O plastyczności synaps i nie tylko

Otrzymałem ten artykuł od Tomka. Rzeczywiście wyjaśnia ciekawie i klarownie tematy nas interesujące w zakresie neuroprzekaźników, synaps i neuronów. Polecam Wam wszystkim.

Nobel 2000 w dziedzinie fizjologii i medycyny

Irena Nalepa 
13.12.2001

dla Arvida Carlssona, Paula Greengarda i Erica Kandela za odkrycia w badaniach nad przekazywaniem sygnału w systemie nerwowym

Ostatnia w XX wieku Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny przypadła trzem wybitnym uczonym, których prace z zakresu farmakologii, biochemii i neurobiologii stanowią podstawę rozwoju współczesnej neurologii i psychiatrii. Należy podkreślić, że wprawdzie Arvid Carlsson, Paul Greengard i Eric Kandel dokonali odkryć na polu badań podstawowych, czyli nauki akademickiej, to ich wyniki znalazły w pełni zastosowanie praktyczne. Chociaż mózg wciąż jawi się nam jako tajemniczy i najbardziej skomplikowany twór we wszechświecie, to odkrycia dokonane przez tegorocznych laureatów Nagrody Nobla pozwoliły poznać i zrozumieć różnorodne procesy towarzyszące jego czynnościom biologicznym. Dokonane częściowo już ponad dwadzieścia lat temu były inspiracją dla wielu innych naukowców badających funkcjonowanie mózgu.

Nagroda dla Arvida Carlssona z Uniwersytetu w Goeteborgu została przyznana za odkrycie dopaminy jako neuroprzekaźnika i jej roli w kontrolowaniu zdolności organizmów do poruszania się. Początkowo uważano, że dopamina jest prekursorem innego neuroprzekaźnika – noradrenaliny. Pod koniec lat 50. Carlsson rozwinął wysokoczułą metodę pomiaru stężenia dopaminy w mózgu i stwierdził, że występuje ona w innych niż noradrenalina obszarach mózgu. W konsekwencji wysnuł wniosek, że jest ona neuroprzekaźnikem. Największe stężenia dopaminy występowały w tych obszarach mózgu, które odgrywają zasadniczą rolę w kontrolowaniu zwierzęcej motoryki.

W kolejnych badaniach, stosując rezerpinę niszczącą wewnątrzneuronalne pęcherzyki będące magazynem monoaminergicznych neuroprzekaźników, zaobserwował, że wywołany w ten sposób deficyt dopaminy w mózgu powoduje zaburzenia w poruszaniu się zwierząt, bardzo podobne do tych, jakie obserwowano u chorych na chorobę Parkinsona. Podanie zwierzętom L-dopy, prekursora dopaminy przywracało im zdolność prawidłowego ruchu i powodowało normalizację stężenia dopaminy w mózgu. Wprawdzie Carlsson nie ustalił przyczyn choroby Parkinsona, ale dokonane przez niego odkrycia były inspiracją dla Horynkiewicza, który zaczął badać stężenia dopaminy w istocie czarnej mózgu chorych i stwierdził, że deficyt tej aminy biogennej jest przyczyną parkinsonizmu. Naturalną konsekwencją tych badań było wprowadzenie preparatów L-dopy do leczenia klinicznego. Oprócz stworzenia możliwości niesienia pomocy osobom cierpiącym na chorobę Parkinsona badania przeprowadzone przez Carlssona umożliwiły zrozumienie mechanizmu działania innych leków. Wykazał on, że leki antypsychotyczne używane przede wszystkim w leczeniu schizofrenii wpływają na przekaźnictwo synaptyczne, blokując receptory dopaminowe. To odkrycie miało także duże znaczenie w procesie tworzenia nowych generacji leków przeciwdepresyjnych, takich jak selektywne inhibitory wychwytu serotoniny.

Pod koniec lat 60. wiedziano już, że nie tylko noradrenalina i serotonina, ale, dzięki Carlssonowi, także dopamina pełni rolę neuroprzekaźnika w centralnym systemie nerwowym. Niemniej jednak mechanizm ich działania w dalszym ciągu nie był wyjaśniony.

