Znajdź zawartość

Depresja kliniczna charakteryzuje się m.in. zaburzeniami snu, uwagi czy lękiem. Dotąd poszukiwano obszarów odpowiedzialnych za poszczególne symptomy, jednak psycholodzy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles stwierdzili, że skoro jest ich tak dużo, to może chodzi o nieprawidłowości w działaniu sieci połączeń w mózgu. I rzeczywiście - okazało się, że większość obszarów jest u chorych połączona silniej niż u przeciętnego człowieka. "Mózg musi być w stanie kontrolować działanie swoich połączeń: najpierw synchronizować, a potem desynchronizować różne rejony, aby reagować, regulować nastrój, uczyć się i rozwiązywać problemy" - tłumaczy dr Andrew Leuchter. Mózg osoby z depresją zachowuje zdolność tworzenia działających połączeń, ale traci umiejętność ich wyłączania. W studium wzięło udział 121 dorosłych ze zdiagnozowanym ciężkim zaburzeniem depresyjnym (MDD, od ang. major depressive disorder). Aby zbadać połączenia różnych części mózgu, mierzono synchronizację fal mózgowych. Choć już wcześniejsze eksperymenty wskazywały na nieprawidłowe połączenia w mózgach osób z depresją, naukowcy z Los Angeles posłużyli się nową metodą, zwaną ważoną analizą sieci. Dzięki temu mogli przyjrzeć się wszystkim połączeniom. Okazało się, że dla chorych typowa jest podwyższona synchronizacja w obrębie wszystkich częstotliwości aktywności elektrycznej. Wskazuje to na dysfunkcję wielu sieci mózgowych. Niektóre z nich regulują wydzielanie serotoniny i innych neuroprzekaźników wpływających na nastrój. Rejonem mózgu z najsilniej zaznaczoną obecnością nieprawidłowych połączeń była kora przedczołowa, silnie zaangażowana w regulację nastroju i rozwiązywanie problemów. Kiedy mózg traci plastyczność kontroli połączeń, może nie być w stanie dostosować się do zmiany. Leuchter zaznacza, że teraz trzeba odpowiedzieć na pytanie, do jakiego stopnia anormalne rytmy mózgowe napędzają nieprawidłową chemię mózgu? Wiedzieliśmy od jakiegoś czasu, że antydepresanty zmieniają rytmy mózgowe i że w tym samym czasie zmienia się stężenie różnych substancji, np. serotoniny. Niewykluczone zatem, że pierwszym skutkiem leczenia jest naprawienie połączeń i że normalizowanie [działania] ich sieci to kluczowy etap rekonwalescencji. Zagadnieniu temu poświęcimy kolejny etap badań.

Komórki gleju pełnią wiele różnych funkcji, m.in. stanowią zrąb dla neuronów mózgu, chronią je, odżywiają czy współtworzą barierę krew-mózg. Teraz okazało się, że nie są zwykłym klejem (ich nazwa pochodzi od gr. glia - klej), ale w znacznym stopniu odpowiadają za plastyczność mózgu. Wpływają na działanie synaps i w ten sposób pomagają segregować informacje potrzebne do uczenia. Komórki gleju są jak nadzorcy. Regulując synapsy, kontrolują przepływ danych między neuronami i oddziałują na przetwarzanie informacji oraz proces uczenia - tłumaczy Maurizio De Pittà, doktorant z Uniwersytetu w Tel Awiwie. Opiekunem naukowym De Pitty był prof. Eshel Ben-Jacob. Współpracując z kolegami z USA i Francji, student stworzył pierwszy na świecie model komputerowy, uwzględniający wpływ gleju na synaptyczny transfer danych. De Pittà i inni domyślali się, że glej może odgrywać ważną rolę w pamięci i uczeniu, ponieważ tworzące go komórki występują licznie zarówno w hipokampie, jak i korze mózgowej. Na każdy neuron przypada tam od 2 do 5 komórek gleju. Aby potwierdzić swoje przypuszczenia, naukowcy zbudowali model, który uwzględniał wyniki wcześniejszych badań eksperymentalnych. Wiadomości przesyłane w sieciach mózgu powstają w neuronach, ale glej działa jak moderator decydujący, które informacje zostaną przesłane i kiedy. Może albo wywołać przepływ informacji, albo zwolnić aktywność synaps, gdy staną się nadmiernie pobudzone. Jak nadmienia prof. Ben-Jacob, wygląda na to, że glej jest dyrygentem, który dąży do optymalnego działania mózgu. Wbrew pozorom, przydatność modelu De Pitty nie ogranicza się wyłącznie do lepszego zdefiniowania funkcji gleju, ponieważ może zostać wykorzystany np. w mikrochipach, które naśladują sieci występujące w mózgu czy podczas badań nad padaczką i chorobą Alzheimera. W przypadku epilepsji glej wydaje się nie spełniać funkcji modulujących, a w przebiegu demencji nie pobudza przekazywania danych.

