Twoja wyszukiwarka

MAŁGORZATA KOSSUT
W GŁĄB MÓZGU - NOBEL
Wiedza i Życie nr 3/2001
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 3/2001

Czy pamiętają państwo film "Przebudzenie" o ludziach przez wiele lat unieruchomionych i odciętych od świata przez chorobę, którzy pod wpływem nowego leku budzą się do życia? Opowiadał autentyczną historię, która nigdy nie wydarzyłaby się, gdyby nie badania Arvida Carlssona, jednego z nagrodzonych w ubiegłym roku przez komisję noblowską.

Ubiegłoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny została przyznana neurobiologom. Choć badania wszystkich trzech laureatów skupiają się wokół pytania, w jaki sposób 10 mld komórek mózgu porozumiewa się ze sobą, to w istocie każdy z nich zajmuje się czymś innym. Komisja noblowska znalazła jednak wspólny mianownik dla ich prac. Jest nim transmisja synaptyczna, a w szczególności "wolna transmisja synaptyczna", co po przełożeniu na język potoczny oznacza przekazywanie informacji między komórkami nerwowymi w stosunkowo długim czasie, w ciągu kilkudziesięciu, a nawet kilkuset milisekund, za pośrednictwem kaskady przemian chemicznych zapoczątkowanych działaniem neuroprzekaźnika (zdjęcie i rycina obok). Nie bardzo wiadomo, dlaczego komisja znalazła akurat taki łącznik. Ważniejsze jest jednak, żeby przedstawić zasługi nagrodzonych uczonych.

Arvid Carlsson jest wybitnym szwedzkim farmakologiem. Najcenniejszych odkryć dokonał w latach pięćdziesiątych oraz sześćdziesiątych i już dawno trafiły one do podręczników neurofarmakologii i neurologii. To właśnie on wykazał, że dopamina jest neuroprzekaźnikiem skoncentrowanym w częściach mózgu kontrolujących ruchy ciała, a następnie udowodnił związek między zbyt niskim jej poziomem a chorobą Parkinsona, nieuleczalnym schorzeniem rozpoczynającym się od drżenia rąk i prowadzącym do całkowitego unieruchomienia pacjenta. Efektem tego odkrycia była pierwsza stosowana do dzisiaj terapia choroby Parkinsona, polegająca na podawaniu tzw. L-DOPY, substancji, z której w mózgu powstaje dopamina. Niezwykłe efekty tej terapii opisał w swojej książce Oliver Sacks, a następnie na jej podstawie nakręcono piękny film "Przebudzenie", z Robertem De Niro i Robinem Williamsem w rolach głównych.

Kolejne prace Carlssona były związane z farmakologią zaburzeń psychicznych i uświadomiły, jak ważny jest optymalny poziom dopaminy. Groźny bywa nie tylko jej niedobór, ale i nadmiar, który może prowadzić do schizofrenii. Okazało się bowiem, że działając w innej części mózgu, dopamina kontroluje stany psychiczne. Zablokowanie działania dopaminy przez blokadę receptorów tego neuroprzekaźnika, czyli miejsc, które są jego naturalnym przeznaczeniem w mózgu, uniemożliwia przesyłanie impulsów nerwowych, co w efekcie osłabia objawy schizofrenii. Wyjaśnienie istoty działania leków przeciw tej chorobie to właśnie zasługa ubiegłorocznego noblisty.

Carlsson ma również zasługi w walce z najczęściej występującą chorobą psychiczną depresją. W latach sześćdziesiątych jego zespół opracował pierwszą klinicznie czynną substancję, która hamując usuwanie z synapsy innego neuroprzekaźnika, serotoniny, wpływa na poprawę nastroju. Te prace okazały się wizjonerskie wynaleziony dużo później prozac, najpopularniejszy obecnie lek przeciwdepresyjny, ma zbliżony mechanizm działania.

Drugi z ubiegłorocznych laureatów, Paul Greengard z Rockefeller University w Nowym Jorku, zajął się badaniem przekazywania impulsów nerwowych, dlatego że zainteresowały go prace Carlssona. Bez odwołania się do skomplikowanych pojęć biochemicznych bardzo trudno wyjaśnić istotę jego odkryć. Najogólniej rzecz ujmując, chodzi o to, że wewnątrzkomórkowe szlaki przekazywania sygnału w pobudzonym neuronie są nadzwyczaj skomplikowane, a Greengardowi udało się rzucić trochę światła na te procesy. Wykazał, że dopamina uaktywnia system tzw. wtórnych przekaźników sygnału. To wyzwala całą kaskadę reakcji, w efekcie zmienia się w pobudzonych neuronach kształt cząsteczek niektórych białek, a wraz z tym sprawność ich działania. Biorąc pod uwagę, że białkami są na przykład receptory neuroprzekaźników czy enzymy, nie sposób przecenić znaczenia tych odkryć.

