Znajdź zawartość

Naukowcy z Narodowych Instytutów Zdrowia (NIH) i Wydziału Medycyny Indiana University poinformowali, że zwiększenie dostaw energii do uszkodzonego rdzenia kręgowego myszy może pomóc w ponownym wzroście aksonów i w odzyskaniu części funkcji motorycznych. Regeneracja aksonów w centralnym układzie nerwowym to proces bardzo wymagający pod względem energetycznym. Uraz zewnętrzny i wewnętrzne ograniczenia prowadzą do kryzysu energetycznego w uszkodzonych aksonach, przez co rodzi się pytanie, jak deficyty energii wpływają na możliwości regeneracyjne. W naszych badaniach zauważyliśmy, że zwiększenie aksonalnego transportu mitochondrialnego poprzez usunięcie syntafiliny prowadziło do przywrócenia, utraconej w wyniku urazu, polarności błony mitochondrialnej, napisali autorzy badań. Syntafilina jest białkiem wspomagającym przyleganie mitochondriów do cytoszkieletu wewnątrz aksonów. Już z wcześniejszych badań wiemy, że usunięcie syntafiliny powoduje, iż mitochondria poruszają się szybciej. Wykorzystaliśmy trzy modele mysie uszkodzenia centralnego układu nerwowego. Wykazaliśmy za ich pomocą, że u myszy pozbawionych syntafiliny dochodzi do lepszej regeneracji drogi korowo-rdzeniowej przebiegającej przez miejsce urazu kręgosłupa, przyspieszonego odrastania aksonów w miejscu urazu oraz szybszego kompensacyjnego rozprzestrzeniania się aksonów w nieuszkodzonych fragmentach drogi korowo-rdzeniowej. Co istotne, zregenerowane aksony drogi korowo-rdzeniowej tworzą funkcjonujące synapsy i wspomagają odzyskanie fukcji motorycznych, stwierdzają autorzy badań. Doktor Zu-Hang Sheng z NIH, jeden z głównych autorów studium, powiedział, że jego zespół jest pierwszym, który wykazał, że w wyniku uszkodzenia rdzenia kręgowego dochodzi do kryzysu energetycznego, który jest bezpośrednio powiązany z ograniczeniem zdolności aksonów do regeneracji. Molekuły ATP, odgrywające kluczową rolę w wewnątrzkomórkowym transporcie energii, są wytwarzane w mitochondriach. Gdy dochodzi do uszkodzenia aksonów, zwykle też uszkodzone zostają mitochondria, co poważnie zakłóca produkcję ATP w uszkodzonych nerwach. Naprawa nerwów wymaga znacznych ilości energii. Wysunęliśmy hipotezę, że pourazowe uszkodzenie mitochondriów znacznie ogranicza dostawy ATP i to właśnie ten kryzys energetyczny uniemożliwia odrastanie i naprawę aksonów, wyjaśnia Sheng. Dodatkowym problemem jest fakt, że w dojrzałych nerwach mitochondria są zakotwiczone w aksonach, przez co, gdy dochodzi do ich uszkodzenia, trudno jest wymienić je na nieuszkodzone, co tylko zwiększa kryzys energetyczny. Dlatego też Sheng i jego zespół, bazując na swoich wcześniejszych pracach z myszami pozbawionymi syntafiliny, zaczęli przypuszczać, że zwiększenie transportu mitochondriów pozwoli na zastąpienie uszkodzonych nieuszkodzonymi. Ich hipotezy wydają się sprawdzać, przynajmniej na myszach. U zwierząt pozbawionych syntafiliny zaobserwowano bowiem znacznie większe odrastanie aksonów w miejscu uszkodzenia, niż w grupie kontrolnej. Okazało się też, że prowadziło to do poprawy funkcji motorycznych. Na kolejnym etapie badań myszom podawano kreatynę, która zwiększa produkcję ATP. W obu grupach myszy – grupie pozbawionej syntafiliny oraz grupie kontrolnej – zaobserwowano zwiększoną regenerację aksonów po podaniu tego środka w porównaniu z grupą, która otrzymywała placebo. Jednak w grupie pozbawionej syntafiliny regeneracja była silniejsza. « powrót do artykułu

