Mózg to nie tylko neurony. Co o komórkach glejowych mówią nam eksperymenty na rybkach danio

Neurony pociągają swoim wdziękiem. Ryciny wykonane przez Santiago Ramóna y Cajala, słynnego hiszpańskiego neuroanatoma przełomu XIX i XX w., można podziwiać jak dzieła sztuki. Komórki Purkinjego w móżdżku, fotoreceptory siatkówki, ale i neurony motoryczne łączące resztę układu nerwowego z mięśniami... Gdziekolwiek byśmy nie spojrzeli, zdumiewa nas różnorodność kształtów, które, jak twierdzimy, odzwierciedlają również funkcje tych komórek.

Komórki Purkinjego posiadają „szeroko rozpostarte” drzewo dendrytyczne – wypustki, które zbierają sygnały z różnych zmysłów i innych obszarów mózgu, aby kontrolować poruszanie się organizmu. Z kolei komórki bipolarne siatkówki, jak ich „dwubiegunowa” nazwa wskazuje, kontaktują się z fotoreceptorami na jednym swoim końcu, by otrzymać od nich informację o obserwowanej przez oczy scenie, oraz z komórkami zwojowymi na drugim końcu, by przekazać sygnały wzrokowe do mózgu. Molekularna budowa tych neuronalnych klocków lego zachwyca jeszcze bardziej – a tworzone z nich neuroanatomiczne budowle fascynują swym skomplikowaniem.

Jak współpracują komórki układu nerwowego 

Nietrudno jest przekonać kogoś, jak ważne dla organizmu są neurony. Znamy wiele klinicznych przypadków, gdy uszkodzenie konkretnej struktury w mózgu prowadziło do charakterystycznej zmiany zachowania: pacjentów takich jak H.M., który stracił zdolność do tworzenia nowych wspomnień, czy S.M., która utraciła zdolność do odczuwania strachu. Przykłady ze świata zwierząt innych niż ludzie są równie liczne dzięki pracy neurobiologów. Jeden z moich ulubionych pochodzi z badań nad zeberkami. Te śpiewające ptaki zostały nauczone nowych, specyficznych dźwięków, które włączyły do swojego repertuaru nie za pośrednictwem słuchu, ale poprzez bezpośrednie oddziaływanie na mózg – sztuczną stymulację neuronów w obszarze odpowiedzialnym za uczenie się śpiewania.

A przecież nie wspomnieliśmy jeszcze o najważniejszej cesze neuronów – pobudliwości elektrycznej. Przez pobudzone komórki przepływają sygnały elektrochemiczne, których kulminacją jest potencjał czynnościowy. Kiedy potencjał czynnościowy dotrze do synapsy, czyli miejsca kontaktu jednego neuronu z drugim, neuroprzekaźniki przekażą wiadomość o bodźcu. Uważamy sygnały elektrochemiczne za medium, przez które neurony się ze sobą porozumiewają. Badając je, chcemy zrozumieć „język”, którym posługuje się mózg. Choć również inne komórki wykazują pobudliwość, czego najlepszym przykładem jest badanie EKG serca, które de facto obserwuje aktywność elektryczną mięśnia sercowego, to właśnie ta cecha wyróżnia najbardziej znane komórki układu nerwowego.

No właśnie, najbardziej znane – lecz nie jedyne. Sam Ramón y Cajal poświęcał czas na rysowanie nie tylko  własnoręcznie wybarwionych neuronów, ale i komórek, które z neuronami bardzo blisko koegzystują. Tym komórkowym sąsiedztwom bliżej do dobrze nam znanych wspólnot mieszkaniowych niż do pojedynczych domów rozsianych po rozległej wsi. Czym są komórki glejowe – „klej” mózgu, wspierający neurony i pełniący funkcję mózgowego czyściciela – i dlaczego coraz częściej się o nich mówi? Choć wzrost zainteresowania glejem jest widoczny już od wielu lat, ostatnie badania z udziałem pewnej przezroczystej rybki każą nam sądzić, że ich rola w przetwarzaniu informacji nerwowej była mocno niedoceniona.

