5 odkryć z polskich laboratoriów, które pomogą zrozumieć mózg

22 Marca 2020, 9:54 mózg
22 Marca 2020, 9:54
22 Marca 2020, 9:54
22 Marca 2020, 9:54
22 Marca 2020, 9:54
22 Marca 2020, 9:54

Mózg to najbardziej tajemniczy i fascynujący organ w ludzkim ciele. Choć wiemy o nim wiele, to jednak całościowe funkcjonowanie mózgu i jego wytworu – umysłu, wciąż jest dla nas zagadką. Rozwikłanie tej zagadki pozwoli na znacznie lepsze niż obecnie diagnozowanie i leczenie chorób mózgu, w tym chorób psychicznych, neurodegeneracyjnych i uzależnień. W postępie, jaki dokonuje się w neurobiologii swój udział mają też polscy naukowcy. Z okazji Europejskiego Dnia Mózgu, który przypada na 18 marca, Fundacja na rzecz Nauki Polskiej zaprezentowała badania i osiągnięcia naukowców.

 

Ludzki mózg to ważący około 1,5 kilograma galaretowaty twór, przez który nieustannie płyną, z prędkością kilkuset kilometrów na godzinę, impulsy elektryczne. W 80 proc. składa się z wody, resztę stanowią białka, tłuszcze, cukry i sole mineralne. Mózg zbudowany jest z komórek nerwowych, czyli neuronów, których u człowieka jest prawie 100 miliardów, a każdy z nich może stworzyć wiele tysięcy połączeń z innymi neuronami, co daje niewyobrażalnie skomplikowaną sieć powiązań. Połączenia te, czyli styki komórek nerwowych, to synapsy. Za ich odkrycie w 1906 roku przyznano Nagrodę Nobla, ale co ciekawe, przez kilkadziesiąt kolejnych lat uważano, że połączenia synaptyczne tworzą się tylko w dzieciństwie, a u osób dorosłych są już niezmienne. Dziś wiemy, że to nieprawda, bo sieć synaptyczna jest przebudowywana przez całe życie. Liczba i rozmieszczenie synaps zmieniają się, gdy się czegoś uczymy, nabywamy nowych doświadczeń, spotykamy nowych ludzi. Zdolność mózgu do dostosowywania się do zmieniających się warunków i okoliczności oraz reorganizacji swojej struktury pod wpływem tych bodźców to neuroplastyczność.

Prof. Leszek Kaczmarek i dr hab. Ewelina Knapska / fot. OneHD

Neuroplastyczność  a choroby mózgu

Neuroplastyczność jest kluczowa dla procesów uczenia się i zapamiętywania, ale także dla regeneracji po uszkodzeniach, wynikających z urazów lub chorób mózgu. Dzięki niej możliwa jest redukcja skutków np. stwardnienia rozsianego, choroby Alzhmeimera czy choroby Parkinsona. Z drugiej strony, osłabiona, mało wydajna neuroplastyczność może prowadzić do wielu stanów patologicznych, takich jak uzależnienia, zaburzenia należące do spektrum autyzmu, schizofrenia, depresja, czy zaburzenia afektywne dwubiegunowe. Dlatego zrozumienie mechanizmów, leżących u podstaw neuroplastyczności dałoby niezwykłe, nowe możliwości zwalczania w zasadzie wszystkich chorób mózgu. I właśnie takie wyzwanie badawcze stoi przed ośrodkiem BRAINCITY, centrum doskonałości utworzonym w Warszawie, na terenie Instytutu Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN, przez prof. dr. hab. Leszka Kaczmarka i dr hab. Ewelinę Knapską – laureatów programu Międzynarodowe Agendy Badawcze (MAB), prowadzonego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej.

 - Nadrzędnym celem naszej działalności będzie zrozumienie mózgu i umysłu, a dzięki temu wypracowanie nowych rozwiązań poprawiających profilaktykę, diagnostykę, monitorowanie i leczenie chorób i patologii związanych z plastycznością mózgu. Aby to osiągnąć, będziemy korzystać m.in. z nowoczesnych metod biologii molekularnej: technologii edycji genomu i manipulacji genowo-białkowych; metod precyzyjnego obrazowania i wizualizacji zarówno pojedynczych komórek i synaps, jak i aktywności sieci neuronalnych w całym mózgu oraz technik bioinformatycznych pozwalającej na analizy olbrzymich zbiorów danych – mówi dr hab. Ewelina Knapska.