Paul Greengard z Uniwersytetu Rokefellera otrzymał Nagrodę Nobla za odkrycie mechanizmu przekazywania przez dopaminę i inne neuroprzekaźniki sygnału w obrębie synaps. Neuroprzekaźnik, oddziaływujący z receptorem na powierzchni błony neuronu, uruchamia kaskadę reakcji, które w konsekwencji zmieniają aktywność kluczowych białek regulujących jego funkcjonowanie. Greengard odkrył, że fosforylacja lub defosforylacja pewnych kluczowych dla neurotransmisji białek prowadzi do modulacji ich funkcji. W ten sposób dochodzi do przekazywania informacji niesionej przez neuroprzekaźnik z jednej komórki nerwowej do drugiej. Noradrenalina, serotonina, dopamina oraz niektóre neuropeptydy przekazują sygnał w sposób określany jako wolna transmisja synaptyczna (slow synaptic transmission). Wywoływane przez nią zmiany w funkcjonowaniu komórek nerwowych mogą trwać od kilku sekund do wielu godzin. Ten typ przekazywania sygnału jest odpowiedzialny za wiele podstawowych funkcji nerwowych, np. regulowanie nastroju czy gotowość odpowiedzi na stres.

Wolna transmisja synaptyczna może kontrolować szybką transmisję synaptyczną (fast synaptic transmission), co umożliwia mówienie, poruszanie się i odbieranie bodźców. Paul Greeengard wykazał, że gdy dopamina stymuluje receptor na powierzchni błony komórkowej, dochodzi do wytworzenia w neuronie wtórnego przekaźnika – cyklicznego AMP (odkrycie cyklicznego AMP zawdzięczamy E. Sutherlandowi nagrodzonemu za to Nagrodą Nobla pod koniec lat 60.). Cykliczny AMP aktywuje enzym – białkową kinazę A fosforylującą różne białka komórkowe. Jedną z najważniejszych grup białek ulegających fosforylacji są białka kanałów jonowych zlokalizowanych w błonie komórki. Regulują one stopień pobudzenia neuronu, umożliwiając jednocześnie przesyłanie impulsów elektrycznych wzdłuż aksonu, aż do jego zakończenia.

Neurony posiadają różne kanały jonowe determinujące reakcję danej komórki nerwowej. Fosforylacja określonego kanału może zmienić pobudliwość neuronu, a tym samym wywołać zmianę jego funkcji. Kolejne odkrycie dokonane przez Greengarda dotyczyło roli białka DARPP-32. Dopamina i inne neuroprzekaźniki (poprzez cykliczny AMP i kinazę A) mogą aktywować DARPP-32. Będąc białkiem regulatorowym, DARPP-32 w sposób pośredni wpływa na otwieranie kanałów jonowych, modulując tym samym funkcjonowanie synapsy. Odkrycia Paula Greengarda dotyczące roli fosforylacji białek w funkcjonowaniu neuronu umożliwiły również zrozumienie biochemicznego mechanizmu działania wielu leków, w tym leków psychotropowych.

Fosforylacja białek ma zasadnicze znaczenie w odkryciach dokonanych przez trzeciego laureata Nobla. Eric Kanedl, obywatel amerykański pochodzenia austriackiego, profesor Columbia University, został nagrodzony za odkrycie molekularnych mechanizmów odgrywających ważną rolę w tworzeniu pamięci. Początkowo Kandel zaczął badać procesy uczenia i zapamiętywania u ssaków. Jednak ten model, ze względu na ogromną ilość połączeń neuronalnych, okazał się zbyt skomplikowany, aby zrozumieć podstawy procesów pamięciowych. Zdecydował się więc na zastosowanie prostszego modelu eksperymentalnego, wybierając system nerwowy ślimaka morskiego Aplysia californica. Układ nerwowy tego zwierzęcia składa się "tylko" z około 20 000 stosunkowo dużych komórek nerwowych. Poza tym ślimak wykonuje prosty odruch obronny. Gdy jakiś bodziec zadziała na syfon (stymulacja neuronu czuciowego), Aplysia kurczy skrzela (neuron sensoryczny pobudza neuron motoryczny i pojawia się skurcz). Takie zwierzę mogło być więc zastosowane jako model do badania podstaw procesów uczenia. Kandel stwierdził, że pewne bodźce powodują wzmocnienie odruchu obronnego u ślimaka. Ponieważ utrzymywało się ono przez wiele dni, a nawet tygodni, było więc formą uczenia się.

