TERESA OLSZAK: – Mózg to delikatna struktura, centrum dowodzenia organizmu ludzkiego. Czy zrozumieć mózg to zrozumieć człowieka?
PROF. LESZEK KACZMAREK: – Tak uważamy. Wychodzimy z założenia, że mózg jest siedliskiem umysłu, umysł zaś jest wytworem mózgu. Jeśli chcemy zrozumieć umysł, musimy więcej wiedzieć o mózgu. A umysł określa osobowość człowieka.
Stoicie państwo na czele ośrodka BRAINCITY, który został powołany dzięki wsparciu Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, jako Międzynarodowa Agenda Badawcza (MAB) i działa w ramach Instytutu Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN. Jaki cel przyświeca zespołowi?
LK: – Skupiamy się na dwóch najważniejszych: poznawczym i organizacyjnym. Nadrzędny jest jednak cel poznawczy, pozwala nam rozwijać wiedzę o relacji mózg–umysł, ale też wypracować nowe rozwiązania, które poprawią profilaktykę, diagnostykę oraz leczenie chorób związanych z plastycznością mózgu.
Fundamentem obecnej wiedzy biologicznej jest podłoże molekularne zjawisk. W naszych badaniach staramy się, szukając istoty zjawisk, dotrzeć do ich podłoża molekularnego. Mózg człowieka to ponad 86 mld komórek nerwowych i drugie tyle komórek glejowych. Ich interakcje są wynikiem oddziaływań pomiędzy określonymi cząsteczkami, czyli molekułami. Tym zajmuje się biologia molekularna, która wytworzyła zaawansowane narzędzia badawcze pozwalające manipulować cząsteczkami, w konsekwencji samymi komórkami nerwowymi czy funkcjonowaniem całego narządu, jakim jest mózg.
Naszym celem jest zrozumienie, w jaki sposób mózg wytwarza umysł, poprzez dotarcie do podłoża komórkowego, subkomórkowego i molekularnego umysłu.
Gdy mózg dozna udaru bądź fizycznego urazu, pozostałe części przejmują rolę uszkodzonych struktur. Mówimy o neuroplastyczności, czym ona jest?
PROF. EWELINA KNAPSKA: – Neuroplastyczność to proces polegający zwłaszcza na zmianach połączeń synaptycznych, czyli połączeń pomiędzy neuronami, podstawowymi cegiełkami budującymi układ nerwowy. Zmiany w liczbie połączeń pomiędzy neuronami oraz ich sile, czyli efektywności przekazywania sygnału pomiędzy komórkami nerwowymi, są podstawą uczenia się, które obserwujemy w zdrowym mózgu. Dzięki połączeniom synaptycznym neurony łączą się w sieci, które wspólnie pełnią określoną funkcję, na przykład kodują określone wspomnienie. Zmiany plastyczne obserwujemy również w stanach patologicznych. Mogą one prowadzić do negatywnych skutków, jak choroby psychiczne czy padaczka. Z drugiej strony jeżeli dojdzie np. do udaru mózgu, wówczas dzięki plastyczności regeneracyjnej mózg potrafi przebudować się i do pewnego stopnia odzyskać swoją dawną sprawność. Przebudowa synaps na poziomie molekularnym i wynikające z niej zmiany w strukturze synaps powodują, że zmienia się ich zdolność do przekazywania informacji pomiędzy neuronami.
LK: – Wyobraźmy sobie, że mózg funkcjonuje jako sieć kolejowa. Dzięki tej sieci człowiek może przejechać z miasta do miasta. Dzieje się to również dzięki zwrotnicom, które przekierowują pociąg z jednych torów na inne. Te zwrotnice to synapsy. W mózgu człowieka są dziesiątki miliardów komórek nerwowych połączonych ze sobą tysiące razy. Jeden neuron może mieć ponad tysiąc połączeń z innymi komórkami. Funkcjonowanie umysłu, czyli zdolność do odbierania i przetwarzania informacji, właściwej reakcji organizmu, jest koordynowane przez mózg, a to wymaga ciągłej reorganizacji całej sieci połączeń. Mówiąc w skrócie, plastyczność to zdolność olbrzymiej sieci komórek nerwowych do reorganizacji pod wpływem docierającej informacji, a w rezultacie do adaptacji i kontrolowania reakcji całego organizmu.
BRAINCITY połączyło wiele metod badawczych, m.in. biologii molekularnej, precyzyjnego obrazowania i wizualizacji komórek czy bioinformatyki. W jaki sposób te metody wykorzystywane są w pracy nad zrozumieniem funkcjonowania mózgu?
EK: – By zrozumieć, jak działa mózg, należy badać i integrować informacje o różnych poziomach jego funkcjonowania. Poczynając od mechanizmów molekularnych, przez strukturę i funkcję neuronów i synaps oraz zbudowanych z nich różnych struktur mózgu, po zachowanie całego organizmu, które jest wynikiem współdziałania wymienionych wcześniej elementów.
