Znajdź zawartość

Gdy profesor neurobiologii Dean Buonomano z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles (UCLA) zapoznał się z układem scalonym symulującym pracę synaps ludzkiego mózgu stwierdził, że reprezentowany przez chip poziom biologicznego realizmu jest zadziwiający. Naukowcy od dziesięcioleci próbują stworzyć układ scalony, który mógłby symulować ludzki mózg. Uczeni z MIT (Massachusetts Institute of Technology) dokonali olbrzymiego kroku naprzód. Zbudowali chip wykorzystujący około 400 tranzystorów, które symulują pracę pojedynczej synapsy. Każda z synaps w mózgu łączy ze sobą dwa neurony. Nasze mózgi posiadają około 100 miliardów neuronów, a każdy z nich tworzy liczne synapsy łączące go z wieloma innymi neuronami. Naturalna aktywność synaps jest zależna od kanałów jonowych, które kontrolują przepływ jonów sodu, potasu czy wapnia. Kanały te odgrywają również kluczową rolę w procesach długotrwałego wzmocnienia synaptycznego (LPT) oraz długotrwałego osłabienia synaptycznego (LTD). To pierwsze zachodzi pod wpływem krótkiego bodźca o wysokiej częstotliwości, natomiast LTD to wynik długotrwałego pobudzania niską częstotliwością. LPT i LTD są też związane, odpowiednio, z bardziej i mniej sprawnym transportem jonów. Naukowcy z MIT-u tak zaprojektowali swój układ, by tranzystory naśladowały zachowanie kanałów jonowych. Działanie poszczególnych tranzystorów jest uzależnione od potencjału płynącego prądu, tak, jak działanie kanałów jest zależne od częstotliwości sygnału. Możemy teraz naśladować każdy proces jonowy, który ma miejsce w neuronie - mówi Chi-Sang Poon, główny badacz z Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology. Już wcześniej symulowano pracę synaps, jednak nie były to symulacje oddające różnice w potencjałach. Jeśli naprawdę chcesz symulować funkcje mózgu, nie możesz ograniczyć się tylko do wysyłania sygnałów. Musisz naśladować cały proces międzykomórkowy, który opiera się na kanałach jonowych - dodaje Poon. Naukowcy z MIT-u chcą wykorzystać swój układ do symulowania konkretnych funkcji neuronów, jak np. sposobu przetwarzania obrazów. Obecnie symulacja prostych połączeń w mózgu zajmuje wydajnym komputerom całe godziny lub dni. Nowy analogowy chip będzie w stanie przetwarzać odpowiednie sygnały nawet szybciej niż prawdziwy system biologiczny. Niewykluczone też, że w przyszłości podobne układy scalone pozwolą np. na komunikację pomiędzy mózgiem a protezami, a w jeszcze bardziej odległej perspektywie staną się podstawą do stworzenia sztucznej inteligencji.

Choć z mniejszą intensywnością, gazowane napoje działają na te same receptory w jamie nosowej, co chrzan czy musztarda (Journal of Neuroscience). Nasycenie dwutlenkiem węgla wywołuje dwa odrębne wrażenia. Sprawia, że coś wydaje się kwaśne, ale i palące. Wszyscy odczuwaliśmy to nieprzyjemne mrowienie w gardle, gdy za szybko przełknęliśmy gazowany napój. My, naukowcy, nie wiedzieliśmy jednak, które komórki i jakie cząsteczki w obrębie tych komórek odpowiadają za bolesne wrażenia towarzyszące piciu napoju z bąbelkami – opowiada prof. Emily Liman z Uniwersytetu Południowej Kalifornii. Wlewając nasyconą dwutlenkiem węgla solankę do naczynia z neuronami z obwodów czuciowych nosa i ust, Amerykanie stwierdzili, że gaz aktywuje tylko jeden rodzaj komórek – komórki wykrywające również musztardę. Dochodzi w nich do ekspresji genu TRPA1, który koduje białko będące kanałem jonowym neuronów nocyceptywnych, czyli bólowych. Okazało się, że komórki pozbawione TRPA1 dużo słabiej reagowały na CO2, a gdy gen wprowadzano do komórek niewrażliwych na dwutlenek, zaczynały na niego reagować. Skoro napoje gazowane mają coś wspólnego z bólem, czemu właściwie je pijemy? Choćby dlatego, że począwszy od XIX w. (1885 r.), badania wskazywały, że nasycanie CO2 ogranicza wzrost bakterii. Poza tym dla niektórych picie wody sodowej czy oranżady mogło być (i jest?) sposobem na wykazanie się odwagą. Jeszcze inni wspominają, że mrowienie działa na nich pobudzająco, w pewnym sensie bąbelki zastępują im więc kawę. Spożywanie napojów gazowanych powoduje nie tylko mrowienie. W 2009 r. zespół Charlesa Zukera z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego i Nicholasa Ryby z Narodowych Instytutów Zdrowia wykazał, że CO2 pobudza też receptory wykrywające kwaśny smak.