Osłonka mielinowa: udany wynalazek ewolucji

Zacznijmy jednak od kilku dobrze zrozumianych faktów, które dadzą nam historyczny obraz tego, jak postrzegano glej. Choć wspomniana elektryczna pobudliwość neuronów pozwala im na szybkie przesyłanie sygnałów, czasami może nie być to wystarczające. Od tego, jak sprawnie zwierzę zareaguje, zależy jego życie. Zaś droga, jaką musi pokonać informacja o zagrożeniu – od zmysłów do tych obwodów mózgu, które odpowiadają za podejmowanie decyzji i poruszanie się organizmu – wymaga czasu.

Ewolucja wprowadziła więc usprawnienie w postaci osłonki mielinowej w neuronach – i jest to na tyle efektywne rozwiązanie, że prawdopodobnie pojawiło się w ewolucji układów nerwowych niezależnie: u kilku grup pierścienic, owadów i wszystkich kręgowców (w tym nas).

Osłonka mielinowa pozwala na skokowe przesyłanie sygnałów elektrycznych wzdłuż aksonu – długiej wypustki przypominającej kabel, którą neuron-nadawca łączy się z komórką-adresatem. W neuronach niezmielinizowanych, czyli nie osłoniętych mieliną, jony sodu i potasu, odpowiadające za transport sygnału w obrębie komórki, przebywają całą trasę od początku aż do zakończenia aksonu, gdzie mieści się synapsa. Ich przepływ możemy identyfikować z prądem, podobnie jak przepływ elektronów w obwodach elektrycznych. Na drodze napotykają jednak opór, mogą też wyciekać przez błonę komórkową, co zmniejsza siłę przesyłanego sygnału, a proces generowania potencjału czynnościowego jest kosztowny i czasochłonny. 

Osłonka mielinowa izoluje akson – przez co bywa porównywana do izolacji kabla elektrycznego – umożliwiając regenerację sygnału w określonych niezmielinizowanych miejscach, zwanych węzłami Ranviera. Tam potencjał czynnościowy jest odnawiany i informacja przeskakuje do kolejnego węzła dziesiątki lub setki razy szybciej, niż gdyby akson nie posiadał izolacji (z prędkością 50-150 metrów na sekundę).

Ale czym jest osłonka mielinowa? U kręgowców mielinizacja neuronów zaczyna się wcześnie na etapie rozwoju i polega na owijaniu neuronów cienkimi warstwami błony komórkowej komórek glejowych (oligodendrocytów w mózgu i rdzeniu kregowym oraz komórek Schwanna na peryferiach układu nerwowego). W miejscach owiniętych glejem błona komórkowa neuronów jest niepobudliwa, co prowadzi do skokowego przesyłania sygnału. W wielu sytuacjach to nie fizjologia samych neuronów, lecz nieprawidłowe formowanie się osłonki wokół nich, prowadzi do przeróżnych chorób neurologicznych.

Astrocyty: opiekunki neuronów

Inne typy gleju, które ze względu na ich gwieździstą budowę nazywamy astrocytami, pomagają neuronom zachować równowagę chemiczną w trakcie przesyłania informacji. Kiedy generowany jest potencjał czynnościowy, dochodzi do przetasowania jonów wewnątrz i na zewnątrz komórek – sód masowo napływa do środka neuronów, a chwilę później wypływa z nich potas, równoważąc dodatni ładunek wprowadzany przez jony sodu. To sprowadza neuron do swojego poziomu bazowego, gdy może oczekiwać na przekazanie kolejnego sygnału.

Jednakże konfiguracja jonów została zaburzona i aby komórki mogły dalej działać, stężenia jonów sodu i potasu w neuronach i na zewnątrz nich muszą wrócić do poprzednich wartości. Między innymi w tym pomagają astrocyty, które posiadają kanały jonowe i są zdolne wykryć zwiększone stężenie potasu w przestrzeni międzykomórkowej. Pobierają one nadmiar jonów potasu i transportują go do pobliskich naczyń krwionośnych lub magazynują.

Oprócz tego komórki glejowe chronią neurony przed toksycznym nadmiarem różnych substancji chemicznych, którymi neurony komunikują się ze sobą. Na przykład tzw. komórki glejowe Bergmanna w móżdżku posiadają receptory glutaminergiczne – wykrywają jeden z popularnych neuroprzekaźników, glutaminian, i przekształcają go do glutaminy. To pomaga również w recyklingu związków chemicznych – glutamina jest następnie wysyłana z powrotem do neuronów i przekształcana kolejny raz do glutaminianu. Zapobiega to toksycznemu działaniu glutaminianu w przestrzeni zewnątrzkomórkowej. Astrocyty czynią podobnie z dopaminą, serotoniną i innymi substancjami uwalnianymi przez neurony.