LK: – Możemy nawiązać do naszego logo – to puzzle, które składają się na mózg. Nasze logo dobrze odzwierciedla to, jak chcemy pracować. Pracujemy na bardzo różnych poziomach organizacji, a wspólnym celem jest zrozumienie działania mózgu.
Neuronauka jest skomplikowanym obszarem badań obejmującym szerokie spektrum metod badawczych. Od badań czysto molekularnych, w których często wykorzystuje się proste organizmy modelowe, takie jak robak czy muszka owocowa, po badania nad funkcjonowaniem dużo bardziej złożonych mózgów ssaków. W naszych badaniach wykorzystujemy myszy i szczury jako organizmy modelowe. Sięgamy również do badań na ludziach, które pozwalają nam stwierdzić, jak odkrycia dokonane na mózgach mysich i szczurzych można odnieść do funkcjonowania dużo bardziej skomplikowanego ludzkiego mózgu. Ponadto zespoły w BRAINCITY wykorzystują w swoich badaniach materiał pobrany od pacjentów.
BRAINCITY skupia pięć niezależnych zespołów, czym one się zajmują?
LK: – Pierwszy zespół to Pracownia Neurofizjologii Umysłu dr. Jana Kamińskiego – specjalizuje się w badaniu pamięci roboczej, czyli rodzaju pamięci, która pozwala przetrzymywać informacje w centrum uwagi oraz na ich podstawie np. wnioskować. Nasze myśli i świadomość zachodzą w obrębie pamięci roboczej, która jest fundamentalną zdolnością naszego umysłu. Treść naszej świadomości, a więc też pamięci roboczej, zmienia się dynamicznie, co jest możliwe dzięki szybkim formom plastyczności. Zespół rejestruje aktywność pojedynczych neuronów w mózgu człowieka – to fascynujące podejście doświadczalne, w odniesieniu do ludzi unikatowe w skali światowej.
Kierownikiem drugiego zespołu – Translacyjnych Badań w Zaburzeniach Neuropsychiatrycznych – jest dr Ali Jawaid. Tematem przewodnim badań jest próba zrozumienia, w jaki sposób środowisko, w którym żyjemy, rozpatrywane w szerokim kontekście – czyli np. stres, odseparowanie od rodziców czy nieodpowiednia dieta, wpływają na rozwój chorób psychicznych czy chorób neurozwyrodnieniowych.
Wiedzę, w jaki sposób dochodzi do rozwoju uzależnienia, na przykład choroby alkoholowej czy uzależnienia od kokainy, zgłębia zespół dr Anny Beroun – Pracownia Zespołu Plastyczności Neuronalnej. Dr Beroun bada struktury mózgu, jak ciało migdałowate i prążkowie, które odpowiedzialne są za motywacje i emocje. Pewne zmiany, w tym przypadku uzależnienia, zachodzą na poziomie synaps, które mogą stać się nadmiernie przewodne. Wówczas zbyt łatwo przekazują informacje o przyjemności płynącej ze środowiska zewnętrznego. Dzieje się tak, nawet jeśli to przyjemność patologiczna, jak narkotyki czy alkohol. Tu zasadniczą rolę odgrywa plastyczność synaptyczna i dr Beroun bada ją, m.in. zadając pytanie, czym zaangażowane w uzależnienie synapsy różnią się na poziomie molekularnym od „zdrowych” synaps.
Pana zespół pracuje nad poznaniem relacji mózg–umysł w ramach Pracowni Neurobiologii.
LK: – Mój zespół zajmuje się szczegółową analizą pewnej części synapsy, wchodząc bardziej w jej głąb. Od 1986 r. zajmuję się układem nerwowym, wcześniej m.in. hematologią doświadczalną, a potem podłożem podziałów komórkowych, w tym i komórek nowotworowych. Założenie, że pewne fundamenty funkcjonowania układu nerwowego można rozpatrywać na poziomie molekularnym, 35 lat temu brzmiało jak herezja. Wtedy odkryliśmy, że w wyniku uczenia się zachodzą zmiany w aktywności genów, czyli że może być mniej lub więcej określonych białek. Zaczęliśmy szukać takich genów.
Okazało się, że funkcją białka kodowanego przez jeden z tych genów jest regulacja innych genów. Zaczęliśmy zatem szukać genu regulowanego przez to białko. W rezultacie znaleźliśmy pewne białko (jest to tzw. metaloproteaza, MMP-9), które jest częścią większego układu molekularnego aktywnego na pojedynczych synapsach, regulującego ich funkcję. Staramy się zrozumieć, jak ono działa w różnych procesach, np. uczenia się o zdarzeniach przyjemnych. Ale również zajmujemy się uzależnieniami, schizofrenią czy rozwojem padaczki.
Pani jest kierownikiem Zespołu Neurobiologii Emocji. Czy tutaj przedmiotem badań są emocje, takie jak złość, strach czy miłość?