Kiedy noworodki po raz pierwszy odczuwają chłód? By to sprawdzić, naukowcy zbadali myszy. Ustalili, że obwody nerwowe wyczuwające zimno stają się w pełni aktywne dopiero po około dwóch tygodniach życia. Najnowsze odkrycia akademików z Uniwersytetu Południowej Kalifornii uzupełniają wiedzę na temat reagującego na zimno oraz mentol białka receptorowego TRPM8, które w 2002 r. zostało opisane na łamach Nature przez prof. Davida McKemy'ego. W ostatniej publikacji McKemy opowiada, że układy pozwalające na odczuwanie zimna zaczynają się rozwijać już w łonie matki, ale nie dojrzewają w pełni aż do pewnego czasu po narodzinach. "Na około 3-4 dni przed porodem rozpoczyna się ekspresja białka, chociaż aksony nerwów zmierzających do rdzenia nie są całkowicie uformowane prawdopodobnie do końca 2. tygodnia życia". Jednocześnie profesor przyznaje, że to sensowne rozwiązanie i zadaje retoryczne pytanie: "Czy w macicy można by kiedykolwiek zmarznąć?". Młode myszy rodzą się za to z doskonale rozwiniętym powonieniem i dzięki temu łatwiej im znaleźć sutki i pić z nich mleko. Na razie bezpośrednie badania białka TRPM8 u ludzi nie jest jeszcze możliwe. Chociaż rozwój czuciowy myszy i ludzi jest różny (te pierwsze rodzą się np. ślepe), studium pozwala wyjaśnić biologiczne podstawy zmienionej wrażliwości na chłód u wcześniaków. W badaniu sprzed 2 lat naukowcy z Instytutu Zdrowia Dziecka Uniwersyteckiego College'u Londyńskiego odkryli, że 11-letnie dzieci, które urodziły się przedwcześnie, były mniej wrażliwe na temperaturę od maluchów urodzonych o czasie. To spójne z naszymi spostrzeżeniami, że układ [czucia zimna] nie jest w pełni rozwinięty do pewnego momentu po narodzinach, dlatego zaburzenie jego tworzenia na tym ważnym etapie może mieć długoterminowe skutki. Istnieją też inne raporty, że w modelu mysim uraz i stan zapalny w okresie prenatalnym prowadzą do zmienionej budowy odpowiednich obwodów nerwowych, a więc i wrażliwości na temperaturę. Akademicy z Uniwersytetu Południowej Kalifornii wykorzystali w eksperymentach zmodyfikowane genetycznie gryzonie, u których za każdym razem, gdy dochodziło do wytworzenia TRPM8, pojawiło się zielone fluorescencyjne świecenie. TRPM8 jest jednym z temperaturozależnych kanałów jonowych. Aktywuje się pod wpływem temperatury poniżej 22 stopni Celsjusza oraz wspomnianego wyżej mentolu. Na razie nie wiadomo, jak jedno białko może przekazywać oba wrażenia. McKemy uważa, że neurony różnią się pod względem budowy wewnętrznej, a poszczególne ich typy dostroiły się do akceptowania albo bolesnych, albo przyjemnych sygnałów o zimnie z TRPM8. Jednym z celów najnowszego studium jest zrozumienie molekularnych podstaw wrażenia, by opracować specyficzne leki przeciwbólowe, np. dla diabetyków z neuropatią, którzy zmagają się z uczuciem ekstremalnego zimna. Chcąc zrozumieć takie zjawiska jak allodynia [doznawanie bólu czy pieczenia pod wpływem bodźca niewywołującego podobnych objawów u zdrowych osób], musimy precyzyjnie namierzyć cel.