Badacze z Uniwersytetu w Edynburgu odkryli białko, które odpowiada za podtrzymywanie dobrego stanu zdrowia oraz funkcji odcinka aksonu odpowiadającego za bezproblemowe wysyłanie sygnałów elektrycznych. Zespół podkreśla, że dzięki "wytropieniu" białka Nfasc186 będzie można lepiej zrozumieć wiele chorób neurodegeneracyjnych, w tym stwardnienie rozsiane lub demencję, a także padaczkę czy udar. W każdym z tych przypadków przesyłanie impulsów elektrycznych w obrębie układu nerwowego ulega zaburzeniu, a niezdolność prawidłowego kontrolowania ruchów może prowadzić do degeneracji mięśni. Choć aksony osiągają niekiedy imponującą długość 1 metra, za jego najważniejszą część uznaje się nieprzewyższający rozmiarami średnicy ludzkiego włosa segment początkowy aksonu, zwany też segmentem inicjującym (ang. axon initial segment, AIS). Znajduje się on tuż za wzgórkiem aksonu, w którym generowany jest potencjał czynnościowy. Szkoccy akademicy ustalili, że AIS oraz zgromadzone w jego obrębie białko odpowiadają za to, że impuls ma odpowiednie właściwości do przekazania żądanej wiadomości. W każdym momencie dziesiątki tysięcy impulsów elektrycznych przekazują informacje między neuronami naszych mózgów. Zidentyfikowanie białek, które są krytyczne dla zainicjowania potencjałów czynnościowych, może pomóc ujawnić zawiłości funkcjonowania mózgu oraz ścieżki jego ewolucji – uważa dr Matthew Nolan.

Dotąd sądzono, że dendryty przewodzą sygnał do ciała komórki (stanowią wejście), a aksony wyprowadzają sygnał na zewnątrz (są wyjściem). Okazuje się, że to nie do końca prawda, bo aksony mogą też działać w przeciwną stronę i przewodzić sygnał do ciała neuronu. Poza tym naukowcy z Northwestern University wykazali, że aksony, inaczej neuryty, mogą się ze sobą porozumiewać. Przed przesłaniem sygnału w odwrotną stronę przeprowadzają własne wyliczenia – bez udziału ciała komórki czy dendrytów. To przeciwieństwo typowej komunikacji neuronalnej, gdzie akson jednego neuronu komunikuje się z dendrytem lub ciałem drugiej komórki, lecz nie z innym aksonem. Wyliczenia w aksonach zachodzą tysiące razy wolniej niż w dendrytach, co daje neuronom szansę na przetworzenie istotnych danych w dendrytach, a mniej palących kwestii w aksonach. Odkryliśmy wiele zjawisk fundamentalnych dla sposobu działania neuronów, które są sprzeczne z informacjami zamieszczonymi w podręcznikach biologii/neurologii. Sygnał może się przemieszczać z końca aksonu do ciała neuronu, podczas gdy typowo ruch odbywa się w przeciwnym kierunku. Widząc to, byliśmy zdumieni – opowiada prof. Nelson Spruston. Zespół Sprustona jako pierwszy odkrył, że pojedyncze neurony mogą wysyłać sygnały nawet przy braku elektrycznej stymulacji w obrębie ciała komórki czy dendrytów. Podobnie jak nasza pamięć krótkotrwała, komórki nerwowe czasami gromadzą i integrują bodźce przez dłuższy czas (od dziesiątych sekundy po parę minut). Po przekroczeniu pewnego progu, nawet pod nieobecność bodźca, wysyłają długie serie sygnałów – potencjałów czynnościowych. Naukowcy nazwali to zjawisko przetrwałymi wyładowaniami (ang. persistent firing). Wydaje się, że wszystko to ma miejsce właśnie w aksonie. Amerykanie stymulowali neuron przez 1-2 minuty. Kolejne bodźce aplikowano co 10 sekund. Neuron wyładowywał się w tym czasie, ale po zakończeniu stymulacji potencjały czynnościowe były nadal generowane przez minutę. To bardzo niezwykłe myśleć, że neuron może się wyładowywać stale pod nieobecność bodźca. To coś całkiem nowego, że komórka nerwowa integruje informacje przez długi czas, dłuższy od typowej, liczonej od milisekund po sekundę, prędkości operacyjnej neuronu. Opisany właśnie mechanizm działania neuronów może odgrywać ważną rolę zarówno w procesach prawidłowych, w tym pamięciowych, jak i chorobowych. Niewykluczone, że przetrwałe wyładowania neuronów hamujących przeciwdziałają stanom nadmiernego pobudzenia w mózgu, np. występującym podczas napadów padaczkowych. Jako pierwszy przetrwałe wyładowania zaobserwował student Mark Sheffield. Inni naukowcy zapewne także zwracali na nie uwagę, ale uznawali je za błąd w zapisie