryczną, generowaną przez populację neuronów zlokalizowanych w pobliżu danej elektrody. Możliwe jest np. określanie faz snu czy też odnajdywanie ognisk padaczkowych. Choć rozdzielczość przestrzenna tej metody jest słabsza niż w przypadku badań pojedynczych neuronów, metoda ta jest równie czuła na szybkie zmiany dynamiki połączeń. Z aktywnością elektryczną neuronów skorelowane są słabe pola magnetyczne. Rejestrować je można za pomocą innej metody, jaką jest magnetoencefalografia (MEG). Podobnie jak w przypadku EEG dane zbierane są z powierzchni głowy, na której umieszcza się specjalne czujniki. Metoda ta wymaga jednak skomplikowanej i drogiej aparatury, stąd też jest zdecydowanie mniej popularna niż EEG. Neuroobrazowanie wczoraj i dziś Prawdziwą rewolucją było pojawienie się obrazowania mózgu. Różne metody, określane powszechnie jako neuroobrazowanie, wykorzystują wiedzę na temat zwiększonego zapotrzebowania na zasoby energetyczne struktur mózgowych, zaangażowanych szczególnie w wykonanie danego zadania. W latach 60. ubiegłego stulecia pojawiła się pierwsza taka metoda – emisyjna tomografia pozytronowa (PET). Choć z wykorzystaniem PET przeprowadzono wiele ważnych eksperymentów, technika ta okazała się zbyt droga. Co więcej, nie jest całkowicie nieinwazyjna – osoba badana jest wystawiana na promieniowanie jonizujące, co ogranicza możliwość retestów (ponownych testów z udziałem tych samych ochotników). PET ma wreszcie słabą rozdzielczość czasową, stąd też nie odzwierciedla dynamiki aktywności neuronalnej – kolejne obrazy są dostarczane co ok. 30 sekund. Również rozdzielczość przestrzenna tej metody pozostawia wiele do życzenia. Dwóch pierwszych wad pozbawiona jest inna metoda – obrazowanie rezonansem magnetycznym (MRI). Badania te są nieinwazyjne i cechują się dobrą rozdzielczością przestrzenną. Pole magnetyczne generowane przez silne elektromagnesy powoduje przyjęcie liniowej konfiguracji, czyli równoległe ułożenie spinów atomów wodoru, które wchodzą w skład cząsteczek wody znajdującej się w mózgu. Następnie emitowany jest krótki impuls elektromagnetyczny o częstotliwości radiowej, który skutkuje przejściowym odchyleniem spinów od kierunku pola. Po jego wyłączeniu spiny wracają do pozycji wyjściowej, wyzwalając przy tym energię elektromagnetyczną, rejestrowaną przez urządzenie. Podobnie jak w przypadku PET zwykły rezonans magnetyczny dostarcza statycznych obrazów. Nie musi być to jednak wadą. Skaner rezonansu magnetycznego może zostać wykorzystany w badaniach neuroanatomicznych. O ile dzięki standardowym sekwencjom anatomicznym MRI dostajemy informacje na temat istoty szarej mózgu – tworzą ją skupiska ciał komórek neuronów, o tyle nowoczesna technika, jaką jest obrazowanie tensora dyfuzji (DTI), pozwala wnioskować o szlakach istoty białej (tworzą ją dendryty i aksony neuronów) na podstawie rozchodzenia się cząsteczek wody. Dzięki tej technice badać można np. gęstość połączeń między obydwoma półkulami mózgowymi oraz połączeń wewnątrzpółkulowych. Ze współczesną neuronauką często kojarzą się obrazy mózgu z kolorowymi plamkami, oznaczającymi zwiększoną aktywność określonych struktur neuronalnych. Otrzymuje się je w funkcjonalnym obrazowaniu rezonansem magnetycznym (fMRI). Metoda ta zaczęła upowszechniać się w latach 90., rozbudzając nadzieje rzeszy badaczy na odkrycie kolejnych tajemnic umysłu. U podstaw tej techniki leży założenie, że hemoglobina, czyli białko zawarte w erytrocytach, odpowiedzialne za przenoszenie tlenu, reaguje na pole magnetyczne. Podczas wykonywania określonych zadań aktywne obszary mózgu zużywają więcej tlenu niż obszary niezaangażowane bezpośrednio w te zadania. Dynamika aktywności mózgu jest mierzona poprzez odróżnienie hemoglobiny bez tlenu od hemoglobiny niosącej tlen. Najistotniejszym ze względu na własności magnetyczne parametrem jest ilość hemoglobiny niosącej tlen (tzw. sygnał BOLD, czyli zależny od utlenowania krwi). W badaniu fMRI otr