Mimo iż receptory odpowedzialne za odczuwanie drobnych wibracji są znane od lat, dokładny mechanizm ich działania pozostawał przez wiele lat niejasny. Ich zagadkę rozwiązali dopero naukowcy z Centrum Medycyny Molekularnej im. Maxa Delbrücka (MDC): dr Jing Hu oraz prof. Gary Lewin. Jak donoszą na łamach czasopisma EMBO Journal, aktywność badanego przez nich receptora jest ściśle zależna od krótkiego białkowego łącznika pomiędzy samym receptorem oraz otaczającą go macierzą pozakomórkową. Receptor analizowany przez dr. Hu i prof. Lewina należy do tzw. mechanoreceptorów związanych z kanałami jonowymi, co oznacza, że ich aktywacja przez bodźce mechaniczne prowadzi do uwolnienia jonów określonych pierwiastków w reakcji (w tym przypadku są nimi właśnie drobne wibracje wierzchnich warstw skóry). Żadne z prowadzonych dotychczas badań nie potrafiły jednak wyjaśnić, dlaczego receptor ten nie jest w stanie działać sam, co sugerowało, że jego aktywność jest zależna od innego, nieznanego wówczas czynnika. Tajemniczego towarzysza udało się odkryć dopiero teraz. Dr Hu oraz prof. Lewin zidentyfikowali niewielkie białko, którego cząsteczki są z jednej strony umocowane w ścianie kanału jonowego, z drugiej zaś - zakotwiczone w macierzy pozakomórkowej (kompleksie złożonym m.in. z pochodnych białek i wielkocząsteczkowych węglowodanów wypełniającym przestrzeń pomiędzy komórkami). Jak wykazały testy in vitro zarówno na fragmentach mysiej skóry, jak i na hodowlach neuronów, aktywność receptora wibracji ustaje całkowicie po zniszczeniu cząsteczek odkrytego białka za pomocą odpowiednio dobranego enzymu. Zdolność do wykrywania drgań powraca dopiero po 12 godzinach, które są potrzebne na wytworzenie nowych cząsteczek badanej proteiny. Wiele wskazuje na to, że obniżenie produkcji lub trwałości odkrytego białka może prowadzić m.in. do upośledzenia dotyku występującego u osób starszych. Przeprowadzone badania mogą także pomóc osobom cierpiącym na różnego rodzaju zaburzenia objawiające się nadmierną wrażliwością nawet na delikatny kontakt ciał obcych z ich skórą.

Wiele wskazuje na to, że uszkodzenia płuc związane z infekcją wirusem grypy można z łatwością ograniczyć stosując przeciwutleniacze - twierdzą badacze z University of Alabama. Opisywane związki nie niszczą co prawda wirusa w sposób bezpośredni, lecz ograniczają jego wpływ na organizm i mogą blokować niektóre objawy uboczne zakażenia. W swoim studium, prowadzonym pod kierownictwem Ahmeda Lazraka, autorzy skupili się na działaniu białka M2. Proteina ta, występująca na powierzchni cząstek wirusa grypy, ma za zadanie ułatwienie wnikania patogenu do organizmu żywiciela. Jednym z efektów jej aktywności jest upośledzenie funkcji pęcherzyków płucnych i zwiększenie się ilości płynu zalegającego we wnętrzu płuc, przez co dochodzi do osłabienia wymiany gazowej i zwiększenia ryzyka kolejnych infekcji. Badacze z Alabamy chcieli sprawdzić, czy M2 wchodzi w interakcję z wytwarzanym przez organizm człowieka kanałem sodowym - białkiem, którego zadaniem jest przenoszenie jonów sodowych z wnętrza płuc do wnętrza komórek. Wraz z jonami, na drodze osmozy, z płuc do komórek przenika woda, co zapobiega jej akumulacji w najgłębszych partiach płuc. Oba badane białka wszczepiono do wnętrza żabich jaj. Jak się okazało, M2 skutecznie blokowało działanie kanału sodowego i zapobiegało pochłanianiu przez komórkę wody. Identycznych obserwacji dokonano podczas obserwacji ludzkich komórek nabłonka płuc. Co więcej, badaczom udało się zidentyfikować fragment M2 odpowiedzialny za wywoływanie szkodliwych efektów. W ostatnim etapie projektu badacze ponownie zbadali interakcję M2 i białek ludzkich, lecz tym razem do mieszanki dodano związki o charakterze przeciwutleniaczy. Jak się okazało, obniżały one aktywność M2 aż o 70%. Może to oznaczać, że wzbogacenie diety o dodatkową porcję antyoksydantów może skutecznie blokować rozwój zakażenia wirusem grypy także w organizmie człowieka.

