Jak zrozumieć mózg? Ewolucja, różnice między płciami i przełomowe badania

Czy mózg jest jak komputer? Ta metafora wprawdzie zrobiła wielką karierę w filozofii i nauce, ale dziś wiemy, że nie jest doskonała. Naszych mózgów nie da się opisać  tak łatwo jak komputery.

Porównanie mózgu do skonstruowanych przez nas maszyn pozwala jednak przynajmniej uchwycić pewną skalę. Największy na świecie instrument naukowy – europejski Wielki Zderzacz Hadronów – generuje kilkanaście petabajtów danych na rok (petabajt to jedynka z 15 zerami). Na nasz mózg składa się około 80-90 miliardów neuronów, z których każdy tworzy połączenia z nawet dziesiątkami tysięcy innych komórek nerwowych. Daje to łącznie nawet biliard połączeń, nazywanych synapsami, którymi w każdej sekundzie płynie morze sygnałów pobudzających lub hamujących inne neurony. 

Co więcej, każda pojedyncza synapsa zawiera różne przełączniki molekularne. Istnieją synapsy, które działają jak wtyczka i gniazdko (tzw. synapsy elektryczne), ale też takie (synapsy chemiczne), które do przekazywania sygnałów używają związków chemicznych (tzw. neuroprzekaźników i neuropeptydów). Jedna synapsa chemiczna może korzystać z więcej niż jednej takiej substancji. Gdyby spojrzeć na mózg jak na układ elektryczny, to pojedyncza synapsa nie jest równoważna tranzystorowi – byłaby raczej całą grupą tranzystorów.

Aby jeszcze bardziej skomplikować sprawę: nie wszystkie neurony są sobie równe. Naukowcy wciąż nie wiedzą, ile różnych rodzajów neuronów posiadamy, ale prawdopodobnie są ich przynajmniej setki. I dopiero zaczynamy zagłębiać się w całe bogactwo ich różnorodności. 

Trzeba też pamiętać, że mózg to nie tylko neurony. Zawiera również wiele naczyń krwionośnych i całą klasę zróżnicowanych komórek określanych jako glej, z których sporo jest jeszcze słabiej poznanych niż neurony.

Co robią komórki glejowe w mózgu

Ponieważ komórki glejowe nie przewodzą sygnałów elektrycznych, w nauce długo traktowano je jako obywateli mózgu drugiej kategorii. Uważano, że ich funkcja jest jedynie podtrzymująca: istnieją po to, by wspierać to, co w naszym mózgu jest najważniejsze – neurony – poprzez pomaganie w ich odżywianiu czy ochronie. Dziś ten pogląd nieco się zmienia.

Znamy już wiele podtypów komórek glejowych, w tym: astrocyty, oligodendrocyty i mikroglej, z których każdy specjalizuje się w określonej funkcji. Astrocyty to komórki o kształcie gwiazdy, które utrzymują środowisko pracy neuronu. Robią to poprzez kontrolowanie poziomu neuroprzekaźników wokół synaps, regulowanie stężeń ważnych jonów, np. potasowych (również mających znaczenie dla rozchodzenia się sygnałów w mózgu) oraz zapewnianie wsparcia metabolicznego.

Bardzo aktywnie bada się dziś także to, jak astrocyty wpływają na komunikację neuronów. Ponieważ mają one zdolność wykrywania poziomu neuroprzekaźników w synapsach i mogą reagować, uwalniając cząsteczki, które bezpośrednio wpływają na aktywność neuronalną, astrocyty są coraz częściej uznawane za element połączeń synaptycznych, który może wpływać na sposób przetwarzania informacji w sieciach neuronów.

Mikroglej to z kolei komórki odpornościowe mózgu, chroniące go przed urazami i chorobami. Rozpoznają one, kiedy coś poszło nie tak, i inicjują reakcję, która usuwa czynnik toksyczny lub martwe komórki. Nieodpowiednie działanie tych komórek może mieć znaczenie w niektórych chorobach neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera. Istnieją dowody na to, że nadmiernie aktywny mikroglej prowadzi do powstawania stanów zapalnych, których efektem może być gromadzenie się w mózgu charakterystycznych dla choroby Alzheimera toksycznych złogów białek (blaszek amyloidowych i splątków neurofibrylarnych). 