sygnałów. Gdy Sheffield stwierdził obecność potencjałów czynnościowych, poczekał, aż wszystko się uspokoi. Potem znów stymulował komórki nerwowe przez pewien okres, przestawał i obserwował pojawiające się dalej wyładowania. Spruston i Sheffield odkryli, że procesy pamięci komórkowej zachodzą w aksonach, a potencjał iglicowy jest generowany znacznie dalej niż można by się spodziewać (zamiast w pobliżu ciała neuronu powstaje bliżej końca aksonu). Po eksperymentach na pojedynczych neuronach, pobranych z hipokampów i kory nowej myszy, akademicy zaczęli pracować na grupach komórek nerwowych. Wtedy też zauważyli, że aksony komunikują się ze sobą. Stymulowano jeden neuron, a przetrwałe wyładowania występowały w innej niestymulowanej komórce. W komunikacji tej nie pośredniczyły ani dendryty, ani ciała komórek. W przyszłości trzeba będzie rozstrzygnąć, na jakiej zasadzie porozumiewają się aksony i czy jest to rzadkość, czy rozpowszechnione zjawisko.

Czemu ćwiczenia i ograniczenie kaloryczności posiłków opóźniają procesy starzenia i polepszają formę psychofizyczną? Zespół z Uniwersytetu Harvarda dowiódł, że dzieje się tak za sprawą odmłodzenia synaps nerwowo-mięśniowych, czyli połączeń między neuronami a komórkami mięśniowymi (Proceedings of the National Academy of Sciences). Studium sugeruje, że czynniki związane z trybem życia [cięcia kaloryczne i aktywność fizyczna] działają za pośrednictwem złagodzenia bądź odwrócenia degeneracji w obrębie synaps – tłumaczy Joshua Sanes. Amerykanie prowadzili eksperymenty na zmodyfikowanych genetycznie myszach, u których neurony świeciły dzięki zastosowaniu fluorescencyjnych znaczników. Okazało się, że część związanych ze starzeniem negatywnych zjawisk powodowana była przez uszkodzenie połączeń między aksonami neuronów ruchowych a kontrolowanymi przez nie mięśniami, czyli w obrębie płytek nerwowo-mięśniowych. W prawidłowej płytce zakończenia nerwowe i receptory we włóknach mięśniowych są niemal idealnie dopasowane. Kiedy jednak ludzie się starzeją, zanikają nerwy, przez co do tkanki mięśniowej przestają dochodzić impulsy (o ile początkowo połączenie nerwowo-mięśniowe stanowi spójną całość przypominającą precel, o tyle później mamy do czynienia z wiązką niepołączonych grudek). W skrajnych przypadkach prowadzi to do obumierania włókien mięśniowych i sarkopenii, czyli spadku masy mięśniowej oraz obniżenia sprawności funkcjonalnej i siły mięśni szkieletowych. Przez to starsi ludzie tracą np. równowagę, a upadając, łamią biodro, co prowadzi do całej spirali problemów zdrowotnych, a nawet śmierci. W najnowszym badaniu Sanes i Jeff Lichtman wykazali, że myszy przestawione na dietę niskokaloryczną w dużej mierze unikały uszkodzenia płytek nerwowo-mięśniowych, a u gryzoni po zaledwie jednomiesięcznym programie ćwiczeń fizycznych odnotowywano częściowe odwrócenie deterioracji. Przy ograniczeniu liczby przyjmowanych kalorii obserwowaliśmy odwrócenie wszystkich aspektów degeneracji synaps, a przy ćwiczeniach większości, lecz nie wszystkich – opowiada Sanes. Ponieważ studium realizowano wg specyficznego scenariusza – myszy przez całe życie dostawały niskokaloryczne posiłki, a gimnastykowały się zaledwie przez miesiąc pod jego koniec – nie powinno się przeciwstawiać skuteczności diety i aktywności fizycznej w opóźnianiu procesów starzenia. Niewykluczone bowiem, że dłuższy okres ćwiczeń wywołuje silniejszy efekt, co zresztą Amerykanie obecnie sprawdzają. Już teraz zespół zastanawia się, czy podobne zjawiska, co w płytkach nerwowo-mięśniowych mają miejsce w synapsach mózgowych. Sanes podkreśla, że badania jego ekipy miały charakter strukturalny, a nie funkcjonalny i tak naprawdę nie wiadomo, czy i ewentualnie jak odnowienie synaps nerwowo-mięśniowych przekłada się na ich działanie.