Cząsteczka SynCAM 1 rozciąga się w poprzek synapsy. Stanowi coś w rodzaju kleju łączącego komórki i wpływa na uczenie. Ponieważ stan i budowa synaps mają wielki wpływ na szereg chorób i zaburzeń, naukowcy z Uniwersytetu Yale liczą na to, że dzięki ich odkryciu powstaną nowe metody terapii choćby alzheimeryzmu czy autyzmu. Dywagowaliśmy, że cząsteczka [synCAM 1] może sprzyjać tworzeniu nowych synaps w rozwijającym się mózgu, ale byliśmy zaskoczeni, widząc, że wpływa również na podtrzymanie funkcji tych struktur. Teraz potrafimy zdefiniować, jak molekuła wspiera zdolność mózgu do tworzenia sieci połączeń – opowiada profesor Thomas Biederer. Analizując działanie nerwowej cząsteczki adhezyjnej SynCAM 1, Amerykanie zauważyli, że gdy u myszy aktywowano gen SynCAM 1, powstawało więcej synaps, z kolei gryzonie w ogóle pozbawione tej cząsteczki wytwarzały mniej synaps. Biederer i współpracownicy ustalili, że myszy z dużymi ilościami SynCAM 1 nie są w stanie się uczyć, podczas gdy osobniki z brakiem SynCAM 1 i mniejszą liczbą synaps radzą sobie lepiej od nich. Najwyraźniej nadmiar tej molekuły może działać uszkadzająco. Odkrycie stanowi poparcie dla ostatnich teorii, zgodnie z którymi dysponowanie zbyt dużą liczbą połączeń nie zawsze jest lepsze, a zrównoważona aktywność synaptyczna jest kluczowa dla właściwego uczenia i zapamiętywania. Synapsy są dynamicznymi strukturami. Wydaje się, że SynCAM 1 spaja je; niektóre z tych cząsteczek są potrzebne do nawiązania kontaktu, ale zbyt duża ilość zapycha synapsę i hamuje jej działanie. Molekuła może działać trochę jak rzeźbiarz, pomagający nadać synapsom ich kształt. Biederer podkreśla, że nerwowa cząsteczka adhezyjna jest u myszy i ludzi prawie identyczna, co sugeruje, iż spełnia tę samą rolę w mózgach obu gatunków.

Pier Vincenzo Piazza i Olivier Manzoni z Neurocentre Magendie w Bordeaux proponują nowy model uzależnienia od narkotyków – trwały zanik plastyczności synaptycznej w kluczowych rejonach mózgu. Wyniki Francuzów podają w wątpliwość obowiązującą dotąd teorię, że uzależnienie stanowi skutek patologicznych zmian w mózgowiu, do których dochodzi stopniowo w okresie zażywania substancji psychoaktywnej. Piazza i inni sugerują zaś, że uzależnienie to efekt pewnej formy anaplastyczności - niezdolności narkomanów do przeciwdziałania patologicznym modyfikacjom wywoływanym przez narkotyk u wszystkich sięgających po niego osób. W przeszłości długo zakładano, że uzależnienie występuje tylko u ludzi i ma związek ze strukturą społeczną naszego gatunku. W 2004 r. Piazza wykazał, że zachowania spełniające kryteria ludzkiego uzależnienia występują również u szczurów, które same aplikują sobie kokainę. Dość szybko wyszły na jaw uderzające podobieństwa, m.in. fakt, że tak jak u Homo sapiens, tylko u niektórych sięgających po używkę gryzoni następuje uzależnienie. Ostatnio połączony zespół Piazzy i Oliviera Manzoniego doniósł o odkryciu pierwszego biologicznego mechanizmu przejścia od regularnego, ale kontrolowanego zażywania narkotyków do uzależnienia od kokainy. Akademikom zależało na wskazaniu zmian w fizjologii mózgu, które odpowiadają za rozwój uzależnienia. Dysponując taką wiedzą, można by bowiem opracować skuteczne metody terapii. Model z Bordeaux pozwalał porównywać w różnych momentach czasowych zwierzęta zażywające identyczne ilości narkotyku, z których tylko kilka się uzależniło. Stwierdzono, że u szczurów uzależnionych od kokainy doszło do trwałej utraty pewnego rodzaju plastyczności – długotrwałego osłabienia synaptycznego (ang. long term depression, LTD). LTD leży u podłoża tzw. pamięci komórkowej. Impuls o odpowiednio dużej sile zmienia działanie synapsy w taki sposób, że neurony docelowe zareagują na przyszłe pobudzenie słabiej. Przeciwieństwem LTD jest długotrwałe wzmocnienie synaptyczne (ang. long-term potentiation, LTP). W tym przypadku komórki nerwowe zaczynają silniej reagować na bodźce następujące po pierwotnej stymulacji. Po krótkim okresie zażywania kokainy nie dochodzi do zmodyfikowania LTD, po długim znaczące deficyty pojawiają się już u wszystkich. Bez tej formy plastyczności zachowanie podlega coraz silniejszemu usztywnieniu, co sprzyja wystąpieniu reakcji kompulsywnych. Na szczęście mózg większości ludzi jest w stanie uruchomić mechanizmy biologicznego przeciwdziałania skutkom zażywania narkotyku. Dzięki temu odzyskują oni prawidłową zdolność generowania długotrwałego osłabienia synaptycznego. Niestety, uzależnieni nie dysponują podobnymi możliwościami, dlatego deficyt w zakresie LTD staje się przewlekły. Francuzi uważają, że to wyjaśnia oporność uzależnienia na ograniczenia środowiskowe, w tym sankcje prawne czy skutki uboczne nałogu.