Wreszcie, najnowsze badania pokazują, że mikroglej odgrywa rolę w dojrzewaniu mózgu. W toku naszego rozwoju powstaje w mózgu znacznie więcej synaps, niż jest to potrzebne, a przeżywają tylko te najsilniejsze i najważniejsze. Mikroglej bezpośrednio przyczynia się do tego procesu „przycinania” synaps, w największym stopniu występującego w dzieciństwie.

Wyższy poziom rozumienia mózgu

O tym, jak z grubsza wygląda budowa mózgu w skali mikroskopowej, nauka wie od końca XIX w., gdy swoje pionierskie prace prowadził hiszpański anatom Santiago Ramón y Cajal, uznawany za odkrywcę neuronów i jednego z ojców współczesnej neurobiologii. 

Współcześni neurobiolodzy dysponują całą masą narzędzi, za pomocą których mogą badać aktywność pojedynczych neuronów i całych ich sieci, a także sterować ich zachowaniem. Możemy także podglądać cały mózg w działaniu, za pomocą takich technik jak funkcjonalne obrazowanie rezonansem magnetycznym (fMRI) czy magnetoencefalografia (MEG) – dzięki nim dowiadujemy się, jakie sieci neuronów aktywują się, gdy osoba wykonuje jakieś zadanie lub po prostu o czymś myśli.

By wejść na jeszcze wyższy poziom w rozumieniu mózgu, w XXI w. sfinansowano kilka szeroko zakrojonych projektów, których celem było stworzenie jak najbardziej dokładnych map mózgowych połączeń, neuronalnych struktur i ich aktywności. 

Jednym z takich przedsięwzięć była inicjatywa BAM (Brain Activity Map), której celem było „nagranie” aktywności każdego neuronu w wybranym obszarze mózgu w czasie rzeczywistym. Inne przedsięwzięcie – flagowa inicjatywa Komisji Europejskiej z lat 2013-2023 – czyli Human Brain Project, miało „rozkodować” cały mózg tak samo, jak Human Genome Project pomógł nam na początku XX w. zidentyfikować kompletny zestaw ludzkich genów. 

Owocem projektu HBP jest zestaw narzędzi badawczych i imponujący atlas mózgu nazwany EBRAINS, który pozwala poruszać się po mózgu w różnych skalach niczym po aplikacji Google Earth. Tym jednak, co najlepiej ilustrują tego typu wielkie projekty, jest zwykle fakt, że całej złożoności mózgu nie da się poznać w dekadę, a ich pomysłodawcy często przesadzają z optymizmem.

W odkrywaniu tej złożoności czasem trzeba się poruszać milimetr po milimetrze – dosłownie. Dwa lata temu zespół pod kierunkiem dr. Alexandra Shapsona-Coe, z Centrum Badań nad Ludzkim Mózgiem na Uniwersytecie Harvarda, odtworzył pełną strukturę… milimetra sześciennego ludzkiej kory – najbardziej zewnętrznej struktury mózgu – w płacie skroniowym.

Zespół zrekonstruował tysiące neuronów, ponad sto milionów synaps oraz wszystkie inne elementy tkanek tworzące materię ludzkiego mózgu, w tym komórki glejowe i układ naczyniowy krwi.

Analiza wykazała, że komórki glejowe dwukrotnie przewyższają liczbowo neurony, a oligodendrocyty – typ gleju odpowiedzialny za tworzenie warstwy izolacyjnej mózgowego „okablowania” (tzw. osłonek mielinowych) – są najczęstszymi komórkami w tkance. Autorzy badań odkryli też nierozpoznaną wcześniej klasę neuronów w głębokich warstwach kory oraz istnienie bardzo silnych i rzadkich połączeń multisynaptycznych między neuronami. 

Tożsamość komórki

Celem jeszcze innego konsorcjum – BRAIN Initiative Cell Atlas Network (BICAN) – było uwzględnienie ważnego czynnika w różnicowaniu się komórek mózgowych: czasu. Badania koncentrowały się na dynamicznej naturze ekspresji genów i tożsamości komórek w rozwoju mózgu człowieka. Przypomnijmy: choć każda komórka w naszym ciele posiada ten sam zestaw genów, odziedziczony z pojedynczej, zapłodnionej komórki jajowej, z której powstały wszystkie komórki naszego ciała, to jednak komórki różnicują się na rozmaite klasy, ponieważ do głosu dochodzą w nich różne geny w różnym czasie.

