Zdaniem wrocławskich naukowców przez dziesięciolecia naukowcy koncentrowali się przede wszystkim na połączeniach pobudzających, uznając zachodzące w nich zmiany za podstawę uczenia się i zapamiętywania. Synapsy hamujące traktowano natomiast głównie jako mechanizm zabezpieczający mózg przed nadmierną aktywnością.

„Hamowanie to druga strona medalu aktywności mózgu. Większość neuronów działa pobudzająco, ale ich aktywność musi być precyzyjnie regulowana. Co więcej, połączenia między neuronami nie są dane raz na zawsze. Te, które ze sobą współpracują, mogą się wzmacniać, inne słabnąć, a cała sieć nieustannie dostosowuje się do napływających informacji” - wyjaśnił, cytowany w komunikacie, przesłanym we wtorek przez uczelnię, prof. Jerzy Mozrzymas, kierownik Katedry i Zakładu Biofizyki i Neurobiologii Uniwersytetu Medycznego we Wrocławiu. 

Dzieci mają znacznie więcej synaps niż dorośli, a jednak dojrzała sieć neuronalna, mimo mniejszej liczby połączeń, działa sprawniej. Zjawisko to nazywane jest plastycznością synaptyczną. Dzięki niemu mózg może zmieniać sposób przetwarzania informacji pod wpływem doświadczeń. Właśnie mechanizmy plastyczności synaps hamujących są przedmiotem dwóch projektów OPUS, finansowanych przez Narodowe Centrum Nauki i realizowanych w Katedrze i Zakładzie Biofizyki i Neurobiologii UMW – napisano w komunikacie.

Jednym z głównych obszarów zainteresowania naukowców jest hipokamp - struktura mózgu odgrywająca kluczową rolę w uczeniu się i pamięci, zwłaszcza przestrzennej. Występuje w nim wiele rodzajów neuronów hamujących, różniących się sposobem działania oraz funkcją w sieci neuronalnej. W samym tylko obszarze hipokampa wyróżnia się ponad 20 typów takich komórek.

Neurony te wykorzystują do komunikacji między innymi neuroprzekaźnik GABA, który najczęściej ogranicza aktywność innych komórek nerwowych. Tworzone przez nie połączenia nazywa się synapsami GABAergicznymi.

„Przez wiele lat uważano, że główną rolę w plastyczności mózgu odgrywają synapsy pobudzające, których jest znacznie więcej. Dopiero od około dwóch dekad wiemy, że również hamowanie może podlegać długotrwałym zmianom. Co ciekawe, zmieniać może się nie tylko siła pojedynczych połączeń hamujących, ale również stały poziom hamowania całych sieci neuronów. Wygląda na to, że w mózgu niemal wszystko jest plastyczne. Dzięki temu potrafimy nie tylko przyswajać nowe informacje, ale też dokładać je do tego, co już wiemy, i tworzyć coraz bogatszy obraz świata” - powiedział prof. Mozrzymas.

Ważną częścią projektu jest także zrozumienie, w jaki sposób zmiany zachodzące w synapsach zostają utrwalone. Żeby zmiana w działaniu połączenia nerwowego mogła się utrwalić, potrzebne są odpowiednie mechanizmy molekularne 

„W naszych badaniach wykazaliśmy, że farmakologiczne ograniczenie syntezy białek upośledza plastyczność. To jeden z ważnych wyników projektu, który pozwala nam lepiej rozumieć, jak zmiany w komunikacji między neuronami mogą być podtrzymywane w czasie” - powiedział prof. Mozrzymas.

Drugi projekt, kierowany przez dr. Grzegorza Wierę, prof. UMW, dotyczy mechanizmu, który pozwala mózgowi łączyć informacje napływające w odstępach kilku sekund. Choć wydaje się to bardzo krótkim czasem, z punktu widzenia komunikacji między neuronami jest to ogromna różnica. Sygnały w synapsach przekazywane są bowiem w czasie liczonym nawet w milisekundach.

Tymczasem doświadczenia osoby nie składają się z pojedynczych, idealnie zsynchronizowanych impulsów. Kiedy poznajemy nowe otoczenie, kolejne informacje docierają do mózgu jedna po drugiej. Muszą jednak zostać połączone w spójne wspomnienie.

„Kiedy wchodzimy do nieznanego pomieszczenia, nasz mózg potrafi w ciągu zaledwie kilku sekund stworzyć jego mapę przestrzenną. Później możemy ją przywołać z pamięci. W tym krótkim czasie zmienia się aktywność całych grup neuronów, a w połączeniach między nimi zachodzą zmiany, które pozwalają zapisać nowe doświadczenie. Wiemy już sporo o tym, jak powstaje taka reprezentacja przestrzeni na poziomie komórek. Nas interesuje, co dokładnie dzieje się wtedy w synapsach, zwłaszcza tych odpowiedzialnych za hamowanie” - powiedział dr Wiera.

Badany mechanizm nosi nazwę plastyczności w behawioralnej skali czasu (BTSP). Pozwala on zmienić siłę połączenia między neuronami, które były aktywne nawet kilka sekund przed określonym zdarzeniem lub po nim. Dzięki temu mózg może powiązać ze sobą informacje rozdzielone w czasie, ale należące do jednego doświadczenia.

