Nauka

Tęczowa masa

Metody podglądania mózgu

Tak wygląda wiązka aksonów. przez które neurony wysyłaja sygnały Tak wygląda wiązka aksonów. przez które neurony wysyłaja sygnały Harvard University/Jeff Lichtman Laboratory
Czy świecące wieloma kolorami neurony pomogą rozwiązać tajemnice mózgu i stworzyć myślące małpy?

Nie każda szara masa ma coś wspólnego z mózgiem – zauważył celnie Stanisław Jerzy Lec. Ale ten błyskotliwy aforyzm można odwrócić – każdy mózg ma wiele wspólnego z szarą masą. To właśnie szaro-różowa substancja o konsystencji jajka na miękko w przeważającej części wypełnia nasze głowy. Dlatego mózg na pierwszy rzut oka wydaje się zupełnie nieatrakcyjny w porównaniu z innymi organami ciała. Do tego stopnia, że przez wieki głowiono się, czy aby na pewno jest siedzibą ludzkiego umysłu. Pionierzy anatomii z czasów starożytnego Rzymu utrzymywali nawet, że kluczową rolę odgrywają w nim puste przestrzenie wypełnione płynem, a pozostała galaretowata masa nie ma wielkiego znaczenia i stanowi wyłącznie opakowanie.

W XVII w. przyrodnicy po raz pierwszy zobaczyli pod mikroskopem komórki organizmów żywych. W pierwszej połowie XIX w. wiedziano na ich temat tak dużo, że przyjęto teorię komórkowej budowy wszystkich ziemskich organizmów. Z jednym wyjątkiem – nie potrafiono dostrzec tych mikroskopijnych cegiełek życia w mózgu. Przez to organ ten wydawał się jeszcze bardziej tajemniczy i odmienny od reszty ciała. Podejrzewano, że mózg może składać się z dziwnych komórek, płynnie przechodzących jedna w drugą. Doskonale pasowało to do fenomenu ludzkiej świadomości – nasze ja, stanowiące jedność, miałoby swój fizyczny nośnik w postaci czegoś, co przypomina wielką i skomplikowaną superkomórkę.

Pierwszym człowiekiem, który zobaczył komórki nerwowe, był włoski lekarz i uczony Camillo Golgi. W latach 70. XIX w. wpadł na pomysł, by do zabarwiania tkanki mózgowej użyć soli srebra. Dzięki temu komórki nerwowe stawały się czarne, a ich otoczenie pozostawało jasne. Metoda Golgiego miała jednak wiele niedoskonałości – struktura wybarwionych neuronów często nie była wystarczająco klarowna, a wyniki trudne do powtórzenia. Zniechęcony Golgi porzucił ich badanie na rzecz malarii i pozostał gorącym zwolennikiem teorii płynnego przechodzenia neuronów jednego w drugi.

Malarz neuronów

Do ostatecznego rozstrzygnięcia zagadki budowy układu nerwowego potrzebny był geniusz i wytrwałość innego uczonego – hiszpańskiego lekarza Santiago Ramón y Cajala. Od dzieciństwa chciał być malarzem, jednak w końcu zdecydował się na studia medyczne. Gdy w 1887 r. zapoznał się z pracami Golgiego, był pod takim wrażeniem, że postanowił poświęcić swoją naukową karierę badaniom mózgu. Udoskonalił metodę włoskiego naukowca, a niewygasła pasja malarska oraz ogromna wytrwałość i drobiazgowość sprawiły, że jako pierwszy przedstawił światu dokładny wygląd komórek nerwowych. Jego szkice tkanki nerwowej są tak precyzyjne, że nawet dziś służą jako ilustracje podręczników neuroanatomii.

Hiszpan szybko doszedł do wniosku, że teoria jedności tkanki nerwowej w mózgu jest błędna. Według niego, organ ten składał się z ogromnej liczby odrębnych komórek komunikujących się między sobą. Tajemnicą jego geniuszu pozostanie, jak udało mu się, stosując ówczesne metody badawcze, dojść do prawidłowego wniosku, że neurony wysyłają sygnały do innych neuronów (lub tkanek, np. mięśni) za pomocą pojedynczej gałęzi (czyli tzw. aksonu), wyrastającej z ciała komórki, a odbierają sygnały poprzez nawet tysiące gałązek zwanych dendrytami.

Miriady komórek

Dziś wiemy, że mózg człowieka składa się z ok. 100 mld komórek nerwowych (oprócz nich tkankę nerwową tworzą także komórki glejowe, m.in. odżywiające i chroniące neurony). To mniej więcej tyle, ile jest gwiazd w naszej Galaktyce. Ale jeszcze większe wrażenie robi szacowana liczba połączeń między komórkami – jeden neuron może mieć ich nawet do kilkunastu tysięcy. Jedni twierdzą, że liczba (potencjalnych, a nie rzeczywistych!) połączeń jest większa niż gwiazd w całym Wszechświecie.

Choć więc wygląd komórek nerwowych nie stanowi dziś tajemnicy, to poznanie, jak tworzą się i dokładnie przebiegają połączenia między nimi, do niedawna było właściwie niemożliwe. Nauka nie dysponowała bowiem o wiele doskonalszymi metodami wybarwiania neuronów niż sto lat temu. Jednak ostatnie lata przyniosły rewolucyjne zmiany w tej dziedzinie, m.in. za sprawą grupy neurobiologów z Uniwersytetu Harvarda oraz… genu meduzy.

Żeby to wyjaśnić, musimy cofnąć się do 1962 r., gdy japoński uczony Osamu Shimomura odkrył niezwykłe białko w ciele pewnego stułbiopława (czyli potocznie mówiąc: meduzy), za co – wraz z dwoma innymi naukowcami – otrzymał w 2008 r. Nagrodę Nobla. Niesamowitą cechą tej cząsteczki było to, że wystarczyło skierować na nią trochę ultrafioletu, by zaświeciła piękną zieloną barwą.

Po co bezokiej meduzie takie chemiczne cudo, do dziś nie wiadomo. Ale okazało się ono ogromnie przydatne naukowcom – było bowiem nietoksyczne, a więc bezpieczne dla innych organizmów. Z czasem udało się je – a dokładnie mówiąc: gen kodujący świecące białko – wstawiać, za pomocą metod inżynierii genetycznej, np. do komórek myszy oraz łączyć z innymi białkami. Dzięki temu naukowcy otrzymali świetne narzędzie do śledzenia pod mikroskopem rozwoju nowotworów czy procesów zachodzących wewnątrz komórek. W 2004 r. Tom Kirchhausen z Harvard Medical School zrobił film szczegółowo pokazujący, jak naznaczony świecącym białkiem wirus atakuje komórki. Z czasem w laboratoriach powstały jeszcze silniej świecące białka niż te pochodzące od meduzy, a na dodatek skonstruowano proteiny potrafiące emitować niebieską, cyjanową, żółtą i czerwoną barwę.

Trzy lata temu dwóch profesorów z Uniwersytetu Harvarda, Jeff Lichtman i Joshua Sanes, wpadło na pomysł zastosowania tych niezwykłych cząsteczek do badań nad mózgiem. Idea była prosta: gdyby każdemu z neuronów dać inną barwę, to z łatwością da się obserwować powstawanie i strukturę połączeń między nimi.

Uczeni wszczepili więc myszom świecące białka, a na dodatek zrobili to tak sprytnie, że w każdym neuronie znajdowało się wiele genów kodujących różne kolory. Co więcej, aktywowały się one w sposób losowy, co gwarantowało otrzymanie wielu barw. Np. gdy zadziałał gen kodujący zielone białko oraz dwa geny czerwone, to w rezultacie neuron świecił na pomarańczowo. Ale już sąsiednia komórka nerwowa miała kolor niebieski, ponieważ inaczej zadziałały w niej geny. Amerykańscy uczeni uzyskali w ten sposób paletę prawie stu barw, a myszy były w stanie przekazywać zdolność świecenia neuronów potomstwu. Dziś w laboratorium Wydziału Biologii Molekularnej i Komórkowej Uniwersytetu Harvarda żyje już drugie pokolenie tych niezwykłych gryzoni.

To jest właśnie dowód na prawdziwość Inteligentnego Projektu – śmieje się prof. Jeff Lichtman, nawiązując do słynnej pseudonaukowej teorii, głoszącej, iż powstanie życia na Ziemi zawdzięczamy rozmyślnemu działaniu stwórcy (mógł nim być Bóg albo kosmici). – Po raz pierwszy w historii życia na naszej planecie jedno zwierzę, dzięki swojemu umysłowi, precyzyjnie zaprojektowało dziedziczne cechy innego zwierzęcia.