Sytuacja jest bardzo zagmatwana już po zadziałaniu jednego neuroprzekaźnika, a przecież w rzeczywistości na komórki mózgu działają różne neuroprzekaźniki. Każdy z nich kreuje własny szlak przekazywania informacji i te szlaki wzajemnie na siebie wpływają. Chęć rozwikłania tego węzła może wydać się wyłącznie sztuką dla sztuki, ale takie badania mogą w przyszłości doprowadzić do stworzenia leków psychiatrycznych, które zadziałają w ściśle określonym zespole neuronów, dając lepszy efekt terapeutyczny i jednocześnie wywołując mniej objawów ubocznych. Zresztą wyniki prac zespołu prof. Greengarda są już wykorzystywane do konstruowania leków, które mają poprawiać pamięć.

Trzeci noblista, Eric Kandel z Columbia University w Nowym Yorku, otrzymał nagrodę właśnie za badanie pamięci, a konkretnie poszukiwanie molekularnych mechanizmów pamięci. Podstawą uczenia się i zapamiętywania jest zmiana sprawności przekazywania informacji pomiędzy neuronami. Zajmowało się tym problemem wielu uczonych, ale Kandel jako pierwszy wpadł na pomysł eksperymentowania na ślimaku morskim. Nieskomplikowany układ nerwowy tego stworzenia zawiera tylko 20 tys. neuronów. Okazało się, że odpowiedni wybór obiektu eksperymentów zadecydował o sukcesie. Najpierw naukowiec nauczył ślimaka, żeby cofał skrzela nie tylko pod wpływem ich dotknięcia (to wrodzony odruch mięczaka), ale także dotknięcia skóry w innym miejscu ciała. Następnie zaś rozszyfrował molekularny mechanizm, dzięki któremu było to możliwe. Odkrył w ten sposób mechanizm powstawania skojarzeń, które są najistotniejszym elementem procesu uczenia się. Innymi słowy, sprowadził pamięć, którą traktujemy jak proces psychofizjologiczny, do przemian biochemicznych.

Zdaniem Kandela mechanizm odkryty u ślimaka morskiego jest uniwersalny, występuje u wszystkich organizmów, co nie znaczy, że utworzenie śladu pamięciowego zawsze przebiega tak samo. U ślimaka kluczem do zapamiętania jest jedna cząsteczka cyklaza adenylanowa. Organizmy o bardziej skomplikowanym układzie nerwowym potrzebują więcej "klocków molekularnych" do zbudowania łańcucha przemian prowadzących do powstania śladu w mózgu.

Od niedawna Kandel bada mechanizmy uczenia w mózgach ssaków. Chce wyjaśnić, jak to się dzieje, że tzw. pamięć krótkotrwała przekształca się w długotrwałą. Jego zdaniem wiąże się to z syntezą różnych białek, ale jakie białka wytwarzane są pod wpływem sygnałów molekularnych powstających w procesie uczenia się, pozostaje na razie zagadką.

Ubiegłoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii wzbudziła pewne kontrowersje, przywykliśmy bowiem do tego, że przyznawana jest za konkretne odkrycie. To kryterium najlepiej spełniają prace Arvida Carlssona. Prace Greengarda to kontinuum badań, w których trudno wskazać najważniejszy element. A Eric Kandel wyróżniony został głównie za wizjonerstwo, które otworzyło nowe pole badań dla wielu innych naukowców.

Jak otworzyć drzwi?

Nawet w najgrubszym podręczniku neurobiologii pod redakcją jednego z ubiegłorocznych laureatów, Erica Kandela, nie ma terminu "wolna transmisja synaptyczna", którą komisja noblowska uznała za wspólny mianownik prac wszystkich trzech nagrodzonych. Warto więc wyjaśnić ten termin dokładniej. Otóż transmisja synaptyczna to przekazywanie sygnału elektrycznego z neuronu do neuronu przez złącza między nimi zwane synapsami. Impuls elektryczny przychodzący do zakończeń neuronu powoduje, że od szczeliny synaptycznej uwalniany jest z nich neuroprzekaźnik. Po drugiej stronie szczeliny znajdują się receptory neuroprzekaźników, czyli cząsteczki białka. Oddziaływanie pomiędzy neuroprzekaźnikiem i jego receptorem porównuje się do klucza i zamka jeśli do siebie pasują, można "otworzyć drzwi" do neuronu i przenieść impuls elektryczny na drugą stronę synapsy. Każdy neuroprzekaźnik może mieć wiele różnych receptorów, i to od nich zależy, czy transmisja jest wolna czy szybka. W przypadku szybkiej transmisji od razu otwierają się "drzwi", przez które przechodzą odpowiednie jony. Cała operacja przekazywania impulsu trwa wtedy około 1 ms. Natomiast przy transmisji wolnej, zanim "drzwi" dla jonów się otworzą, musi nastąpić wiele zmian wewnątrz neuronu, przygotowujących do tego, m.in. aktywacja pewnych białek znajdujących się w błonie komórkowej, zmiana ich kształtu. Oczywiście cały proces trochę trwa, więc przeniesienie impulsu następuje po kilkudziesięciu, a nawet kilkuset milisekundach.

>Prof. dr hab. MAŁGORZATA KOSSUT jest neurofizjologiem. Pracuje w Instytucie Biologii Doświadczalnej PAN im. Marcelego Nenckiego w Warszawie.