Biolodzy z Uniwersytetów Johnsa Hopkinsa i Hebrajskiego w Jerozolimie odkryli, że palenie kadzidła aktywuje słabo poznane kanały jonowe w mózgu. Skutkiem tego jest zanik lęku i depresji (The FASEB Journal). Naukowcy wyjaśniają, że dobroczynną substancją jest nowo odkryty octan incenzolu (ang. incensole acetate, IA). Naukowcy uważają, że wpływa on na obszary mózgu związane z emocjami i na szlaki nerwowe, na które oddziałują aktualnie stosowane leki antydepresyjne i przeciwlękowe. Mimo informacji zawartych w starożytnych tekstach, nie badano składników kadzidłowca (Boswellia carterii) pod kątem ich właściwości psychoaktywnych. Podczas badań na myszach odkryliśmy, że octan incenzolu [...] zmniejsza lęk i sprawia, że zachowanie staje się mniej depresyjne – opowiada jeden z badaczy, Raphael Mechoulam. Podczas eksperymentów na gryzoniach międzynarodowy zespół wykazał, że IA aktywował białko oznaczane symbolem TRPV3, które występuje w mózgach ssaków i odpowiada m.in. za postrzeganie ciepłoty skóry. Gdy wyhodowano myszy pozbawione tej proteiny, okazało się, że octan w żaden sposób nie wpływa na ich mózg. Gerald Weissmann, wydawca The FASEB Journal, posuwa się nawet do tego, by twierdzić, że być może Marks nie mylił się, nazywając religię opium dla ludu. Wg niego, odkrycie IA może pomóc w zrozumieniu chorób neurologicznych. Dodatkowo studium zapewnia biologiczne wyjaśnienie dla odprawianych od tysięcy lat rytuałów, które utrzymują się mimo upływu lat, odległości, [odmienności] kultury, języka i religii – palenie kadzidła rozgrzewa i poprawia nastrój. Odgrywa ważną rolę w różnych wyznaniach, m.in.: buddyzmie, islamie, judaizmie czy chrześcijaństwie. Wyizolowany z żywicy kadzidłowca octan wykazuje też inną ciekawą właściwość. Hamuje aktywację transkrypcyjnego czynnika jądrowego kappa B (ang. nuclear factor kappa B), który odgrywa ważną rolę w reakcji zapalnej. Kiedy aplikowano go myszom z urazami głowy, obserwowano m.in. zmniejszoną aktywność gleju i obniżoną ekspresję interleukiny-1β. To by wyjaśniało, czemu od stuleci żywica Boswellia carterii była stosowana jako lek przeciwzapalny i przyspieszający gojenie ran.

Naukowcy z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa przybliżyli nas o krok do zrozumienia wrażliwości na ból. Mówiąc precyzyjniej, ustalili, dlaczego nasza wrażliwość na to nieprzyjemne doznanie jest zmienna w zależności od stanu fizjologicznego. Udało się to dzięki identyfikacji genu regulującego komórkowy "czujnik temperatury". Zdolność do odczuwania gorąca oraz bólu związanego ze spożyciem pikantnych przypraw jest zależna od białka zwanego TRPV1. Ma ono charakter kanału jonowego, tzn. ma kształt zamykalnego tunelu przenikającego przez błonę komórkową (w tym wypadku jest to błona komórkowa neuronów). W przypadku podwyższenia temperatury otoczenia lub kontaktu z niektórymi substancjami odpowiedzialnymi za ostry smak (np. z obecną w pikantnych papryczkach kapsaicyną), kanał otwiera się, a jony, pełniące tutaj funkcję nośnika informacji, przepływają swobodnie pomiędzy komórką i jej otoczeniem. W efekcie następuje depolaryzacja błony, czyli częściowe wyrównanie ładunków elektrycznych po obu jej stronach. Zmiana ta jest równoważna z powstaniem impulsu elektrycznego, który jest następnie wysyłany do mózgu. Co jest jednak ciekawe, pobudliwość kanału jonowego nie jest stała. Skłoniło to naukowców do poszukiwania cząsteczki modulującej funkcję TRPV1, którą okazało się białko zwane Pirt. Aby lepiej zrozumieć działanie nowo odkrytej proteiny, naukowcy wyhodowali myszy pozbawione zdolności syntezy Pirt. Zauważono, że gryzonie takie wytrzymywały znacznie dłuższy pobyt na rozgrzanej powierzchni w porównaniu do "normalnych" zwierząt. Przeprowadzono także test, w którym jedną z łapek zwierzęcia smarowano roztworem powodującej uczucie palenia kapsaicyny. W normalnych warunkach mysz po takiej ekspozycji liże swoją kończynę, aby ją schłodzić, lecz przy braku Pirt