 

Cudowny brainbow

Teraz naukowcom nie pozostawało już nic innego, jak zajrzeć do świecących mózgów gryzoni. Użyto do tego tzw. laserowego mikroskopu konfokalnego, który daje obrazy bardzo wysokiej rozdzielczości i pozwala zajrzeć w głąb oglądanych preparatów bez ich uszkadzania. Dr Tamily Weissman, pracująca w zespole prof. Lichtmana, która jako pierwsza zobaczyła na ekranie zdjęcia z mikroskopu, aż jęknęła z zachwytu. Kolorowe obrazy komórek nerwowych przypominały raczej niesamowite dzieła sztuki wypełnione barwami tęczy i niezwykłymi kształtami niż zdjęcia tkanki nerwowej. Niedoszły malarz Santiago Ramón y Cajal na pewno byłby zachwycony dziełem harvardzkich naukowców.

Amerykanie nazwali swoją technikę barwienia neuronów Brainbow („brain” to po angielsku „mózg”, a „rainbow” znaczy „tęcza”). Opracowującym ją naukowcom nie chodziło oczywiście o uzyskanie wyjątkowych doznań estetycznych, ale wydarcie tajemnic mózgowi. I nie zawiedli się. Choć prace z zastosowaniem tej techniki trwają zaledwie trzy lata, już przyniosły sensacyjne rezultaty.

Wszystko zaczęło się od obserwacji, jak neurony tworzą połączenia z mięśniami, tak by sterować nimi za pomocą impulsów. Oczom harvardzkich uczonych ukazał się niezwykły obraz – u malutkich gryzoni do tego samego włókna mięśniowego próbowały podłączyć się aksony wielu komórek nerwowych. Pod mikroskopem widać było wojnę pomiędzy neuronami, której rezultatu nie dawało się przewidzieć. Ale zawsze zwycięsko z boju wychodziła tylko jedna komórka nerwowa. Wyglądało to tak, jakby ewolucyjna walka o byt toczyła się nie tylko pomiędzy organizmami, ale również aksonami neuronów (oczywiście z zastrzeżeniem, że neurony się nawzajem nie zabijają).

– Do tej pory sądziliśmy, że np. młode ssaki, a przede wszystkim człowiek, są bezbronne i niezdarne we wczesnych etapach życia, gdyż nie mają wykształconej odpowiedniej liczby połączeń nerwowych. Tymczasem jest całkowicie odwrotnie. Rodzimy się hiperokablowani, wręcz nadmiernie, a wraz z dojrzewaniem tracimy połączenia między komórkami – mówi Lichtman.

Z tego powodu sądziliśmy, że np. owady czy robaki są nieporównanie od nas gorsze pod względem rozwoju układu nerwowego. Zdaniem Lichtmana, to niesłuszny pogląd. Bo nad nicieniem, który ma w swoim ciele zaledwie ok. 300 komórek nerwowych, ewolucja pracowała znacznie dłużej niż nad stworzeniem ssaków. Dlatego robak ten rodzi się kompletnie dojrzały – z całą wiedzą na temat tego, co ma robić w życiu. Niczego się nie uczy, bo jego układ nerwowy zależy wyłącznie od genów, a nie środowiska. Ale to oznacza, że jest organizmem doskonale wyspecjalizowanym do pełnienia określonych funkcji. – Nicienie można porównać do konsoli do gier. Natomiast nasze mózgi przypominają komputer w przebudowie, z ogromną liczbą procesorów i innych elementów, które na dodatek nie są dobrze wyodrębnione. Dopiero z czasem nasza maszyna nabiera kształtów, elementy zostają poukładane, a część z nich wyrzucona – wyjaśnia prof. Lichtman.

Ssaczy mózg jest po prostu niedojrzały, a ludzki bije pod tym względem rekordy. – Gdyby dłużej utrzymać mysz w stanie niedojrzałości, uzyskalibyśmy bardzo inteligentne zwierzę. To samo dotyczy małp. Opóźniając ich rozwój i trochę zwiększając liczbę neuronów w mózgu, można będzie stworzyć zwierzęta o zaskakujących zdolnościach umysłowych. Np. potrafiące czytać i pisać (ze względu na budowę aparatu głosowego małpy nigdy nie będą umiały mówić). Jeśli to zrobimy – a może się to stać w ciągu kilkudziesięciu lat nasza wyjątkowość w świecie natury nie będzie już tak oczywista – uważa prof. Lichtman.