Ogromne znaczenie będzie też miało wykorzystanie specjalistycznej wiedzy z zakresu pozyskiwania komórek macierzystych z krwi obwodowej lub skóry. Z komórek tych można bowiem wyhodować organoidy, czyli miniaturowe struktury przypominające organy. W BRAINCITY będą hodowane organoidy mózgowe, naśladujące niektóre aspekty ludzkiego mózgu. Te fascynujące i nowatorskie modele badawcze posłużą m.in. do prześledzenia tego, jak predyspozycje genetyczne do chorób neurologicznych czy psychiatrycznych faktycznie przekładają się na funkcjonowanie sieci neuronowych. Pozwolą też na testowanie nowych metod diagnostycznych i terapeutycznych. Jest to całkowicie awangardowe podejście badawcze, które rozwiązuje wszelkie dylematy etyczne, związane z prowadzeniem eksperymentów na ludzkich zarodkowych komórkach macierzystych. W działalności naukowej BRAINCITY będą stosowane również modele zwierzęce:  myszy i szczury będą służyły przede wszystkim do badań behawioralnych, w których oceniany będzie wpływ określonych zmian molekularnych zachodzących w mózgu na zachowania. - Taka interdyscyplinarność i połączenie wielu różnych metod badawczych jest niezbędna, gdy chcemy badać tak skomplikowany obiekt, jakim jest mózg – podkreśla dr hab. Ewelina Knapska.

Ważna stabilność rusztowania

Prof. Jacek Jaworski / fot. Marcin Mizerski MIBMiK
 

Choć sieć neuronalna ulega przebudowie przez całe życie, jej „szkielet” czyli rusztowanie, na którym się opiera - powinno być stabilne i trwałe. To rusztowanie to sieć tzw. drzewek dendrytycznych. Czym one są?

- Cechą charakterystyczną neuronów jest skomplikowany kształt, związany z posiadaniem licznych wypustek. Wypustki te to jeden długi i cienki akson, odpowiadający za przekazywanie informacji do kolejnych neuronów oraz liczne rozgałęzione dendryty, odpowiadające za właściwy odbiór bodźców i integrujące czynności wielu komórek nerwowych. Dendryty tworzą miliony drzewek dendrytycznych, które są swoistym rusztowaniem mózgu. Zmiany kształtu drzewek dendrytycznych towarzyszą procesowi starzenia się, ale także chorobom neurodegeneracyjnym (np. chorobie Alzheimera) i zaburzeniom nastroju, w tym depresji. Regulacja stabilności drzewek dendrytycznych ma zatem fundamentalne znaczenie dla funkcjonowania mózgu, a jednak jest to zagadnienie dotychczas słabo poznane – wyjaśnia prof. dr hab. Jacek Jaworski z Międzynarodowego Instytutu Biologii Molekularnej i Komórkowej w Warszawie, laureat programu TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

W ramach tego grantu profesor i jego zespół bada, jak regulowana jest stabilność drzewek dendrytycznych, a co za tym idzie „rusztowania” naszego mózgu, wykorzystując do tego celu metody analiz wielkoskalowych. - Porównanie tych danych z analizą materiału klinicznego pozyskanego od osób z depresją pozwoli nam na określenie związku pomiędzy zaburzeniami stabilności drzewek dendrytycznych a molekularnym podłożem depresji, co może skutkować nowymi podejściami terapeutycznymi – podkreśla prof. Jacek Jaworski.

A opracowanie nowych terapii  przeciwdepresyjnych jest zadaniem niezwykle ważnym, gdyż obecnie dostępne antydepresanty działają jedynie na około 60% pacjentów. Tymczasem, liczba osób cierpiących na depresję stale rośnie: w ciągu ostatnich 30 lat zanotowano aż 50-procentowy wzrost liczby chorych. W 2016 roku to depresja i inne zaburzenia psychiczne, a nie np. choroby układu krążenia czy kostno-stawowego, były główną przyczyną zwolnień chorobowych Polaków. Zaburzenia depresyjne dotykają zarówno seniorów, osoby w średnim wieku, jak i młodzież, a nawet dzieci. Niestety, depresja jest też chorobą śmiertelną, gdyż w niektórych przypadkach prowadzi do samobójstw.