Mechanizm ten wiąże się między innymi z powstawaniem tzw. komórek miejsca w hipokampie. Są to neurony, których aktywność odpowiada określonym lokalizacjom w przestrzeni. Umożliwiają one mózgowi tworzenie wewnętrznej reprezentacji otoczenia, pomocnej w orientacji i zapamiętywaniu miejsc. 

Badania zespołu UMW łączą więc dwa nagrodzone Noblem obszary: wykorzystują optogenetykę, by sprawdzić, jak powstają mapy przestrzeni, nasz „wewnętrzny GPS” mózgu, za którego odkrycie przyznano nagrodę Nobla dekadę wcześniej.

Dotychczas BTSP badano przede wszystkim w synapsach pobudzających. Zespół dr. Wiery chce sprawdzić, jak na takie zmiany reagują sąsiednie połączenia hamujące. Celem jest wyjaśnienie mechanizmów, które dotychczas pozostawały poza głównym nurtem badań nad plastycznością w behawioralnej skali czasu.

W obu projektach naukowcy wykorzystują optogenetykę, stosowaną w laboratorium UMW od blisko pięciu lat. Pozwala ona precyzyjnie wybierać i pobudzać określone typy neuronów, co ma szczególne znaczenie w badaniach nad hamowaniem.

Badania prowadzone są między innymi na skrawkach mózgów myszy zmodyfikowanych genetycznie. Ich wybrane typy neuronów zawierają białka wrażliwe na światło. Skrawki utrzymywane są w sztucznym płynie mózgowo-rdzeniowym, dzięki któremu komórki nerwowe pozostają aktywne i mogą przekazywać sygnały.

„Optogenetyka daje nam coś w rodzaju bardzo precyzyjnego włącznika. Możemy wybrać konkretny rodzaj neuronów, pobudzić go światłem i obserwować, co dzieje się w połączeniach z innymi komórkami. To ogromna przewaga, bo mózg jest siecią miliardów neuronów, które nieustannie się ze sobą komunikują. Dzięki tej metodzie możemy sprawdzić, jaką rolę odgrywa jeden wybrany uczestnik tej skomplikowanej współpracy” - – wyjaśnił prof. Mozrzymas.

Plastyczność mózgu nie jest wyłącznie zagadnieniem laboratoryjnym. To dzięki niej zdobywamy nowe umiejętności, zapamiętujemy doświadczenia i dostosowujemy się do zmieniającego się otoczenia. Wiedza o mechanizmach jej działania pomaga również zrozumieć, dlaczego pewne warunki sprzyjają uczeniu się bardziej niż inne.

„Jednym z najważniejszych czynników jest powtarzanie. Mamy stosunkowo niewiele rodzajów pamięci, które mogą powstać po jednorazowym zetknięciu z informacją. Najczęściej potrzebujemy powtórzeń, aby odpowiednie zmiany w połączeniach między neuronami mogły się utrwalić” - tłumaczył dr Wiera.

Bardzo ważny jest także sen. W jego głębokich fazach odtwarzane są pewne wzorce aktywności neuronów, co sprzyja utrwalaniu śladów pamięciowych. Dlatego sen nie jest przerwą w procesie uczenia się, lecz jednym z jego istotnych elementów.

Na plastyczność mózgu wpływa również aktywność fizyczna. Ruch sprzyja procesom, dzięki którym sieci neuronalne mogą dostosowywać się do nowych doświadczeń. Znaczenie mają także nowe bodźce i emocje towarzyszące zdobywaniu wiedzy.

„Kiedy spotyka nas coś nowego, nieoczekiwanego lub ekscytującego, aktywuje się między innymi układ dopaminowy. Dopamina może zwiększać podatność określonych obszarów mózgu na zmiany, a więc sprzyjać uczeniu się” - powiedział dr Wiera. 

Zdolność mózgu do zmian ma jeszcze inne znaczenie. Plastyczność daje nadzieję, że nawet po utracie części funkcji układu nerwowego możliwe jest przynajmniej częściowe ich odzyskanie - dzięki reorganizacji istniejących połączeń. Nie jest to proces nieograniczony, ale stanowi jeden z fundamentów współczesnego rozumienia uczenia się i rehabilitacji neurologicznej.

Hamowanie aktywności neuronów od dawna ma jednak ogromne znaczenie w medycynie. Zaburzenie równowagi między pobudzaniem a hamowaniem jest jednym z mechanizmów prowadzących do napadów padaczkowych. Z kolei na układy odpowiedzialne za hamowanie działają liczne leki, między innymi uspokajające, nasenne i stosowane w znieczuleniu ogólnym.

Choć współczesna neurobiologia pozwala coraz precyzyjniej badać pojedyncze neurony i ich połączenia, wciąż daleko do pełnego zrozumienia pracy mózgu.

„Sukcesy współczesnej neurobiologii mogą wprawić nas w nieuprawniony optymizm na temat naszej wiedzy o mózgu. Tymczasem wciąż więcej nie wiemy, niż wiemy. Coraz lepiej rozumiemy podstawowe mechanizmy jego działania, ale nadal nie potrafimy wyjaśnić, w jaki sposób powstają nasze wyższe funkcje poznawcze, a przede wszystkim, czym jest samoświadomość. Neurobiologia robi ogromne postępy, jednak do pełnego zrozumienia mózgu wciąż przed nami bardzo długa droga. Najciekawsze odkrycia mogą być jeszcze przed nami” - – podsumował prof. Mozrzymas. (PAP)

Nauka w Polsce

ros/ zan/