Procedurą kluczową dla regeneracji rdzenia kręgowego po uszkodzeniu jest jak najszybsze uszczelnienie uszkodzonych błon komórkowych neuronów. Zwykle stosuje się w tym celu dożylne iniekcje glikolu polietylenowego (PEG), lecz metoda ta ma ograniczoną skuteczność. Badacze z Purdue University wykazali jednak, że terapię z wykorzystaniem PEG można znacząco ulepszyć. Zespół magistrantki Yunzhou Shi skupił się na możliwości wykorzystania micel - dwuwarstwowych pęcherzyków zbudowanych z rdzenia zbudowanego z kwasu polimlekowego oraz powłoki złożonej z PEG. Zgodnie z założeniami kompleksy takie, nieprzekraczające rozmiaru 1/100 średnicy czerwonej krwinki, powinny posiadać "uszczelniające" właściwości glikolu, lecz być od niego znacznie mniej podatne na błyskawiczne usuwanie przez nerki i rozkład w wątrobie. Nowa metoda okazała się bardzo skuteczna. Z publikacji zaprezentowanej w czasopiśmie Nature Nanotechnology wynika bowiem, że podawanie micel szczurom pozwala na regenerację aksonów (wypustek pozwalających neuronom na komunikację z innymi komórkami) aż w 60% badanych neuronów. Dla porównania, czysty PEG radził sobie z tym zadaniem w zaledwie 18% przypadków. Bardzo istotny jest także fakt, iż do uzyskania leczniczego efektu wystarczyło podanie roztworu micel o stężeniu 100 tys. razy mniejszym(!), niż stężenie wymagane dla osiągnięcia terapeutycznego działania tradycyjnego środka. Co więcej, w dotychczasowych badaniach nie stwierdzono niekorzystnych efektów ubocznych leczenia. Aktualnie badacze z Purdue University planują przeprowadzenie dokładniejszych analiz, których zadaniem będzie ustalenie mechanizmów decydujących o przewadze micel nad tradycyjnymi roztworami. Niewykluczone, że zdobyta w ten sposób wiedza pozwoli na opracowanie jeszcze skuteczniejszych terapii urazów rdzenia kręgowego.

Dojrzewanie mózgu płodu jest zależne od stymulacji przez matkę - informują niemieccy naukowcy. Do rozwoju centralnego układu nerwowego potrzebna jest proteina przekazywana za pośrednictwem łożyska przez krew. Odkrycie było możliwe dzięki wcześniejszemu zidentyfikowaniu peptydu (tzn. struktury podobnej do białek, lecz złożonej z mniejszej liczby cząsteczek budulcowych - aminokwasów) w mózgu dojrzewającego płodu. Molekuła ta, nazwana Y-P30, ma charakter cząsteczki sygnałowej i promuje przetrwanie neuronów w części mózgu zwanej wzgórzem u dojrzewającego w macicy organizmu. Dalsze badania odkrytego związku, wykonane właśnie przez Niemców, wykazały, że jest on syntetyzowany przez jedną z populacji komórek odpornościowych matki, nie zaś przez sam płód, jak wcześniej sądzono. Po wydzieleniu do matczynej krwi jest on przekazywany do łożyska, czyli miejsca wymiany składników krwi pomiędzy matką i płodem, a następnie trafia do dojrzewającego mózgu. Jak każda substancja sygnałowa, Y-P30 oddziałuje na organizm za pośrednictwem receptora, czyli białka zdolnego do jego wykrycia. W przypadku odkrytego peptydu receptorami okazały się być dwie molekuły: należące do przestrzeni międzykomórkowej białko plejotropina oraz proteoglikany należące do grupy syndekanów, wbudowane w błonę komórkową neuronów. Dalsze badania wykazały, że Y-P30 ułatwia wzajemne wiązanie obu swoich receptorów i dopiero powstały trójelementowy kompleks promuje przetrwanie komórek wzgórza. Dotychczas wiadomo było jedynie, że syndekan i plejotropina oddziałują na siebie, lecz szczegółowy mechanizm tej interakcji nie był znany. Teraz wiemy, że połączenie trzech związków utrzymuje przy życiu komórki nerwowe, a także stymuluje powstawanie aksonów, czyli wypustek służących do komunikacji z innymi neuronami. Odkrycie Niemców może mieć niebagatelne znaczenie dla badań nad fizjologią człowieka. Być może pozwoli ono także na korygowanie niektórych wad wrodzonych związanych z nieprawidłową budową lub funkcjonowaniem układu nerwowego.