Wspomniana sieć BICAN została uruchomiona w 2022 r. w Narodowych Instytutach Zdrowia USA. Projekt polegał na stworzeniu atlasów referencyjnych typów komórek mózgowych u człowieka i kilku innych gatunków ssaków. Wyniki prac zespołu złożyły się na kilka publikacji, które ukazały się w tygodniku „Nature”.

Badacze ustalili, że w miarę kształtowania się układu nerwowego komórki przechodzą z fazy proliferacji – podziałów dla utworzenia kolejnych komórek – do fazy różnicowania się, czyli stania się komórkami dojrzałymi. Proces ten jest napędzany ściśle skoordynowaną sekwencją zdarzeń molekularnych. Obecnie nie istnieją technologie umożliwiające ciągłe obserwowanie tej sekwencji w żywym organizmie. Ale możliwy jest pomiar ekspresji genów w wielu okresach jego życia.

Wykorzystując tę serię migawek genetycznych z wczesnego etapu rozwoju, naukowcy mogą komputerowo zrekonstruować „film” ilustrujący drogę, jaką przebywa komórka przez całe swoje życie. Od stadium tzw. komórki progenitorowej – która jeszcze nie całkiem wykształciła konkretne cechy odróżniające ją od innych typów komórek – do dojrzałej komórki takiej jak neuron czy astrocyt. BICAN prześledził, jak komórki przekształcają się w wyspecjalizowane komórki układu nerwowego, jak regulowana jest aktywność genów w trakcie rozwoju oraz jak doświadczenia sensoryczne i czynniki środowiskowe wpływają na tożsamość komórek.

Mózg zaprogramowany przed narodzinami

Tajemnice mózgu można oczywiście badać jeszcze inną drogą, np. tworząc minimóżdżki zbudowane z niewielkiej liczby neuronów (takie struktury nazywa się organoidami) lub zaglądając do głów zwierząt. Wielu neurobiologów bada mózg myszy laboratoryjnej czy nawet muszki owocowej, mając nadzieję, że odkryją fundamentalne mechanizmy, które są wspólne dla mózgów wielu istot. 

To nie jest bezpodstawne założenie: uhonorowany Nagrodą Nobla Eric Kandel prowadził przełomowe dla neurobiologii badania nad połączeniami synaptycznymi na niewielkich ślimakach morskich, posiadających zaledwie 20 tys. neuronów w mózgu. Innym przełomem w neurobiologii było stworzenie pełnej mapy połączeń nerwowych w mózgu milimetrowego robaka C. elegans, posiadającego zaledwie 302 neurony. Używane dziś techniki pozwalają rejestrować aktywność nawet tysięcy neuronów w mózgach zwierząt czy sterować nimi za pomocą światła.

Wielu naukowców uważa, że ​​aby w pełni zrozumieć ludzki mózg, musimy również dowiedzieć się, jak powstał w toku ewolucji – w której w ciągu ostatnich dwóch milionów lat zwiększył rozmiar około trzykrotnie. Można też jednak sięgać myślą jeszcze głębiej, próbując dotrzeć nie tyle do początków naszej neuroanatomii, ile do początków samej tkanki nerwowej.

Powstanie neuronów i synaps było momentem przełomowym w ewolucji złożonych organizmów wielokomórkowych. Uważa się, że miało to miejsce ponad 600 mln lat temu. Jednak także zanim to się stało, zwierzęta musiały wyczuwać otoczenie i reagować na zmieniające się okoliczności. W naszych mózgach do dzisiaj występują cząsteczki, które niektórzy badacze uważają za pozostałości prastarego systemu wymiany informacji między komórkami. Są one znane jako neuropeptydy lub neuromoderatory – u najstarszych zwierząt mogły one spełniać niektóre funkcje układu nerwowego. I może także dzisiaj kryją odpowiedzi na pewne pytania dotyczące funkcjonowania naszych mózgów. 

Innym ważnym kierunkiem badań są początki aktywności mózgu u dziś żyjących zwierząt; inaczej mówiąc, badania z dziedziny embriologii i biologii rozwoju.