Jeszcze inne podejście do leczenia depresji

Niska skuteczność leczenia depresji może wynikać ze wciąż słabego rozumienia mechanizmów leżących u neurobiologicznych podstaw tej choroby. Większość obecnych terapii koncentruje się na szlakach sygnałowych opisanych wiele lat temu, gdy tymczasem patogeneza depresji jest o wiele bardziej skomplikowana. Dlatego potrzebne jest zupełnie nowe podejście do tego problemu i takie prezentuje dr Monika Bijata z Instytutu Biologii Doświadczalnej im. Marcelego Nenckiego PAN w Warszawie.

- Wydaje się, że jedną z neurobiologicznych przyczyn powstania depresji jest nadmierna aktywacja enzymu MMP-9: wydzielanego na synapsach i trawiącego białka. Skąd to przypuszczenie? Stąd, że u pacjentów w czasie epizodu depresji obserwuje się podwyższony poziom MMP-9 – mówi dr Monika Bijata. W ramach grantu HOMING Fundacji na rzecz Nauki Polskiej będzie ona badać, jak serotonina i receptory serotoninowe modulują wydzielanie MMP-9, i czy ograniczenie tego wydzielania może stanowić nową strategię leczenia przeciwdepresyjnego.

dr Monika Bijata / fot.OneHD

Elektryczna stymulacja na zaburzenia pamięci

Poznanie neurobiologicznych mechanizmów zaburzeń nastroju jest bardzo istotne z klinicznego punktu widzenia, ale nie mniej intrygującą zagadką jest to, jak elektryczna aktywność mózgu generuje nasz umysł, myśli i pamięć, będące źródłem naszej tożsamości. Zbadanie elekrofizjologicznych podstaw myśli i pamięci jest celem Laboratorium Elektrofizjologii Mózgu i Umysłu założonego na Wydziale Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Politechniki Gdańskiej. Grupa neurobiologów, fizyków, inżynierów biomedycznych i lekarzy, pod kierunkiem dra Michała Tomasza Kucewicza, chce uzyskać odpowiedzi na pytania, czym jest pamięć, gdzie jest zlokalizowana w mózgu i jak można ją skutecznie leczyć w chorobach Alzheimera, Parkinsona i wielu innych, przebiegających z zaburzeniami pamięci. Deficyty pamięci i funkcji poznawczych są bowiem jednym z głównych problemów zdrowotnych naszego starzejącego się społeczeństwa: są coraz powszechniejsze i znacząco wpływają na jakość życia i koszty opieki zdrowotnej.

- Do zbadania mechanizmów pamięci służy nam najnowsza technologia do pomiaru i stymulacji elektrycznej fal mózgowych. Taki pomiar i stymulacja elektrycznej aktywności neuronów, podczas procesów pamięciowych u ludzi, są technicznie bardzo trudne, z racji ich mikro-rozmiaru i ograniczonego dostępu do mózgu. Dlatego wykorzystujemy rzadkie przypadki implantacji elektrod u pacjentów z padaczką i chorobami ruchu. Pacjenci są proszeni o wykonywanie zadań wyświetlanych na ekranie, np. o zapamiętywanie słów. Podczas gdy wykonują te zadania, mierzymy elektryczną aktywność w ich mózgach w określonych regionach, przy jednoczesnym użyciu technologii do śledzenia ruchów źrenicy oka. Użycie elektrod nowej generacji, stosowanych bezpośrednio w mózgu daje nam najczystsze i najbardziej wiarygodne dane. Patrzymy też,  jak wysyłanie impulsów elektrycznych do określonych regionów mózgu może poprawić pamięć i wykonywanie zadań przez pacjentów – mówi dr Kucewicz.

dr Michał Kucewicz / fot. Paweł Klein

Uzyskane wyniki mają nie tylko pogłębić wiedzę na temat mechanizmów pamięci i procesów myślowych u ludzi, ale także posłużyć w rozwoju nowego interfejsu mózg-komputer, służącego do leczenia chorób mózgu. Końcowy wynalazek, w postaci systemu do stymulacji mózgu w chorobach pamięci, zostanie opatentowany w celu jego komercjalizacji. Istnieje szansa, że będzie przydatny nie tylko w leczeniu deficytów pamięci, ale także zaburzeń uwagi czy nastroju. Projekt ten jest współfinansowany przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej, w ramach programu FIRST TEAM.

Smog szkodzi mózgowi

Zupełnie inne badania, choć też w dziedzinie neurobiologii, prowadzi Instytut Psychologii Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie. Interdyscyplinarny projekt badawczy Neurosmog ma odpowiedzieć na pytanie, w jaki sposób smog wpływa na rozwijające się mózgi u dzieci.