Jak łatwo zauważyć, nawet gdy opisywałem funkcję komórek glejowych, skupiłem się głównie na roli neuronów w przekaźnictwie nerwowym i tym, jak fizjologia gleju wspiera te procesy. A czy moglibyśmy zmienić naszą perspektywę? Co by się stało, gdybyśmy pomyśleli o komórkach glejowych nie tylko jako o „piastunkach” neuronów, ale jako o jednostkach przesyłających informację?

Eksperymenty z udziałem rybki danio

Wśród popularnych organizmów modelowych neurobiologii znajdziemy małą rybkę Danio rerio, znaną również z akwariów. Choć przebadano różne jej stadia rozwoju, neuronaukowców najbardziej interesuje stadium larwalne, gdy danio ma ok. 6-8 dni i ok. 6 mm długości. Danio nie przypomina wtedy dorosłych osobników, ale odznacza się bardzo ważną cechą: jej półprzezroczyste ciało pozwala zobaczyć znajdujące się wewnątrz organy – choćby bijące serce czy naczynia krwionośne.

Ułatwia to również obrazowanie mózgu, czyli obserwowanie aktywności komórek nerwowych w czasie. Dzięki manipulacjom genetycznym jesteśmy w stanie wprowadzić do neuronów białko, które pod wpływem zewnętrznego bodźca sygnalizuje przepływ informacji przez neurony poprzez zwiększanie lub zmniejszanie intensywności świecenia zależnie od stanu komórki.

Metodę tę nazywa się mikroskopią wielofotonową. W przypadku innych gatunków często musimy dokonywać dodatkowych operacji, by móc w ten sposób obserwować mózg. Z danio sprawa jest prostsza. Choć rybka pozostaje unieruchomiona, może poruszać swoim ogonkiem, co przyjmuje się za odpowiednik pływania – wystarczy oświetlić rybkę warstwą światła i zebrać płynącą z aktywnych komórek nerwowych odpowiedź – fluorescencję. Dzięki temu jesteśmy w stanie zapisywać sygnały z tysięcy neuronów naraz. Biorąc pod uwagę, że cała rybka ma ok. sto tysięcy neuronów, jest to niesamowita okazja do obserwowania, co dzieje się w różnych obszarach układu nerwowego podczas konkretnych zachowań, takich jak polowanie, poruszanie się czy podejmowanie decyzji.

Odpowiednie manipulacje genetyczne pozwalają pod mikroskopem wielofotonowym obserwować również astrocyty. W ten właśnie sposób odkryto, że te komórki glejowe mogą zbierać informacje, których akumulacja prowadzi do decyzji: poddać się, czy płynąć dalej.

Rybka jest pod nieustannym wpływem przemieszczających się mas wody (z powodu prądów czy fal), potrafi jednak oszacować, jak daleko podryfowała od poprzedniej pozycji i próbuje przemieścić się tam z powrotem. Podobny efekt można wywołać, pokazując jej poruszające się naprzemienne czarne i białe paski płynące do przodu – tak jakby wywołując u niej wrażenie, że porusza się z prądem. Danio próbuje zminimalizować efekt tego bodźca poprzez intensywne, ale krótkotrwałe ruchy. Moglibyśmy to porównać do pogoni za uciekającym pociągiem.

Co rządzi zachowaniem?

Tę reakcję (zwaną odpowiedzią optomotoryczną) można również badać u unieruchomionej rybki, obserwując próby płynięcia, sprowadzające się do poruszania ogonkiem. W eksperymencie możemy manipulować bodźcem wzrokowym. W przypadku unieruchomionej rybki, aby mogła ona odczuwać (pozorne) efekty swych działań, bodziec wzrokowy w postaci napływających pasków musi zwalniać, gdy rybka próbuje go doścignąć.

Możemy też zaaranżować taką sytuację, w której kolejne machania ogonkiem nie przynoszą oczekiwanego rezultatu – prezentowany bodziec porusza się tak samo szybko jak przedtem. Jak wówczas zareaguje rybka? Poddaje się i nie podejmuje kolejnych prób płynięcia przez dłuższy czas – podobnie jak my, gdy biernie obserwujemy odjeżdżające nam ze stacji wagony.

Badacze z Kampusu Badawczego Janelia w amerykańskim Ashburn – ośrodka przodującego w badaniach neuronaukowych – zaobserwowali spadek aktywności neuronów, gdy larwa danio przechodziła ze stanu aktywnego (próba odpłynięcia) do pasywnego (poddanie się). Jednak w tym samym czasie aktywność komórek glejowych wzmagała się, co objawiało się rosnącym stężeniem w nich jonów wapnia. Działo się to na kilka sekund przed tym, jak rybka przechodziła w stan pasywny.

Aby sprawdzić, czy ta aktywność gleju ma jakiś przyczynowy wpływ na zachowanie rybki, przeprowadzono szereg eksperymentów. Laserowe usunięcie kilkuset astrocytów z obszarów bocznego tyłomózgowia doprowadziło do skrócenia okresu pasywnego u unieruchomionych rybek, jak i zwiększyło aktywność rybek pływających swobodnie. Usunięcie takiej samej liczby neuronów czy nawet fragmentów przedniej części układu nerwowego, w której znajdują się obszary odpowiedzialne za widzenie, nie doprowadziło do podobnych efektów.

Opisany eksperyment był tylko jednym z wielu testów, które przeprowadzili badacze. Aplikując odpowiedni związek chemiczny do astrocytów, zablokowali również sygnalizację chemiczną wewnątrz nich – konkretnie to, jak wapń przemieszcza się między częściami komórek – co doprowadziło do wydłużenia okresów aktywnych u rybki. Odwrotny efekt uzyskano, zwiększając stężenie wapnia w komórkach glejowych poprzez stymulację optogenetyczną (kontrolę zmodyfikowanych genetycznie komórek z użyciem światła) – rybki pływały mniej. Te zestawiono z badaniami kontrolnymi, w których podobne interwencje, choć związane z użyciem innej substancji lub oświetlanie innych struktur mózgu, nie wpłynęły na zachowanie rybki.

Gdy zatem weźmiemy pod uwagę wszystkie te eksperymenty, wydaje się prawdopodobne, że astrocyty faktycznie są jednym z przystanków dla przesyłanej informacji. Naukowcom udało się również zlokalizować adresatów sygnałów wychodzących z astrocytów. Były nimi... neurony. Pobudzanie tych towarzyszy gleju również doprowadziło do pasywności rybek.

Moda na glej

Ktoś mógłby powiedzieć więc, że historia zatoczyła koło – oto wracamy z powrotem do aktorów pierwszoplanowych, neuronów. Jednak warto się nad tym chwilę zastanowić. W nauce często wykonujemy konkretne eksperymenty na pewnym układzie, bo „tak jest wygodnie” – mamy do tego odpowiednie narzędzia i fundusze. Nie znam jednak żadnego naukowca, który określiłby przeprowadzany przez siebie eksperyment za „wymarzony”. Zawsze można znaleźć jakieś zastrzeżenia i problemy, z którymi poradzić sobie może inne, być może sprytniejsze lub bardziej wyrafinowane badanie.

Nie inaczej jest z badaniami mózgu i astrocytami. Rzucające się w oczy własności komórek nerwowych i ich znacznie większe rozmiary mogły doprowadzić do początkowego braku zainteresowania glejem i tendencji badaczy do myślenia o mózgu i zachowaniu wyłącznie w kontekście neuronów. Opisane przeze mnie badanie zmienia naszą perspektywę. 

Komórki glejowe nie stanowią, jak mogliśmy zobaczyć, wyłącznie pasywnego rusztowania układu nerwowego.

Czy glej częściej powinien być głównym bohaterem badań układu nerwowego? Być może. Sama nauka, w tym neurobiologia, nie jest jednak wolna od trendów, które pchają dziedziny wiedzy w różnych kierunkach – które z kolei nowe pokolenia badaczy uważają często za błędne. Tak było np. z flogistonem w termodynamice (postulowanym nośnikiem energii) czy obecnie z teorią strun w fizyce cząstek i teorią zintegrowanej informacji w badaniach nad świadomością. Również w neurobiologii naukowcy postulowali, że więcej miejsca powinno poświęcać się pojedynczym komórkom nerwowym, konkretnym procesom, całym sieciom neuronów, oscylacjom w mózgu, zachowaniu zwierząt, glejowi...

Która z tych dróg jest „słuszna”? Czy w ogóle możemy zadać takie pytanie? W przypadku gleju prawdopodobnie poglądy badaczy zmienią się jeszcze wielokrotnie.