zwierzęta nie robiły tego. Świadczy to najprawdopodobniej o tym, że myszy nie odczuwały w takiej sytuacji bólu. Co ciekawe jednak, w przypadku ekspozycji na olejek musztardowy gryzonie nie wykazywały różnic w zachowaniu niezależnie od tego, czy były zdolne do wytwarzania Pirt, czy też nie - w każdym przypadku lizały łapę, co świadczy o odczuwaniu bólu. Oznacza to, że proteina odpowiada specyficznie za reakcję neuronów na kapsaicynę. W tym momencie naukowcy byli już o krok od udowodnienia, że dokładny mechanizm działania białka Pirt polega na regulacji działania kanału jonowego TRPV1. Aby ostatecznie potwierdzić postawioną hipotezę, postanowili zbadać wielkość ładunku elektrycznego powstającego na powierzchni neuronu w odpowiedzi na ciepło lub obecność kapsaicyny. Stwierdzili dzięki temu, że brak Pirt powoduje wytwarzanie znacznie słabszego impulsu elektrycznego, co przekłada się na mniej intensywny bodziec bólowy. Okazuje się jednak, że na tym nie koniec, bo do działania tego regulatora konieczny jest jeszcze jeden składnik, zwany fosfolipidem (jest to jedna z pochodnych tłuszczów). Dokładniejsze poznanie sposobów regulacji doznań bólowych może pomóc w opracowaniu coraz doskonalszych środków przeciwbólowych, które blokowałyby wyłącznie wrażenia bólowe, nie powodując jednocześnie dodatkowych objawów ze strony układu nerwowego. Zanim to się jednak stanie, z pewnością potrzeba będzie jeszcze wielu lat i przynajmniej kilku lat eksperymentów. Szczegółowe informacje na temat eksperymentu opisano w najnowszym numerze czasopisma Cell, uznawanego za jedno z najważniejszych na świecie w tej dziedzinie.

Jeden z najstarszych znanych medycynie środków podawanych do wywołania ogólnego znieczulenia, chloroform, uchylił rąbka tajemnicy na temat swojego działania. Przez ostatnie 150 lat nie wiadomo było, na czym dokładnie polega jego usypiające działanie. Teraz, dzięki badaniom wykonanym przez dr. Yahya Bahnasiego z Uniwersytetu Leeds, dowiedzieliśmy się znacznie więcej. Do odkrycia doszło przypadkiem. Sam naukowiec wspomina: Badałem wpływ lipidów na arteriosklerozę [proces patologicznego twardnienia naczyń krwionośnych - red.]. Niektóre z tych lipidów trafiały do mnie od producenta w postaci rozpuszczonej w chloroformie. Zauważyłem, że związek ten blokował działanie białka TRPC5, co było dla mnie dużym zaskoczeniem. Proteina TRPC5 należy do grupy tzw. kanałów jonowych. Są to białka, których struktura pozwala na kontrolowane przepuszczanie jonów określonych pierwiastków do wnętrza komórki lub poza nią, w zależności od jej bieżących potrzeb. Błona otaczająca każdą komórkę jest zbudowana głównie z tłuszczów, przez co niechętnie pozwala na migrację jonów. Proces ten jest jednak potrzebny dla przeżycia komórki i utrzymania jej w kontakcie z otaczającym środowiskiem. Z tego powodu musi istnieć system sprawnego i ściśle kontrolowanego transportu jonów - właśnie na tym polu swoje zastosowanie znajdują białkowe kanały. TRPC5, zdolny do transportu jonów wapniowych, jest obecny w wielu tkankach, wliczając w to ośrodkowy układ nerwowy. Przypadkowe odkrycie właściwości chloroformu skłoniło dr. Bahnasiego do bliższego przyjrzenia się temu zagadnieniu. Dzięki serii eksperymentów dowiódł on, że wiele innych stosowanych powszechnie środków znieczulających, których mechanizm działania był dotychczas nieznany, zawdzięcza swoje właściwości blokowaniu tej samej cząsteczki. Dotyczy to zarówno leków podawanych dożylnie, jak i przyjmowanych drogą inhalacji. Naukowiec ma nadzieję, że jego odkrycie pomoże w opracowywaniu oraz analizie nowych leków stosowanych w anestezjologii. Teraz, gdy znany jest dokładny mechanizm działania tego typu preparatów, będzie to znacznie łatwiejsze, a powstające preparaty będą bezpieczniejsze dla pacjenta i skuteczniejsze. Idealnym środkiem byłby, oczywiście, taki, który wydajnie blokuje określony kanał jonowy, pozostając jednocześnie możliwie neutralny dla reszty organizmu.