Smog to mieszanina zawieszonych w powietrzu cząsteczek pyłu z osadzonymi na nich substancjami toksycznymi, m.in. metalami ciężkimi i dioksynami. Wielkość cząsteczek jest różna – największe są około 100 razy mniejsze od ziarenek piasku i z łatwością wnikają do płuc, najmniejsze zaś przedostają się bez trudu do krwiobiegu i, płynąc wraz z krwią, docierają do wszystkich narządów, a także przekraczają barierę krew – mózg. Dlatego smog może powodować stany zapalne i uszkodzenia we wszystkich tkankach i narządach, a nie tylko – jak sądzono wcześniej – w drogach oddechowych. Z badań naukowych wynika, że kobiety ciężarne oddychające zanieczyszczonym powietrzem rodzą dzieci o mniejszej masie ciała oraz – prawdopodobnie – podatniejsze na występowanie zaburzeń neurorozwojowych, takich jak ADHD. Polscy naukowcy zamierzają potwierdzić hipotezę o związku pomiędzy wdychaniem zanieczyszczeń przez kobietę w ciąży, oraz przez samo dziecko, a późniejszymi zaburzeniami samokontroli i skłonnością do zachowań impulsywnych. Uzyskane wyniki będą miały o wiele większą moc dowodową, m.in. dlatego że badania zostaną przeprowadzone przy natężeniach zanieczyszczeń wielokrotnie wyższych niż te opisane dotychczas. „Nasze powietrze jest nie tylko bardziej zanieczyszczone, ale także obecne u nas zanieczyszczenia są potencjalnie bardziej toksyczne, co ma związek ze spalaniem węgla – mówi dr hab. Marcin Szwed z Uniwersytetu Jagiellońskiego, kierujący projektem NeuroSmog, i dodaje – Dotychczasowe badania nad wpływem smogu na rozwój mózgu nie dały jasnych wyników. Jedne stosowały powierzchowne metody badań psychologicznych – zwykle  kwestionariusze wypełniane przez rodziców. Inne miały zbyt małą liczbę uczestników i przez to zbyt małą moc statystyczną. W większości stosowane były bardzo podstawowe metody obrazowania mózgu. Nie były to tak naprawdę badania interdyscyplinarne. Natomiast w projekcie NeuroSmog powołujemy prawdziwie interdyscyplinarne konsorcjum czterech zespołów: zespół modelowania zanieczyszczeń powietrza, zespół psychologii dziecka, zespół neuroobrazowania i zespół epidemiologiczny.

 

dr hab. Marcin Szwed / fot. Agnieszka Fiejka
 

Naukowcy chcą nie tylko potwierdzić udział smogu w powstaniu ADHD, ale także zrozumieć mechanizmy leżące u podłoża tego zjawiska i  ustalić, które konkretnie szlaki nerwowe lub które części rozwijającego się mózgu są uszkadzane przez zanieczyszczenia powietrza. Badania zostaną przeprowadzone wśród 800 dzieci w wieku 10-13 lat. Będą to zarówno dzieci ze zdiagnozowanym ADHD, jak i dzieci bez jawnych problemów neuropsychologicznych. Oprócz nowoczesnego obrazowania mózgu, wszyscy uczestnicy badania będą poddani szczegółowym testom psychologicznym, tak aby ich ocena psychologiczna była jak najbardziej wiarygodna.

- Sądzimy, że w wyniku realizacji projektu uzyskamy solidne i wiarygodne dane na temat tego, co mózgom dzieci robi smog w stężeniach, które spotykamy na co dzień w Polsce. Jeśli efekty smogu są rzeczywiście tak złowrogie, jak przypuszczamy, to mamy nadzieję, że nasze odkrycia poruszą do działania rządzących odpowiedzialnych za jakość powietrza w Polsce i w Europie – podkreśla dr hab. Marcin Szwed.

Realizacja projektu NeuroSmog jest możliwa dzięki grantowi TEAM-NET Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Programy MAB, FIRST TEAM, HOMING, TEAM i TEAM-NET są realizowane przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej ze środków pochodzących z Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój. 

Dziękujemy Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej za udostępnienie artykułu.

Dziękujemy! Twój komentarz został pomyślnie dodany i oczekuje na moderację.

Dodaj komentarz