EK: – Zajmuję się tym, jak mózg kontroluje pozytywne i negatywne emocje. W szczególności badamy, jak mózg kontroluje emocje przekazywane społecznie. Możliwość odczytywania emocji innych osób to umiejętność, która jest zaburzona w wielu chorobach psychicznych i neurorozwojowych, np. w autyzmie. Chcielibyśmy zbadać, jak mózg odczytuje, co czują inni. Szukamy podstawowych mechanizmów leżących u podłoża takich umiejętności społecznych. Równolegle badamy, czy wzór aktywacji mózgu podczas obserwowania emocji innych jest podobny u gryzoni i ludzi, czyli czy nasze modele zwierzęce możemy odnieść do funkcjonowania ludzkiego mózgu. Ponadto, wykorzystując mysie modele autyzmu, badamy możliwość skorygowania zaburzonych zachowań społecznych z nadzieją zaplanowania odpowiedniej terapii dla poprawienia funkcjonowania osób z zaburzeniami zachowań społecznych obserwowanych np. w autyzmie.
Naukowcom udało się wyhodować fragmenty tkanek podobne m.in. do wątroby, nerek, jelit czy mózgu. Zespół BRAINCITY pracuje na organoidach mózgowych – czym one są?
LK: – Pobrane od człowieka pojedyncze komórki krwi lub skóry można „cofnąć” w różnicowaniu do komórki macierzystej. Taka komórka ma zdolność zmiany w inne komórki, może też się samopowielać. Komórka „odróżnicowana” może również „zróżnicować” się w coś innego, w przypadku organoidu mózgowego – w komórki układu nerwowego. Powstające zestawy składają się z tysięcy komórek, które się samoorganizują. Oglądając proces tworzenia organoidu pod mikroskopem, widać, że to tkanka mózgowa, bo ma określone warstwy, jak kora mózgowa. Tak wyglądają mózgowe organoidy.
EK: – Organoidy to ciekawy kierunek rozwoju badań nad mózgiem, dlatego że możemy zobaczyć, jak funkcjonują neurony pacjentów. Pozwalają one na badanie indywidualnej zmienności charakteryzującej pacjenta. Możemy sprawdzać, jak neurony łączą się ze sobą lub jak funkcjonują w organoidzie. Oczywiście poziom skomplikowania organoidu nie jest taki jak samego mózgu. Nie odtwarzamy całej złożoności mózgu, chociaż technologia szybko się rozwija i odtwarzanie właściwości mózgu będzie zapewne coraz wierniejsze.
Rozwój nauki to ogrom pracy, dzięki temu mogą być realizowane ważne cele organizacyjne w projekcie BRAINCITY.
LK: – Naszą ambicją jest jeszcze ściślej współpracować z klinicznym środowiskiem lekarskim. Możemy już pochwalić się takimi kontaktami, jednak chcemy bardziej intensywnie rozwijać się w tym kierunku. Rzadko się zdarza, że instytucje badawcze prowadzą zaawansowane i na najwyższym poziomie badania podstawowe, jednocześnie mając dostęp do materiału klinicznego. To trudne zadanie, jednak to nasz cel i ambicja.
Chcemy, by wyniki naszych badań miały potencjał terapeutyczny i diagnostyczny, dlatego szukamy współpracy z przedsiębiorstwami działającymi na rynku biotechnologii czy biofarmacji.
Prowadzimy otwarte konkursy na liderów zespołów, zapraszamy osoby z dużym doświadczeniem w pracy w wiodących ośrodkach zagranicznych. To decyduje o jakości projektu BRAINCITY.
Rozmawiała Teresa Olszak
***
Prof. Leszek Kaczmarek jest profesorem w Instytucie Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN w Warszawie i kierownikiem Międzynarodowej Agendy Badawczej BRAINCITY. Dalekosiężnym celem jego badań jest poznanie relacji mózg–umysł, przy założeniu, że można zlokalizować w mózgu czynności umysłu oraz wyjaśnić ich molekularne i komórkowe podłoże u zwierząt doświadczalnych i ludzi. Opublikował ponad 250 prac naukowych, wielokrotnie cytowanych przez innych badaczy. Został wyróżniony Nagrodą Fundacji na rzecz Nauki Polskiej za odkrycie zmian aktywności genów w mózgu pod wpływem bodźców zewnętrznych i Nagrodą Premiera za całokształt dorobku naukowego.
***
Prof. Ewelina Knapska jest profesorem w Instytucie Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN w Warszawie, kierownikiem Pracowni Neurobiologii Emocji w Instytucie Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN w Warszawie. Stypendystka Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, Ministra Edukacji i Szkolnictwa Wyższego, a także Narodowego Centrum Nauki. W 2016 r. otrzymała prestiżowy Starting Grant European Research Council. W 2018 r. została nowym członkiem FENS-Kavli Network of Excellence – prestiżowej organizacji skupiającej młodych naukowców zajmujących się badaniami mózgu, pod egidą The Federation of European Neuroscience Societies (FENS) i The Kavli Foundation.
***
Realizowany przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej program Międzynarodowe Agendy Badawcze jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego ze środków pochodzących z Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój.