W mózgu odkryto nowy rodzaj komunikacji między neuronami

W najistotniejszej dla uczenia się i pamięci części mózgu działa na odległość komunikacja niewymagająca żadnego styku neuronów i żadnego typu synapsy. Działa dzięki polu elektrycznemu. Czysta fizyka, żadnej zaangażowanej chemii. Można na tę nowo odkrytą aktywność wpływać. Choć jeszcze nie wiadomo, do czego ona tak naprawdę służy.

Grupa badawcza neurofizjologów pod kierunkiem Dominique’a Duranda z Uniwersytetu Case Western Reserve (prywatny uniwersytet badawczy w Cleveland w stanie Ohio, w USA, słynący z rozwoju nowych technologii oraz nauk ścisłych i inżynierii) dokonała przełomu w badaniach nad mózgiem. Na łamach „The Journal of Physiology” opublikowała właśnie dowód na istnienie wcześniej nieznanej formy komunikacji neuronalnej w części mózgu zwanej hipokampem.

Rozprzestrzenia się ona samoistnie w tkance mózgowej i może „przeskakiwać bezprzewodowo” z neuronów w jednej części tkanki mózgowej do drugiej. Nawet jeśli wziąć skalpel i te części po prostu chirurgicznie całkowicie oddzielić. Uzyskane wyniki były tak szokujące, że recenzenci pracy domagali się ponownego powtórzenia całego cyklu doświadczeń, zanim zezwolili na publikację. Choć swe doświadczenia uczeni z Cleveland wykonali na myszach, jest oczywistym, że ich odkrycie ma także zastosowanie do mózgu ludzkiego.

Integracja to nieustanna komunikacja

Mózg, jako część układu nerwowego, zbudowany jest głownie z komórek nerwowych – neuronów. To najbardziej wyspecjalizowane i bardzo trudne do regeneracji komórki naszego ciała. W mózgu człowieka – w samej korze mózgowej – doliczono się od kilkunastu do 30 miliardów neuronów. Każdy neuron ma swe komórkowe ciało oraz liczne stosunkowo krótkie wypustki zwane dendrytami.

Najdłuższe wypustki (na ogół występuje jedna) noszą miano aksonów. Każdy z neuronów dzięki swym wypustkom połączony jest tak anatomicznie, jak funkcjonalnie, z kilkoma tysiącami swoich kolegów. I zasadniczo bez przerwy z nimi rozmawia. To oznacza, że tych połączeń w mózgu Jana Kowalskiego może być mniej więcej tyle, co ciał niebieskich we Wszechświecie. I to one zapewniają mózgowi centralną rolę integratora i kontrolera zarządzającego naszym organizmem.

Komunikacja pomiędzy neuronami odbywa się na trzy podstawowe dotąd znane nauce sposoby. Po pierwsze w mikroprzestrzeniach pomiędzy zakończeniami pojedynczych neuronów, w tzw. synapsach. Tam na drodze chemicznej przekazywany jest sygnał o wzbudzeniu. Pobudzenie to zaś rozprzestrzenia się wzdłuż neuronu bardzo szybko jako sygnał elektryczny – miejscowa depolaryzacja błony komórkowej. Czyli potencjał czynnościowy. Wszystko zaś trwa milisekundę. Bo jak nauczyliśmy się jako dzieci z wierszyka Tuwima, prąd elektryczny jest „bystry”.

Co to oznacza? Neuron jest komórką pobudliwą, czyli jego błona komórkowa jest spolaryzowana (wewnątrz minus, na zewnątrz plus). Aktywność synaptyczna to zamiana na sygnał chemiczny chwilowej i przemieszczającej się wzdłuż błony aksonu depolaryzacji elektrycznej (plusy w konkretnym miejscu wchodzą do środka i taka „iskra” biegnie dalej). Sygnał chemiczny to uwolnienie na zewnątrz, do synapsy, tzw. neurotransmiterów zamkniętych dotąd w podbłonowych pęcherzykach.

Uwolnione neurotransmitery są w stanie wywołać depolaryzację w kolejnym neuronie, który ma swoje zakończenie w tej samej synapsie (czyli zmienić jego potencjał spoczynkowy na czynnościowy). On to przekaże wzdłuż swego aksonu, do kolejnej synapsy. I tak dalej, i tak dalej, aż do spolaryzowanej błony komórki efektorowej (np. mięśnia), która wykona pożądaną od niej pracę – np. skurczy się. Zaś na samym początku tego funkcjonalnego nerwowego połączenia znajduje się receptor, np. komórki pręcików i czopków w siatkówce oka, które „zobaczą” przeszkodę, jaką noga musi ominąć.

Po drugie, komunikacja pomiędzy neuronami może odbywać się bezpośrednio, w ścisłych dość połączeniach błon komórkowych, zwanych neksusami czy synapsami elektrycznymi. Są to szczelinowe połączenia jonowo-metaboliczne. Przez nie, już bez pośrednictwa pęcherzyków, pewne substancje potrafią się przemieszczać pomiędzy tak ściśle połączonymi komórkami dzięki nagromadzeniu w neksusie specjalnych kanałów białkowych. Komunikacja ta jest gwałtowniejsza niż w synapsie chemicznej.

Po trzecie, znana jest również, już od XIX wieku, komunikacja, czy raczej sprzężenie sąsiednich neuronów. Przemieszczanie się potencjału czynnościowego w aktywnym aksonie powoduje bowiem zmiany pobudliwości w sąsiednim aksonie nieaktywnym. Zmiany te przypisuje się lokalnym prądom potencjału czynnościowego. Na przykład prądy, które powodują depolaryzację (pobudzenie) aktywnego nerwu, wywołują odpowiednią hiperpolaryzację sąsiedniego włókna spoczynkowego. Tak to włókno spoczynkowe staje się chwilowo jeszcze mniej pobudliwe.

Czwarty element

Dla neurofizjologów było jasne, że ta lista nie wyczerpuje sposobów na komunikację w układzie nerwowym. Na przykład obserwowano od dekad, że mózg wykazuje powolne fale oscylacji nerwowych, pojawiających się w korze mózgowej i hipokampie, kiedy śpimy. Hipotetycznie zatem miałyby one odgrywać rolę w konsolidacji pamięci. Profesor Durand ze swoją grupą badawczą od lat badał naturę owych wolnych oscylacji w hipokampie.

To parzysta struktura niczym otwarte obręcze czy strzemiona obejmuje półkule wzgórza (centralna struktura mózgu okryta korą mózgową). To w hipokampie zagnieżdża się pamięć operacyjna. Tu znajdujemy (lub nie!) odpowiedź na pytania: „Jak ja tu trafiłem?” albo „Gdzie ja to położyłem?”, zanim rozpoczniemy gorliwą modlitwę do św. Antoniego Padewskiego.

Prof. Durand i jego zespół obserwowali owe oscylacje in vitro, badając fale mózgowe w plastrach hipokampa wyoperowanych z mózgu myszy. Odkryli oni, że powolne oscylacje mogą generować pola elektryczne, które z kolei aktywują komórki sąsiednie, stanowiące formę komunikacji neuronowej bez chemicznej transmisji synaptycznej czy innych bezpośrednich połączeń. Pamiętajmy bowiem, że wzdłuż neuronów sygnał rozprzestrzenia się już elektrycznie. Że jest dokładnie tak, jak to opisał Morfeusz Noemu w „Matrixie”: „Prawdziwe to są tylko sygnały elektryczne interpretowane przez twój mózg”.

Najbardziej szokującym odkryciem prof. Duranda było to, że te powstające pod wpływem – jak się dotąd uważa – spontanicznych oscylacji pola elektryczne mogą aktywować neurony nawet wtedy, gdy je całkowicie chirurgicznie odciąć. O ile zapewnić im następnie pozostawanie w fizycznej bliskości. To znaczy, że w mózgu można przekazać sygnał nerwowy bez żadnego realnego kontaktu. Wystarczy w miarę wspólna lokalizacja komunikujących części.


Jeszcze nie wiadomo, czemu służy w mózgu to wszystko, co właśnie odkryli Amerykanie. Wiadomo jednak, że można tę komunikację modulować za pomocą przykładania słabych pól elektrycznych. Niewątpliwy przełom w neurobiologii autorstwa prof. Duranda wymaga zatem prowadzenia dalszych badań i nad jego naturą, i poszukiwań odpowiedzi na pytanie o rolę tej nowo odkrytej metody komunikacji dla funkcjonowania naszego mózgu. A tym samym funkcjonowania nas jako istot myślących.