Nauka wykonywania skomplikowanych zadań wzrokowo-ruchowych, takich jak żonglowanie, zmienia architekturę mózgu, a konkretnie istoty białej, wpływając na usprawnienie komunikacji między różnymi rejonami mózgu. Daje to nadzieję na opracowanie skutecznej terapii dla ludzi z uszkodzeniami mózgu (Nature Neuroscience). Wcześniejsze badania dotyczące żonglowania koncentrowały się na istocie szarej (skupiskach ciał neuronów), a nie na białej (skupiskach wypustek nerwowych – aksonów i dendrytów), tymczasem zespół Jana Scholza z Uniwersytetu Oksfordzkiego stwierdził, że zwykłe manipulowanie zaledwie trzema piłeczkami zwiększa objętość tej ostatniej aż o 5%. Brytyjczycy zebrali zespół 24 młodych i zdrowych ochotników (kobiet i mężczyzn). Wszyscy przeszli 6-tygodniowe przeszkolenie, po którym umieli wykonać co najmniej 2 cykle kaskady z wykorzystaniem 3 piłek. W okresie tym adeptów zachęcano też do samodzielnego trenowania po pół godziny dziennie. Przed i po rozpoczęciu nauki zbadano ich za pomocą obrazowania tensora dyfuzji (DTI), czyli metodą pozwalającą ocenić strukturalne zmiany w istocie białej mózgu poprzez obserwację ruchów dyfuzyjnych cząsteczek wody. Identyczne badania wykonano u 24 osób z grupy kontrolnej, które nie uczyły się żonglować. Naukowcy odkryli, że w mózgach nieżonglujących nic się nie zmieniło, lecz u ochotników ćwiczących podrzucanie piłeczek zwiększyła się ilość istoty białej w bruździe śródciemieniowej - części płata ciemieniowego, która odpowiada za połączenie tego, co widzimy, z tym, jak się ruszamy. Identyczną przemianę zauważono u wszystkich żonglerów, bez względu na to, jak dobrze nauczyli się to robić. Akademicy sądzą, że na rozwój mózgu wpływa zatem sam proces uczenia, a nie osiągnięcia. Ekipa Scholza zaobserwowała także wzrost ilości istoty szarej, ale różnice w przyroście i "czasowaniu" sugerują, że zmiany dotyczące substancji białej i szarej są od siebie niezależne. By nauczyć się żonglować, konieczne są jednak i jedne, i drugie. Więcej istoty białej pozwala szybciej się poruszać, lecz potrzebujemy też istoty szarej, żeby się upewnić, że dłonie znajdują się we właściwym miejscu. Brytyjczycy zeskanowali mózgi żonglujących po miesięcznej przerwie. Stwierdzili, że ilość istoty białej się nie zmieniła, a szarej nawet wzrosła. Wg Scholza, to dlatego nie zapominamy raz wyuczonej umiejętności. Naukowiec ma nadzieję, że ustalenia jego zespołu pozwolą opracować wykorzystujące żonglowanie programy terapeutyczne dla pacjentów z uszkodzeniami mózgu lub że w przyszłości uda się opisać mechanizm, za pośrednictwem którego żonglerka zmienia mózg. Wtedy leki wzmagające plastyczność mózgu stałyby się rzeczywistością.

