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, prezentujemy badania wspierane przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej.

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.

 

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

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.

 

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.

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”.

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.

Zobacz także:

• Więcej o badaniach zespołu prof. Leszka Kaczmarka oraz dr hab. Eweliny Knapskiej
• Więcej o badaniach zespołu prof. Jacka Jaworskiego
• Więcej o badaniach zespołu dr Moniki Bijaty
• Film nt. badań dr Moniki Bijaty
• Więcej o badaniach zespołu dra Michała Kucewicza 
• Więcej o badaniach zespołu dra hab. Marcina Szweda