Uczenie się, zdolność do zmian zachowania w wyniku przeżytych doświadczeń jest związane z pamięcią, czyli ze zdolnością do przechowywania (magazynowania) i wywoływania (pobierania z magazynów) informacji na temat zmian. Kandel wykazał, że uczenie się zachodziło w wyniku wzmocnienia sygnału w synapsie będącej punktem kontaktowym pomiędzy neuronem odbierającym bodźce czuciowe a komórką nerwową pobudzającą grupy mięśni ślimaka. W wyniku dalszych eksperymentów uznał, że słaby bodziec stymulujący wytwarza tzw. pamięć krótkotrwałą (short term memory) trwającą od kilku minut do kilku godzin. Do powstawania takiej formy pamięci dochodzi w wyniku (stymulowanego bodźcem) otwarcia kanałów jonowych w błonie neuronu, co powoduje napływ jonów wapnia do wnętrza komórki, a to z kolei uwolnienie neuroprzekaźnika do przestrzeni synaptycznej.

Otwarcie kanałów jonowych jest możliwe dzięki reakcji fosforylacji białek kanału (odkrytej przez Greengarda). Mocniejszy i dłużej trwający bodziec powoduje formowanie pamięci długotrwałej (long term memory) trwającej przez wiele tygodni. Zwiększa się wówczas ilość cyklicznego AMP, którego cząsteczki aktywują białkową kinazę A. Enzym ten fosforyluje kolejne białka komórkowe. Gdy sygnał dotrze do jądra komórkowego, następuje modulacja ekspresji różnych genów, również tych, które kodują białka synaptyczne. W wyniku produkcji nowych białek zmienia się kształt synapsy, co powoduje silniejszy i przedłużony kontakt między komórkami nerwowymi. Do pojawienia się pamięci długotrwałej konieczne jest więc wytworzenie nowych białek. Jeżeli ich synteza zostanie zatrzymana, pamięć długotrwała będzie zablokowana, natomiast krótkotrwała nie ulegnie zmianie. W ten sposób Eric Kandel udowodnił, że u ślimaka morskiego obie formy pamięci są zlokalizowane w synapsie.

W latach 90. badania przeprowadzone przez Kandela na myszach wykazały, że mechanizm formowania pamięci u ssaków jest podobny. Procesy opisane powyżej zachodzą także podczas tworzenia się pamięci u człowieka. Chociaż droga do pełnego zrozumienia funkcjonowania pamięci ludzkiej jest wciąż jeszcze bardzo długa, to odkrycia dokonane przez Kandela są niewątpliwie "kamieniem milowym" na tej drodze.

Dużą rolę w dokonywaniu nowych odkryć naukowych odgrywa nie tylko własna praca uczonego, ale także jego zdolności do syntezy informacji pochodzących z badań dokonanych przez poprzedników. Już w XIX wieku wybitny neuroanatom Santiago Ramon y Cajal przypuszczał, że w trakcie uczenia się tworzą się nowe synapsy. Najwybitniejszy polski neurobiolog Jerzy Konorski pod koniec lat 40. naszego stulecia postawił tezę dotyczącą powstawania śladu pamięciowego. Zakładała ona, że bodźce przechodzące przez synapsę wytwarzają dwa typy zmian: zawsze występujące, ale przemijające zmiany konieczne polegające na pobudzeniu synapsy i przekazaniu sygnału oraz zawsze występujące trwałe zmiany fakultatywne, które jeżeli nastąpią, powodują zmianę funkcjonowania neuronu.

W ten sposób narodziła się teoria plastyczności synapsy i synaptycznej pamięci, której ostateczny kształt nadał Kanadyjczyk Donald O. Hebb. Założył on, że jeżeli dostatecznie często nastąpią równocześnie zmiany dwóch neuronów, położonego przed i za synapsą, może powstać zmiana plastyczna. W wyniku takich zmian sygnały w określonych obwodach będą płynęły ze zmienioną szybkością lub będą kierowane na inne tory. Ci dwaj uczeni wprowadzili ponadto pojęcie potęgowania synaptycznego, tzn. zmiany siły połączeń synaptycznych w trakcie uczenia się. Rozwinięciem teorii plastyczności synaptycznej była dużo późniejsza genomowa teoria pamięci, która zakładała, że ślad pamięciowy tworzy się w wyniku swoistego pobudzenia ekspresji genów. Dochodzi do nich w wyniku uruchomienia wewnątrzkomórkowych kaskad przekazywania sygnału.

Pod koniec naszego stulecia wiemy, że ludzki mózg zawiera wiele miliardów komórek nerwowych – neuronów. Ciała komórkowe neuronu posiadają wypustki dendrytyczne i aksonalne, które tworzą skomplikowaną sieć połączeń komunikacyjnych pomiędzy poszczególnymi komórkami nerwowymi umożliwiającą zachodzenie procesów przekazywania sygnału w obrębie układu nerwowego. Przekazanie sygnału odbywa się w specjalnych miejscach kontaktowych nazywanych synapsami. Synapsa jest miejscem maksymalnego zbliżenia zakończeń dendrytu lub aksonu jednej komórki nerwowej do wypustek lub ciała komórkowego drugiego neuronu. W ten sposób poszczególne neurony mają liczne "skrzynki kontaktowe", a odbierany i przekazywany dalej sygnał może być bardzo zróżnicowany.

Szacuje się, że na każdy neuron przypada średnio około tysiąca synaps. Informacja pomiędzy komórkami nerwowymi jest przenoszona najczęściej w postaci mieszanego sygnału elektryczno-chemicznego. Sygnał elektryczny, czyli fala depolaryzacji, przebiega w obrębie jednego neuronu i docierając następnie do jego zakończenia, powoduje uwolnienie zeń pakietu molekuł neuroprzekaźnika pełniącego rolę sygnału chemicznego (np. noradrenaliny, dopaminy, serotoniny). Oddziałując ze strukturami receptorowymi następnego neuronu (błona postsynaptyczna), powoduje on szereg zmian chemicznych i fizycznych prowadzących do generacji następnego sygnału elektrycznego. Także po pobudzeniu neuronu uruchamiane są związane z receptorami białka enzymatyczne i dochodzi do wytworzenia wtórnych przekaźników – cylicznego AMP i innych, które z kolei aktywują enzymy – białkową kinazę A i inne kinazy białkowe odpowiedzialne za procesy fosforylacji różnych kluczowych białek komórkowych.

W wyniku fosforylacji dochodzi do zmian w ilości i aktywności białek pełniących różnorakie funkcje w komórce. Efektem tych procesów może być np. zmiana aktywności kanałów wapniowych i ilości wapnia napływającego do komórki, ale również uruchomienie tzw. czynników transkrypcyjnych, które regulują ekspresję różnych genów, w wyniku czego może powstać nowe białko, a w konsekwencji nowe synapsy. Jeśli spróbowalibyśmy potraktować pamięć synaptyczną jako uniwersalną "pamięć" komórek nerwowych, to teoria synaptycznej pamięci będzie tłumaczyć nie tylko procesy zapamiętywania, ale także może znaleźć zastosowanie przy rozważaniu długotrwałych zmian w funkcjonowaniu układu nerwowego, takich jak choroby psychiczne, uzależnienia od narkotyków czy zmiany w funkcjonowaniu układu nerwowego w wyniku działania leków psychotropowych. Przekazywanie takiego sygnału, który wywołuje zmiany w ekspresji genów, wymaga wieloetapowej modulacji oraz odpowiednio długiego czasu i nazywane jest wolną transmisją synaptyczną (slow synaptic transmission).

Odkrycia dokonane przez tegorocznych laureatów nagrody Nobla dotyczą tego jednego typu przekazywania sygnału i wskazują, że jest on konieczny do wywołania długotrwałych zmian w funkcji układu nerwowego. Podsumowując obecny stan wiedzy na temat przekazywania sygnału nerwowego, można łatwo docenić wielkość odkryć nagrodzonych ostatnią w XX wieku Nagrodą Nobla.

dr hab. n. przyr. Irena Nalepa
Instytut Farmakologii PAN