Gdy zawodnicy i fani jakiejś dziedziny sportu słyszą rozmowę na jej temat, aktywuje się część mózgu odpowiedzialna za planowanie i kontrolowanie określonych ruchów (Proceedings of the National Academy of Sciences). Sian Beilock, psycholog z Uniwersytetu w Chicago, wyjaśnia, że szczególne zainteresowanie, dajmy na to, piłką nożną albo krykietem poprawia zdolności językowe związane z tą działką ludzkiej aktywności, ponieważ w czasie dyskusji obszary mózgu odpowiedzialne w zwykłych okolicznościach za ruch w czasie gry (motoryczne) pozwalają lepiej zrozumieć język ulubionego sportu. Co więcej, zmiana funkcji tego rejonu zachodzi nawet wtedy, gdy przysłuchujący się relacji sam nie ma zamiaru się ruszać. Amerykanie prowadzili eksperymenty z 12 hokeistami, 8 fanami tej dziedziny sportu i 9 osobami, które nigdy nie widziały rozgrywek. Swobodne żonglowanie funkcją danego obszaru oznacza, że dorosły mózg jest bardziej elastyczny niż do tej pory sądzono. Wykazaliśmy, że działania niezwiązane z językiem, takie jak gra lub oglądanie programów sportowych, nasilają zdolność danej osoby do zrozumienia języka typowego dla jej ulubionej dziedziny [...]. Wywierały one trwały efekt poprzez zmiany w sieciach neuronalnych: ścieżki związane ze zrozumieniem łączyły się z obszarami aktywnymi podczas uprawiania sportu. Beilock uważa, że odkrycie jej zespołu ma duże znaczenie dla procesu uczenia. Angażując się w działanie, można będzie zwiększyć rozumienie językowe dotyczące opanowywanego materiału. Podczas eksperymentu 29 ochotników słuchało zdań związanych z hokejem (strzałami na bramkę, obroną itp.) i codziennymi czynnościami (dzwonieniem do drzwi, zamiataniem podłogi itp.). W tym czasie wykonywano im funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI). Potem wszyscy badani wypełniali testy, które pozwalały ocenić zrozumienie zasłyszanych zdań. Wolontariusze nie różnili się pod względem rozumienia opisów powszednich czynności, ale zagorzali fani hokeju i gracze dużo lepiej wychwytywali sens zdań dotyczących sportu. Jak wykazały skany, nie chodziło tu wyłącznie o obycie ze słownictwem i zasadami, lecz głównie o plastyczność mózgu...

Doświadczenia wielu osób dowodzą, że aby lepiej opanować pewne czynności, należy je wielokrotnie powtarzać. Jednocześnie z badań nad synapsami łączącymi neurony wynika, iż powtarzanie tych samych bodźców osłabia odpowiedź na nie. Badacze z Carnegie Mellon University oraz Instytutu Maxa Plancka odkryli mechanizm, za pomocą którego można wyjaśnić wspomniany paradoks. Opisują oni mechanizm leżący u podstaw tzw. plastyczności synaptycznej, o której już wiadomo, że ma związek z procesami uczenia się i zapamiętywania. Okazało się, że do zainicjowania plastyczności oraz w początkowej fazie nauki niezbędne są sprawne receptory NMDA (N-metyl-D-asparaginowe). Jednak po pewnym czasie zmieniają one swój charakter i zaczynają osłabiać zdolność do dalszego zapamiętywania. Po serii eksperymentów naukowcy odkryli, że w korze mózgu działa też drugi, wolniejszy mechanizm, bazujący na mGlu (metabotropowych receptorach glutaminianu). Właśnie tutaj przydaje się wielokrotne powtarzanie ćwiczeń czy treści do zapamiętania. Proces ten jest uruchamiany już po uaktywnieniu przez NMDA. Gdy podczas badań blokowano działanie poszczególnych receptorów okazało się, że zablokowanie NMDA już po rozpoczęciu nauki poprawia skuteczność tego procesu, a mGlu - zatrzymuje go. Także zablokowanie NMDA przed uczeniem się spowoduje, że mózg nie przyswoi zbyt wielu nowych umiejętności. Choć badania przeprowadzono na zmodyfikowanych genetycznie myszach, naukowcy uważają, że ich praca nie tylko pomoże zrozumieć mechanizmy uczenia się w mózgu człowieka, ale też choroby upośledzające pamięć i zdolność do nauki, np. chorobę Alzheimera.