Na przykład okazuje się, że nasze mózgi są częściowo zaprogramowane jeszcze przed narodzinami. Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz odkryli, że nawet wyładowania mózgu płodu mają wyraźny porządek przestrzenny i zachodzą również bez żadnych zewnętrznych bodźców. To sugeruje, że ludzki mózg w momencie narodzin już ma pewne „ustawienia początkowe”: wstępne instrukcje dotyczące nawigacji i interakcji ze światem. Jest to spójne z odkryciami psycholożki rozwojowej Elizabeth Spelke, która stworzyła teorię tzw. wiedzy rdzennej, z którą przychodzimy na świat, dotyczącej na przykład tego, jak działają przedmioty w świecie fizycznym. 

Mężczyźni i kobiety: różnice w działaniu mózgów

Proces rozwoju ludzkiego mózgu jest długotrwały i dynamiczny. Rozpoczyna się w trzecim tygodniu ciąży i trwa do późnej dorosłości, a potencjalnie przez całe życie. Przyczynia się do niego złożona interakcja zdarzeń molekularnych, ekspresji genów i bodźców środowiskowych. Zarówno czynniki genetyczne, jak i wpływy środowiskowe są kluczowe dla prawidłowego rozwoju mózgu, a zaburzenia w każdym z tych czynników mogą znacząco wpływać na rozwój neuronów. 

Okres embrionalny kształtuje podstawowe struktury mózgu i ośrodkowego układu nerwowego, ale dopiero po urodzeniu mózg ulega znacznemu zwiększeniu rozmiarów i zmianom strukturalnym, osiągając około 90 proc. docelowej objętości do 6. roku życia.

Zmiany te (zarówno w istocie szarej, czyli neuronach, jak i białej mózgu, czyli mózgowym „okablowaniu” zakończonym synapsami) zachodzą przez całe dzieciństwo i okres dojrzewania – a w jakimś stopniu także przez całe życie.

Ludzka zdolność do przetwarzania informacji w złożone emocje, zachowania i decyzje opiera się zatem na bogatej różnorodności typów komórek. Ta różnorodność jest zasiewana i udoskonalana już w okresie rozwoju prenatalnego, trwając aż do dzieciństwa i okresu dojrzewania – które u ludzi są wyjątkowo wydłużone. W ten sposób powstają specyficzne dla człowieka podtypy komórek, połączeń i funkcji. Jednak ten przedłużony rozwój może zwiększać ryzyko wystąpienia mutacji genetycznych, które negatywnie wpływają na tworzenie się „zdrowych” obwodów i przyczyniają się do wystąpienia zaburzeń czy też innych wzorców neurorozwojowych, takich jak autyzm czy schizofrenia. 

Prowadzone w ostatnim czasie badania ujawniły wyraźne różnice między płciami, dotyczące percepcji, funkcji poznawczych, pamięci i funkcji neuronalnych, a które mogą wynikać z czynników genetycznych, hormonalnych i środowiskowych.

Różnice te przekładają się też na statystycznie odmienne wzorce funkcjonowania mężczyzn i kobiet. Pomimo podobnego poziomu inteligencji, mężczyźni i kobiety zazwyczaj wykorzystują różne obszary mózgu do zadań takich jak zapisywanie wspomnień, rozpoznawanie emocji, twarzy, rozwiązywanie problemów i podejmowanie decyzji. Nawet gdy osoby o podobnym poziomie inteligencji osiągają podobne wyniki, ich mózgi wykazują różne wzorce aktywacji, co sugeruje wrodzone różnice w przetwarzaniu.

Te różnice płciowe w funkcjonowaniu mózgu mogą wpływać na procesy uczenia się, rozwój językowy i postęp chorób neurologicznych. 

Czy sztuczna inteligencja pomoże?

Choć potrafimy w pewnym stopniu zrozumieć, jak działa mózg, być może, biorąc pod uwagę jego ogromną złożoność, ludzie nigdy nie zrozumieją go w pełni. Ale jeśli szczegóły działania mózgu przekraczają ludzkie możliwości rozumienia – choć one przecież rosną w czasie – to może w tym zadaniu pomoże nam sztuczna inteligencja? 

Byłby to ciekawy paradoks: gdyby ludzki mózg nie potrafił zrozumieć sam siebie, ale był w stanie wynaleźć maszynę, która go w końcu zrozumie.