Prawa i lewa półkula mózgu specjalizują się w różnych funkcjach. Tak zwana asymetria funkcjonalna występuje zresztą nie tylko u człowieka. Zespół Stephena Wilsona z Uniwersyteckiego College'u Londyńskiego postanowił sprawdzić, czy każdą z półkul budują innego typu neurony, czy też są one identyczne, ale inaczej połączone (Neural Development). Podczas eksperymentów przyglądano się komórkom nerwowym wędzidełka (habenula). Uzyskano je od danio pręgowanych (Danio rerio). Uznaje się, że ta część ich mózgu może być dobrym modelem mózgu ludzkiego. Doprowadzono do tego, że neurony wytwarzały fluorescencyjne białka, które jarzyły się na zielono. Naukowcy zauważyli, że można wyodrębnić dwa typy neuronów wędzidełka. Oba występują zarówno w prawej, jak i lewej półkuli. O ile jednak po lewej stronie większość aksonów miała kształt uwypuklonej korony, o tyle po prawej niemal ich nie było. Zamiast tego przeważały płaskie spirale. W ten sam sposób, jak inżynier buduje różne układy z tych samych elementów podstawowych, prawa i lewa półkula mózgu używają identycznych rodzajów neuronów, by uzyskać różne kombinacje – tłumaczy obrazowo Isaac Bianco. Obwody z lewo- i prawostronnego wędzidełka (jest to twór parzysty) łączą się z tą samą częścią mózgu. Może ona kombinować przesyłane przez nie informacje lub zajmować się nimi niezależnie od siebie.

Naukowcy z Wydziału Medycyny kanadyjskiego Université Laval wyhodowali neurony z komórek macierzystych skóry dorosłego człowieka. Profesor François Berthod twierdzi, że po raz pierwszy udało się osiągnąć taki stan zróżnicowania. Wyniki jego zespołu mogą zrewolucjonizować metody leczenia chorób neurodegeneracyjnych, np. parkinsonizmu (Journal of Cellular Physiology). Skórę do eksperymentów uzyskiwano z fragmentów pozostałych po operacjach plastycznych. Z próbek tkanki ekstrahowano komórki prekursorowe neuronów, które następnie hodowano w warunkach in vitro. Skóra, jak wiadomo, nie zawiera neuronów, których ciała znajdują się w rdzeniu kręgowym. Napotyka się w niej natomiast aksony, czyli wypustki długie. Przenoszą one informacje z ciała komórki do innych neuronów albo do narządów wykonawczych. Na przekroju rdzenia widać dwie części: 1) wewnętrzną szarą w kształcie litery H (są to właśnie ciała komórek) oraz 2) zewnętrzny płaszcz z istoty białej (pęczki aksonów). Zadanie akademików nie było łatwe. Musieli wyhodować neurony z niezróżnicowanych komórek, a nie po prostu rozmnożyć neurony. Testy wykazały, że komórki macierzyste dzielą się i różnicują, gdy zapewni się im odpowiednie warunki. Stopniowo przybierają one charakterystyczny dla neuronów podłużny kształt. Na poziomie biochemicznym okazało się, że hodowane komórki zaczęły wytwarzać cząsteczki neuroprzekaźników, co świadczy o formowaniu się synapsy. Produkując neurony z własnej skóry pacjenta, zmniejsza się w znacznym stopniu ryzyko odrzucenia przeszczepu. Berthod spekuluje, że w przyszłości można by zastępować tak wyhodowaną tkanką nerwową objęte procesami chorobowymi obszary mózgu. Najpierw trzeba jednak doprowadzić do jeszcze większego zróżnicowania hodowanych komórek i udowodnić, że potrafią one przewodzić impulsy nerwowe.