Mózg w 3D

Brzmi to na razie jak science fiction, więc na razie zespół Lichtmana zajmuje się bardziej przyziemnymi eksperymentami. Chce opracować dokładną trójwymiarową mapę wszystkich połączeń nerwowych. To ma być dzieło na miarę poznania ludzkiego genomu, czyli rozszyfrowania dokładnej budowy wszystkich genów człowieka.

Temu celowi służy nie tylko Brainbow. W przypominających labirynt podziemiach wydziału biologii Uniwersytetu Harvarda stoją dziwne maszyny (każda warta 400 tys. dol.), stanowiące połączenie frezarki, mikroskopu oraz urządzenia do montażu filmów. Za pomocą diamentowych noży ścinają one cieniusieńkie warstwy mózgu – można to porównać do bardzo precyzyjnego obierania jabłka – i automatycznie naklejają na specjalną taśmę. Następnie mikroskop wykonuje zdjęcia. W ten sposób powstaje czarno-biały film, którego każda klatka to jeden cieniuteńki fragment odciętej tkanki nerwowej. Dzięki niemu można już tworzyć trójwymiarowe obrazy fragmentów mózgu. Nie są wprawdzie tak spektakularne wizualnie jak uzyskane dzięki technice Brainbow, ale dla naukowców to kopalnia wiedzy. – Wiele chorób, jak np. autyzm, jest najprawdopodobniej spowodowanych wadliwymi połączeniami w mózgu. Dlatego tak istotne jest poznanie prawidłowych wzorów jego okablowania – wyjaśnia Lichtman.

Według współpracującego z Lichtmanem prof. Sebastiana Seunga, neuronaukowca z Massachusetts Institute of Technology, mózg to w gruncie rzeczy komputer, tyle że potrafiący w trakcie swojego rozwoju tworzyć połączenia pomiędzy milionami swoich procesorów, a później je modyfikować. Jeśli będziemy dysponować ich dokładnym schematem, nie tylko nauczymy się usuwać awarie tego skomplikowanego komputera, ale również zrozumiemy, jak on działa. A to nadal pozostaje zagadką.

 

Wszystkich zainteresowanych najnowszymi osiągnięciami nauki zapraszamy w dniach od 15 do 19 marca do redakcji Polityki na cykl wykładów wygłoszonych w ramach Światowego Tygodnia Mózgu. Więcej na stronie Światowego Tygodnia Mózgu.

Polityka 11.2010 (2747) z dnia 13.03.2010; Nauka; s. 76
Oryginalny tytuł tekstu: "Tęczowa masa"
Więcej na ten temat
Reklama

Codzienny newsletter „Polityki”. Tylko ważne tematy

Na podany adres wysłaliśmy wiadomość potwierdzającą.
By dokończyć proces sprawdź swoją skrzynkę pocztową i kliknij zawarty w niej link.

Informacja o RODO

Polityka RODO

  • Informujemy, że administratorem danych osobowych jest Polityka Sp. z o.o. SKA z siedzibą w Warszawie 02-309, przy ul. Słupeckiej 6. Przetwarzamy Twoje dane w celu wysyłki newslettera (podstawa przetwarzania danych to konieczność przetwarzania danych w celu realizacji umowy).
  • Twoje dane będą przetwarzane do chwili ew. rezygnacji z otrzymywania newslettera, a po tym czasie mogą być przetwarzane przez okres przedawnienia ewentualnych roszczeń.
  • Podanie przez Ciebie danych jest dobrowolne, ale konieczne do tego, żeby zamówić nasz newsletter.
  • Masz prawo do żądania dostępu do swoich danych osobowych, ich sprostowania, usunięcia lub ograniczenia przetwarzania, a także prawo wniesienia sprzeciwu wobec przetwarzania, a także prawo do przenoszenia swoich danych oraz wniesienia skargi do organu nadzorczego.

Czytaj także

Kultura

Wielki Janusz Gajos. Mówi, a ludzie go słuchają

Kluczowe postaci w „Klerze” i „Kamerdynerze”, do tego kilka ról w Teatrze Narodowym i kolejne filmy w przygotowaniu. Od Janusza Gajosa zależy dziś w polskiej kulturze więcej niż kiedykolwiek.

Aneta Kyzioł
25.09.2018
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną