Nowe komórki nerwowe w dojrza³ym mózgu - Neuro
advertisement
Nowe komórki nerwowe w dojrza∏ym mózgu Wbrew powszechnemu przekonaniu mózg doros∏ego cz∏owieka wytwarza nowe komórki nerwowe. Czy ta nowo odkryta zdolnoÊç przyczyni si´ do opracowania lepszych metod leczenia schorzeƒ neurologicznych? Gerd Kempermann i Fred H. Gage P rzeci´ta skóra zagoi si´ w ciàgu kilku dni. Z∏amana noga zazwyczaj si´ zroÊnie, je˝eli zostanie prawid∏owo nastawiona. Prawie wszystkie tkanki ludzkie zachowujà przez ca∏e nasze ˝ycie zdolnoÊç do samonaprawy. W znacznej cz´Êci zawdzi´czamy to wszechstronnoÊci komórek macierzystych, które w nieograniczonym niemal czasie podzia∏em i generowaniem nie tylko w∏asnych wiernych kopii, lecz równie˝ wielu ró˝nych rodzajów komórek przypominajà komórki rozwijajàcego si´ zarodka. Doskona∏ym przyk∏adem jest odmiana komórek macierzystych wyst´pujàca w szpiku kostnym. Mogà one daç poczàtek wszystkim komórkom krwi: krwinkom czerwonym, p∏ytkom i ca∏ej gamie krwinek bia∏ych. Inne rodzaje komórek macierzystych produkujà ró˝ne sk∏adowe skóry, wàtroby lub Êluzówki jelit. Mózg doros∏ego cz∏owiek mo˝e czasami ca∏kiem dobrze skompensowaç doznane uszkodzenia, tworzàc nowe po∏àczenia pomi´dzy zachowanymi komórkami nerwowymi (neuronami). Nie potrafi jednak dokonaç samonaprawy, poniewa˝ brakuje mu komórek macierzystych umo˝liwiajàcych regeneracj´ neuronów. Tak przynajmniej uwa˝a∏a do niedawna wi´kszoÊç neurobiologów. W listopadzie ub. r. Peter S. Eriksson z Sahlgrenska Universitetssjukhuset w Göteborgu (Szwecja) i Gage (wspó∏autor tego artyku∏u) z Salk Institute for Biological Studies w La Jolla w Kalifornii (USA) wraz z kilkoma wspó∏pracowni- kami opublikowali zaskakujàcà informacj´, ˝e mózg doros∏ego cz∏owieka regularnie produkuje nowe neurony, przynajmniej w jednej ze swoich struktur – w hipokampie, czyli obszarze istotnym dla procesów pami´ci i uczenia si´. (Hipokamp nie jest miejscem przechowywania Êladów pami´ciowych, ale pomaga w ich odk∏adaniu po otrzymaniu sygna∏ów z innych obszarów mózgu. Osoby, które dozna∏y uszkodzenia tej struktury, majà k∏opoty z przyswajaniem wiedzy, ale umiejà przywo∏ywaç informacje nabyte w okresie wczeÊniejszym.) Bezwzgl´dna liczba nowo powstajàcych komórek jest stosunkowo ma∏a w porównaniu z ca∏kowità liczbà neuronów w mózgu. Niemniej listopadowe odkrycie w zestawieniu z wynikami najnowszych eksperymentów na zwierz´tach otwiera przed medycynà kilka bardzo obiecujàcych perspektyw. Z rezultatów aktualnie prowadzonych badaƒ wynika, ˝e komórki macierzyste produkujà neurony w jeszcze jednej okolicy mózgu, a znajdujà si´ równie˝, chocia˝ uÊpione, w kilku innych obszarach. A zatem okazuje si´, ˝e doros∏y mózg, który tak s∏abo radzi sobie z samonaprawà, w istocie skrywa znaczny potencja∏ regeneracyjny. Je˝eli badacze zdo∏ajà si´ nauczyç, jak pobudzaç istniejàce komórki macierzyste do produkowania znaczàcej liczby funkcjonalnych neuronów w wybranym obszarze mózgu, umo˝liwi im to zapewne ∏agodzenie wszelkich zaburzeƒ zwiàzanych z uszkodzeniami i Êmiercià komórek nerwowych – w tym choroby Alzheimera, Parkinsona oraz upoÊledzeƒ towarzyszàcych udarom i urazom mózgu. Wskazówki i... wàtpliwoÊci Odkrycie, ˝e mózg doros∏ego cz∏owieka mo˝e produkowaç nowe neurony, by∏o zaskakujàce, chocia˝ na zachodzenie tego procesu od wielu lat wskazywa∏y badania mózgów innych doros∏ych ssaków. Na przyk∏ad ju˝ w 1965 roku Joseph Altman i Gopal D. Das z Massachusetts Institute of Techno- HIPOKAMP PRZYK¸ADOWA KOMÓRKA ZIARNISTA OBSZAR CA3 zaznaczony fragment MÓZG CZ¸OWIEKA MÓZG GRYZONIA AKSON WN¢KA HIPOKAMP 24 ÂWIAT NAUKI Lipiec 1999 WARSTWA KOMÓREK ZIARNISTYCH ZAKR¢TU Z¢BATEGO PRZYK¸ADOWY NEURON PIRAMIDOWY roku, w których doros∏e ptaki uczà si´ swoich pieÊni. Nottebohm i jego wspó∏pracownicy wykazali te˝, ˝e formowanie neuronów w hipokampach doros∏ych sikor wzrasta w okresach wymagajàcych nasilenia procesów pami´ciowych, w szczególnoÊci wtedy, gdy ptaki muszà zapami´taç coraz bardziej odleg∏e i rozproszone êród∏a pokarmu. Te spektakularne odkrycia wywo∏a∏y ponowne zainteresowanie neurogenezà u doros∏ych ssaków i rozwa˝ania nad ewentualnymi zdolnoÊciami regeneracyjnymi dojrza∏ego mózgu cz∏owieka. Optymizm wynikajàcy z faktu, ˝e neurogeneza mo˝e zachodziç równie˝ u ludzi, by∏ jednak krótkotrwa∏y. Mniej wi´cej w tym samym czasie Pasko Rakic i jego wspó∏pracownicy z Yale University przeprowadzili pionierskie badania nad neurogenezà u doros∏ych naczelnych. Praca ta, bardzo rzetelna jak na owe czasy, nie wykaza∏a powstawania nowych neuronów w mózgach doros∏ych makaków. Przeciwko zachodzeniu tego procesu w mózgu doros∏ego cz∏owieka przemawia∏y równie˝ argumenty logiczne. Biolodzy wiedzieli, ˝e w toku ewolucji neurogeneza ulega∏a ograniczeniom, w miar´ jak mózg stawa∏ si´ coraz bardziej z∏o˝ony. Podczas gdy jaszczurki i inne ni˝sze zwierz´ta mogà korzystaç z dobrodziejstwa regeneracji neuro- nalnej nawet w przypadku rozleg∏ych uszkodzeƒ mózgu, ssaki nie majà takich mo˝liwoÊci. Rozsàdne wi´c wydawa∏o si´ za∏o˝enie, ˝e dodawanie nowych komórek do misternie utkanej sieci neuronów ludzkiego mózgu zaburzy∏oby ustalony porzàdek przep∏ywu sygna∏ów wzd∏u˝ ustalonych szlaków. Pierwsze oznaki, ˝e takie rozumowanie mo˝e byç b∏´dne, pojawi∏y si´ dopiero kilka lat temu. Najpierw zespó∏ kierowany przez Elizabeth Gould i Bruce’a S. McEwena z Rockefeller University oraz Eberharda Fuchsa z Deutsches Primatenzentrum GmbH w Getyndze odkry∏ w 1997 roku, ˝e neurogeneza zachodzi w pewnym stopniu w hipokampie spokrewnionego doÊç blisko z naczelnymi wiewiórecznika pospolitego. Nast´pnie w marcu 1998 roku stwierdzono to samo zjawisko u pazurkowców. Pokrewienstwo tych ma∏p z ludêmi jest mniejsze ni˝ makaków, nale˝à one jednak do naczelnych. 3 NOWY NEURON MIGRUJÑCA KOMÓRKA 2 1 KOMÓRKI POTOMNE KOMÓRKI MACIERZYSTEJ KOMÓRKA MACIERZYSTA NARODZINY KOMÓREK NERWOWYCH, czyli neuronów, w mózgu doros∏ego cz∏owieka udokumentowano w hipokampie, obszarze istotnym w procesach pami´ciowych. Etapy tego zjawiska, zachodzàcego w zakr´cie z´batym hipokampu (diagram na sàsiedniej stronie), ustalono pierwotnie u gryzoni. Najpierw nie wyspecjalizowane komórki macierzyste dzielà si´ (1) na pograniczu warstwy komórek ziarnistych (zawierajàcej globularne cia∏a komórkowe neuronów ziarnistych) i wn´ki (obszaru sàsiadujàcego, zawierajàcego aksony, czyli przewodzàce sygna∏y wypustki neuronów ziarnistych). Nast´pnie niektóre z powstajàcych komórek potomnych migrujà g∏´biej w warstw´ komórek ziarnistych (2). Ostatecznie cz´Êç z nich ró˝nicuje si´ w neurony ziarniste (3) z ich charakterystycznymi wypustkami. ÂWIAT NAUKI Lipiec 1999 25 TOMO NARASHIMA logy opisali produkcj´ komórek nerwowych (neurogenez´) w hipokampach doros∏ych szczurów, dok∏adnie w tym samym obszarze, w którym stwierdzono obecnie zachodzenie tego procesu u ludzi (mowa o zakr´cie z´batym). Póêniejsze badania potwierdzi∏y to, co opisali Altman i Das, ale wi´kszoÊç naukowców nie uzna∏a tego za dowód, ˝e neurogeneza w mózgach doros∏ych ssaków zachodzi w stopniu znaczàcym lub ˝e wskazuje na mo˝liwoÊç posiadania pewnych zdolnoÊci regeneracyjnych przez mózg ludzki. Jednà z przyczyn by∏ fakt, ˝e dost´pne wówczas metody nie pozwala∏y dok∏adnie oceniç liczby nowo utworzonych neuronów ani ustaliç ponad wszelkà wàtpliwoÊç, ˝e powstajàce komórki sà na pewno neuronami. Ponadto sama idea istnienia komórek macierzystych mózgu nie zosta∏a jeszcze sformu∏owana. Naukowcy sàdzili wi´c, ˝e nowe komórki nerwowe tworzy∏y si´ jedynie poprzez podzia∏ w pe∏ni dojrza∏ych neuronów – niewiarygodnie trudny wyczyn. Nie doceniano równie˝ znaczenia tych wyników dla procesów zachodzàcych w mózgu cz∏owieka; po cz´Êci dlatego, ˝e nikomu nie uda∏o si´ do tego czasu przedstawiç dowodów na zachodzenie neurogenezy w mózgach ma∏p, które jako naczelne bli˝sze sà cz∏owiekowi genetycznie i fizjologicznie ni˝ inne ssaki. Tak si´ sprawy mia∏y a˝ do po∏owy lat osiemdziesiàtych, kiedy Fernando Nottebohm z Rockefeller University wywo∏a∏ poruszenie w Êrodowisku zajmujàcych si´ tà dziedzinà badaczy, publikujàc zdumiewajàce wyniki prac nad mózgami doros∏ych kanarków. Odkry∏ on, ˝e neurogeneza zachodzi u tych ptaków w oÊrodkach mózgu odpowiedzialnych za uczenie si´ Êpiewu i co wi´cej, proces ten nasila si´ w tych porach Zdj´cia: LINDA KITABAYASHI Salk Institute DOWODEM POWSTAWANIA NOWYCH NEURONÓW w dojrza∏ym mózgu cz∏owieka sà m.in. te mikrofotografie tkanki hipokampalnej z mózgu zmar∏ych na raka doros∏ych pacjentów. Neurony na otrzymanych ró˝nymi metodami obrazach zaznaczone sà na czerwono. Kolor zielony w neuronach na ilustracji z lewej i ciemny obszar neuronów na ilustracji z prawej oznaczajà, ˝e chromosomy tych komórek zawierajà bromodeoksyurydyn´ (BrdU), substancj´, którà wstrzykni´to pacjentom, aby oceniç szybkoÊç rozrostu guza. BrdU jest wbudowywana w DNA komórek podlegajàcych podzia∏om (takich jak komórki macierzyste), ale nie wbudowuje si´ w ju˝ istniejàce neurony. Jej obecnoÊç Êwiadczy wi´c, ˝e zawierajàce jà komórki zró˝nicowa∏y si´ w neurony ju˝ po podaniu BrdU pacjentom w zaawansowanym wieku. Odpowiedzi na pytanie, czy neurogeneza zachodzi u osób doros∏ych, mog∏y, rzecz jasna, udzieliç tylko badania przeprowadzone bezpoÊrednio na ludziach. Sàdzono jednak, ˝e sà one niewykonalne, poniewa˝ metody zastosowane do wykazania neurogenezy u zwierzàt nie wydawa∏y si´ odpowiednie w przypadku cz∏owieka. Metody te ró˝nià si´ nieco mi´dzy sobà, ale z regu∏y opierajà si´ na tym, ˝e komórki przed podzia∏em duplikujà swoje chromosomy, co umo˝liwia komórkom potomnym otrzymanie ich pe∏nego zestawu. W doÊwiadczeniach na zwierz´tach badacze zazwyczaj wstrzykujà im substancj´, która zostaje nast´pnie wbudowana tylko do DNA komórek przygotowujàcych si´ do podzia∏u, a potem znacznik ten mo˝na wyÊledziç. Staje si´ ona cz´Êcià DNA powstajàcej komórki potomnej i przekazywana jest kolejnym jej generacjom. Po pewnym czasie niektóre z oznaczonych komórek zaczynajà si´ ró˝nicowaç, tj. specjalizowaç, przekszta∏cajàc si´ w okreÊlone rodzaje neuronów lub w komórki glejowe (stanowiàce drugà z podstawowych grup komórek w mózgu). Odczekawszy, a˝ do tego dojdzie, naukowcy wyjmujà mózg zwierz´cia i tnà go na skrawki, które sà nast´pnie barwione na obecnoÊç neuronów oraz gleju i oglàdane pod mikroskopem. Mo˝na za∏o˝yç, ˝e komórki zawierajàce znacznik (sygna∏ Êwiadczàcy o pochodzeniu od ulegajàcych podzia∏owi komórek pierwotnych) przekszta∏ci∏y si´ w komórki nerwowe ju˝ po jego wprowadzeniu do organizmu. W pe∏ni zró˝nicowane neurony si´ nie dzielà, a zatem nie mogà wbudowaç znacznika. Chorzy na raka wskazali drog´ Takich badaƒ nie mo˝na oczywiÊcie przeprowadzaç na ˝ywych ludziach. Przeszkoda ta wydawa∏a si´ nie do pokonania, dopóki Eriksson nie znalaz∏ 26 ÂWIAT NAUKI Lipiec 1999 rozwiàzania wkrótce po zakoƒczeniu urlopu naukowego sp´dzonego w naszym zespole w Salk. Jako klinicysta pe∏ni∏ pewnego dnia dy˝ur wraz z onkologiem. Podczas pogaw´dki dowiedzia∏ si´, ˝e u˝ywany przez nas znacznik podlegajàcych podzia∏om komórek u zwierzàt – bromodeoksyurydyna (BrdU) – stosowany by∏ równie˝ u niektórych nieuleczalnie chorych z rakiem j´zyka i krtani. Ludzie owi obj´ci byli programem badawczym, w którym dzi´ki tej w∏aÊnie substancji monitorowano rozrost guza. Eriksson uÊwiadomi∏ sobie, ˝e gdyby po ich Êmierci uda∏o mu si´ uzyskaç hipokampy, to przeprowadzane w Salk Institute analizy pozwoli∏yby zidentyfikowaç w tych strukturach neurony i ustaliç, czy któreÊ z nich zawierajà znacznik DNA. ObecnoÊç BrdU Êwiadczy, ˝e te neurony powsta∏y ju˝ po jego podaniu. Badanie takie mog∏oby dowieÊç, ˝e zasz∏a neurogeneza, przypuszczalnie na drodze namna˝ania i ró˝nicowania komórek macierzystych w mózgach doros∏ych osób. Eriksson uzyska∏ zgod´ pacjentów na poÊmiertne badanie ich mózgów. Pomi´dzy poczàtkiem 1996 roku a lutym 1998 pi´ciokrotnie gna∏ do szpitala, aby odebraç próbki mózgu zmar∏ych w wieku 57–72 lat. Zgodnie z oczekiwaniami we wszystkich próbkach stwierdzono obecnoÊç nowych neuronów, przede wszystkim tych znanych jako komórki ziarniste w zakr´cie z´batym. Dzi´ki ludziom, którzy przed Êmiercià przekazali swoje mózgi do tego celu, otrzymaliÊmy dowód na zachodzenie neurogenezy w mózgu doros∏ego cz∏owieka. (Zbiegiem okolicznoÊci by∏o, ˝e publikacja tych danych nastàpi∏a niemal jednoczeÊnie z og∏oszeniem wyników prac zespo∏ów kierowanych przez Goulda i Rakica, z których wynika∏o, ˝e neurogeneza zachodzi w hipokampach doros∏ych makaków.) OczywiÊcie samo wykazanie zachodzenia neurogenezy w mózgu doros∏ego cz∏owieka nie wystarcza. Je˝eli celem jest stymulowanie kontrolowanej regeneracji w niedomagajàcym mózgu ludzkim, to naukowcy b´dà musieli zlokalizowaç komórki macierzyste zdolne do zró˝nicowania si´ w neurony. Zechcà mieç równie˝ pewnoÊç, ˝e powstajàce z tych komórek neurony spe∏nià swoje zadanie, prawid∏owo przekazujàc i odbierajàc sygna∏y. Poniewa˝ neurogeneza w hipokampach gryzoni odzwierciedla doÊç dobrze ten sam proces zachodzàcy w mózgu cz∏owieka, w poszukiwaniach dalszych wskazówek naukowcy mogà powróciç do badaƒ na myszach i szczurach. Czy nowe neurony pe∏nià jakàÊ funkcj´? Dotychczasowe prace na gryzoniach wykaza∏y, ˝e w pewnym stopniu neurogeneza zachodzi przez ca∏e ˝ycie, nie tylko w hipokampie, lecz równie˝ w oÊrodku w´chowym. Komórki macierzyste znajdujà si´ równie˝ w takich strukturach mózgu, jak przegroda (zwiàzana z emocjami i procesami uczenia si´) i prà˝kowie (s∏u˝àce do precyzyjnej koordynacji aktywnoÊci ruchowej) oraz w rdzeniu kr´gowym. Nie wydaje si´ jednak, aby w normalnych warunkach komórki te produkowa∏y nowe neurony poza obszarem hipokampu i oÊrodka w´chowego. Gdyby przednie cz´Êci mózgu zwierz´cia by∏y przezroczyste, to cz´Êç hipokampu zwana zakr´tem z´batym widoczna by∏aby jako cienka ciemna warstwa, kszta∏tem przypominajàca nieco le˝àcà na boku liter´ V. To V zbudowane jest z zawierajàcych jàdro cia∏ komórkowych neuronów ziarnistych. Warstwa ograniczona ramionami litery V zwana jest wn´kà. Sk∏ada si´ g∏ównie z aksonów, czyli d∏ugich wypustek neuronalnych, którymi komórki ziarniste przekazujà sygna∏y do hipokampalnej stacji przekaênikowej zwanej CA3. Komórki macierzyste, z których powstajà nowe neurony, wyst´pujà na granicy mi´dzy zakr´tem z´batym a wn´kà. i aktywuje jego dzia∏anie. Przez ca∏e jednak lata odrzucali koncepcj´, ˝e usprawnienie to mo˝e choçby cz´Êciowo mieç êród∏o w produkcji nowych neuronów przez mózgi doros∏ych osobników – a przecie˝ Altman sugerowa∏ takà mo˝liwoÊç ju˝ w 1964 roku. Obecnie nowe odkrycia potwierdzi∏y, ˝e zmiany Êrodowiskowe faktycznie wp∏ywajà na neurogenez´ w doros∏ym mózgu. Dzi´ki technikom niedost´pnym w latach szeÊçdziesiàtych nasz zespó∏ wykaza∏ w 1997 roku, ˝e doros∏e myszy przeniesione do korzystniejszych warunków wytwarza∏y w zakr´cie z´batym o 60% wi´cej komórek ziarnistych ni˝ genetycznie identyczne zwierz´ta kontrolne. Lepiej równie˝ radzi∏y sobie z wymagajàcym nauki znajdowaniem wyjÊcia z wype∏nionego wodà naczynia. Bogatsze Êrodowisko stymulowa∏o neurogenez´ i proces uczenia si´ nawet u bardzo starych myszy, u których wyjÊciowy poziom powstawania nowych komórek nerwowych jest znacznie ni˝szy ni˝ u dojrza∏ych, ale m∏odych jeszcze zwierzàt. Nie chcemy twierdziç, ˝e jedynie nowe neurony by∏y odpowiedzialne za korzystne zmiany behawioralne, poniewa˝ z pewnoÊcià istotnà rol´ odgrywa∏y równie˝ zmiany w konfiguracji unerwienia i chemicznym mikroÊrodowisku badanych obszarów mózgu. Z drugiej jednak strony trudno uwierzyç, ˝e tak spektakularny wzrost produkcji nowych neuronów oraz sam fakt ewolucyjnego przetrwania neurogenezy w mózgach doros∏ych zwierzàt nie s∏u˝y ˝adnemu celowi. Poszukiwanie mechanizmów kontroli Je˝eli zgodnie z naszymi podejrzeniami powstajàce rutynowo w mózgu doros∏ego cz∏owieka neurony sà funkcjonalne, to zrozumienie mechanizmów kontrolujàcych ten proces umo˝liwi neurobiologom stymulowanie neurogenezy w tych obszarach, w których istnieje taka potrzeba. W ciàgu ostatnich kilku lat podczas badaƒ na zwierz´tach zidentyfikowano inne, prócz wzboga- WSZECHSTRONNA KOMÓRKA MACIERZYSTA ZAP¸ODNIONE JAJO 1 UKIERUNKOWANA KOMÓRKA MACIERZYSTA PREKURSOROWA KOMÓRKA MÓZGOWA 2 KOMÓRKI PREKURSOROWE TKANEK POZAMÓZGOWYCH UKIERUNKOWANA KOMÓRKA POTOMNA KOMÓRKI MACIERZYSTEJ GLIOBLAST (èRÓD¸O KOMÓREK GLEJOWYCH) NEUROBLAST 3 KOMÓRKA ZRÓ˚NICOWANA KOMÓRKA ZIARNISTA INNE NEURONY ROZWÓJ KOMÓREK ZIARNISTYCH w zarodku przebiega, jak si´ przypuszcza, etapami zaznaczonymi na rysunku kolorem zielonym. Wszechstronna komórka macierzysta, zdolna daç poczàtek ka˝demu rodzajowi komórek organizmu, produkuje wczesne komórki potomne, wÊród których znajdujà si´ nadal nie wyspecjalizowane komórki macierzyste zdolne do produkcji komórek mózgowych (1). Z tych ukierunkowanych komórek macierzystych powstajà nast´pnie macierzyste komórki potomne, których przeznaczeniem jest produkcja jedynie komórek nerwowych (2) lub glejowych (niezb´dnych do utrzymania neuronów przy ˝yciu). Ostatecznie macierzyste komórki nerwowe dajà poczàtek komórkom ziarnistym w hipokampie (3) lub innym rodzajom komórek nerwowych w pozosta∏ych obszarach mózgu. Obecnie wydaje si´, ˝e w hipokampie cz∏owieka procesy na etapach drugim i trzecim zachodzà w sposób ciàg∏y przez ca∏e ˝ycie. ÂWIAT NAUKI Lipiec 1999 27 TOMO NARASHIMA Komórki te nieustannie si´ dzielà. Wiele tych komórek potomnych jest dok∏adnà kopià komórek rodzicielskich i znaczna ich cz´Êç ginie wkrótce po powstaniu. Niektóre jednak migrujà g∏´boko do wn´trza warstwy komórek ziarnistych, gdzie przybierajà postaç komórek sàsiadujàcych wraz z wypustkami s∏u˝àcymi do przyjmowania i wysy∏ania sygna∏ów. Ich aksony przebiegajà wzd∏u˝ tych samych szlaków co aksony od dawna wyst´pujàcych tam sàsiadów. Komórki macierzyste, z których powstajà nowe neurony w obszarze w´chowym, wyÊcie∏ajà Êciany wype∏nionych p∏ynem przestrzeni mózgowych zwanych komorami bocznymi. Arturo Alvarez-Buylla i jego wspó∏pracownicy z Rockefeller University wykazali, ˝e niektóre komórki potomne komórek macierzystych z tego obszaru migrujà na znacznà odleg∏oÊç – a˝ do opuszki w´chowej, gdzie przybierajà wyglàd charakterystyczny dla neuronów tej struktury. Skoro w obu strukturach nowe neurony wyglàdajà podobnie jak ich powsta∏e znacznie wczeÊniej odpowiedniki, z du˝ym prawdopodobieƒstwem mo˝emy zak∏adaç, ˝e funkcjonujà równie˝ tak samo. Jak jednak to udowodniç? Wskazówek dostarczy∏y badania nad wp∏ywem otoczenia na anatomi´ mózgu i procesy uczenia si´. Na poczàtku lat szeÊçdziesiàtych Mark R. Rosenzweig i jego wspó∏pracownicy z University of California w Berkeley przenieÊli gryzonie z doÊç skromnych pomieszczeƒ laboratoryjnych do bardziej urozmaiconego Êrodowiska, gdzie zapewniono im bardzo du˝à przestrzeƒ i liczne grono pobratymców. Mog∏y równie˝ poruszaç si´ w nieustannie modyfikowanym przez opiekunów otoczeniu, korzystaç z bie˝ni ko∏owej i bawiç si´ rozmaitymi zabawkami. Rosenzweig i jego grupa, a póêniej równie˝ William T. Greenough z University of Illinois opisali zadziwiajàce efekty takiego polepszenia warunków ˝ycia gryzoni. W porównaniu ze zwierz´tami trzymanymi w zwyk∏ych klatkach mia∏y nieco ci´˝szy mózg, grubsze pewne struktury mózgowe, odmienne poziomy niektórych neuroprzekaêników (czàsteczek przenoszàcych pobudzajàce lub hamujàce sygna∏y z jednego neuronu na drugi), wi´cej po∏àczeƒ mi´dzyneuronalnych i wi´cej rozga∏´zieƒ wypustek nerwowych. Ponadto wypada∏y lepiej w testach uczenia si´, na przyk∏ad podczas przemieszczania si´ w labiryncie. Wyniki te Êwiadczy∏y, ˝e zmiany Êrodowiska usprawni∏y funkcje mózgowe. Neurobiolodzy przekonali si´ zatem, ˝e wzbogacenie Êrodowiska dojrza∏ych gryzoni wp∏ywa na unerwienie mózgu 28 ÂWIAT NAUKI Lipiec 1999 Zdj´cia: JAMES ARONOVSKY cania Êrodowiska, czynniki wp∏ywajàce na neurogenez´. Wyniki te stanà si´ bardziej zrozumia∏e dla czytelnika, je˝eli przypomnimy, ˝e neurogeneza jest procesem wielostopniowym, obejmujàcym podzia∏ komórek macierzystych, prze˝ycie niektórych komórek potomnych, migracj´ do miejsca przeznaczenia i ró˝nicowanie komórek. A zatem czynniki decydujàce o jednym etapie procesu majà wp∏yw na przebieg innych etapów. Nasilenie proliferacji komórek macierzystych mo˝e przyczyniç si´ do wzrostu liczby nowych neuronów, je˝eli stopieƒ prze˝ywalnoÊci komórek potomnych i nasilenie procesu ró˝nicowania b´dà sta∏e, a liczba nowo powstajàcych neuronów si´ nie zmieni – pod warunkiem, ˝e te dwa ostatnie procesy ulegnà zahamowaniu. Oznacza∏oby to te˝, ˝e nowych neuronów b´dzie przybywaç z zachowaniem liczby podzia∏ów komórek macierzystych, gdy zwi´kszy si´ prze˝ywalnoÊç i nasili ró˝nicowanie komórek potomnych. WÊród odkrytych dotychczas czynników regulacyjnych sà takie, które wydajà si´ hamowaç proces neurogenezy. Gould i McEwen stwierdzili na przyk∏ad, ˝e niektóre z regularnych sygna∏ów docierajàcych do zakr´tu z´batego mogà ograniczaç produkcj´ komórek nerwowych. Te neuroprzekaêniki, które pobudzajà wy∏adowania komórek ziarnistych, hamujà bowiem jednoczeÊnie podzia∏ komórek macierzystych w hipokampie. Neurogenez´ w doros∏ym mózgu ogranicza równie˝ wysoki poziom we krwi hormonów z grupy glikokortykoidów. W Êwietle tych wyników nie sà zapewne zaskoczeniem doniesienia tego samego zespo∏u, ˝e stres redukuje proliferacj´ komórek macierzystych hipokampu. Powoduje uwalnianie pobudzajàcych neuroprzekaêników w mózgu i uwalnianie glikokortykoidów z nadnerczy. Zrozumienie mechanizmów hamowania neurogenezy jest istotne dla opracowania sposobów przeciwdzia∏ania temu zjawisku. Ale nadal nie mamy w pe∏ni jasnego obrazu sytuacji. Na przyk∏ad wykazanie, ˝e bardzo wysokie poziomy neuroprzekaêników pobudzajàcych lub niektórych hormonów mogà ograniczaç neurogenez´, nie oznacza jeszcze, i˝by substancje te mia∏y dzia∏anie hamujàce równie˝ w ni˝szych st´˝eniach; w rzeczywistoÊci mogà dzia∏aç pobudzajàco na ten proces. Je˝eli chodzi o czynniki nasilajàce hipokampalnà neurogenez´, to zarówno my, jak i inne grupy badaczy próbowaliÊmy ustaliç, które cechy wzbogaconego Êrodowiska mia∏y najwi´kszy wp∏yw na ten proces. Gould, obecnie z Princeton University, i jej wspó∏pracownicy wykazali ostatnio, ˝e uczestniczenie w zadaniach wymagajàcych uczenia si´, nawet w standardowym Êrodowisku, wzmaga prze˝ywalnoÊç komórek powsta∏ych w wyniku podzia∏u komórek macierzystych, powodujàc wzrost liczby nowych neuronów. Tymczasem nasz zespó∏ porównywa∏ nat´˝enie neurogenezy w dwóch grupach myszy trzymanych w zwyk∏ych klatkach – do jednej z nich wstawiono bie˝ni´ ko∏owà. Myszy majàce nieograniczony dost´p do ko∏a korzysta∏y z niego cz´sto i po zakoƒczeniu doÊwiadczenia okaza∏o si´, ˝e w ich mózgach powsta∏o dwukrotnie wi´cej nowych neuronów ni˝ w mózgach osobników z grupy kontrolnej pozbawionych tej frajdy. To nasilenie neurogenezy odpowiada∏o mniej wi´cej wzrostowi obserwowanemu u myszy przebywajàcych w korzystniejszym dla nich Êrodowisku. U osobników majàcych du˝o ruchu nastàpi∏o nasilenie procesów dzielenia si´ komórek macierzystych, podczas gdy w grupie zwierzàt umieszczonych we wzbogaconym otoczeniu nie obserwowano zmian w tempie proliferacji tych komórek. W tym ostatnim przypadku (jak stwierdza Gould) stymulacja Êrodowiskowa sprzyja∏a najwyraêniej poprawie prze˝ywalnoÊci komórek potomnych, wobec czego wi´cej z nich zró˝nicowa∏o si´ w neurony. Odkrycie to wskazuje wyraênie, ˝e procesy regulujàce neurogenez´ u osobników doros∏ych sà z∏o˝one i zachodzà na kilku poziomach. Wiadomo, i˝ na neurogenez´ wp∏ywajà pewne substancje chemiczne. Wraz z naszymi wspó∏pracownikami ocenialiÊmy wp∏yw czynnika wzrostowego naskórka i czynnika wzrostowego fibroblastów, które wbrew nazwom oddzia∏ujà równie˝ na rozwój neuronów w hodowlach komórkowych. Wraz z H. Georgem Khunem z Salk Institute i Jürgenem Winklerem z University of Ca- lifornia w San Diego podawaliÊmy te substancje do bocznych komór mózgu doros∏ych szczurów, gdzie powodowa∏y one wyraêne nasilenie proliferacji wyst´pujàcych tam komórek macierzystych. Czynnik wzrostowy naskórka sprzyja∏ ró˝nicowaniu si´ powstajàcych komórek w komórki gleju opuszki w´chowej, czynnik wzrostowy fibroblastów zaÊ – w nowe neurony. Interesujàce, ˝e wywo∏anie u doros∏ych zwierzàt pewnych stanów patologicznych, takich jak napady drgawkowe lub udar mózgu, powoduje niekiedy drastyczne nasilenie podzia∏ów komórek macierzystych, a nawet neurogenez´. Pytanie, czy mózg potrafi wykorzystaç t´ reakcj´ do uzupe∏nienia ubytków neuronalnych, pozostaje na razie bez odpowiedzi. W przypadku napadów drgawkowych chaotyczne po∏àczenia tworzone przez nowe neurony mogà przyczyniç si´ do nasilenia problemu. Podzia∏y komórek macierzystych i neurogeneza Êwiadczà o tym, ˝e mózg ma zdolnoÊç do samonaprawy. Dlaczego wi´c tego na ogó∏ nie wykorzystuje? W omówionych dotàd doÊwiadczeniach zarówno my, jak i inne zespo∏y zaanga˝owane w badanie czynników regulujàcych neurogenez´ kontrolowaliÊmy jednà z mo˝liwych zmiennych – czynnik genetyczny. ObserwowaliÊmy neurologiczne reakcje na ró˝nego rodzaju bodêce u identycznych genetycznie zwierzàt (z tzw. chowu wsobnego). Innym sposobem badania czynników regulujàcych neurogenez´ jest utrzymywanie sta∏ych warunków Êrodowiskowych i porównywanie genotypu zwierzàt ró˝niàcych si´ wyraênie intensywnoÊcià wytwarzania nowych neuronów. Przypuszczalnie wÊród genów, którymi ró˝nià si´ te zwierz´ta, sà sterujàce rozwojem nowych komórek nerwowych. Zbli˝onym podejÊciem badawczym jest porównywanie 4000 2000 ÂRODOWISKO WZBOGACONE ÂRODOWISKO KONTROLNE WZBOGACONE ÂRODOWISKO ˚YCIOWE (sàsiednia strona) ma znacznà przewag´ nad standardowym Êrodowiskiem laboratoryjnym (powy˝ej), je˝eli chodzi o stymulowanie neurogenezy w zakr´cie z´batym hipokampu u myszy (wykres). Naukowcy próbujà ustaliç, które elementy wzbogaconego Êrodowiska majà najsilniejszy wp∏yw na ten proces. Wyniki najnowszych badaƒ porównujàcych zwierz´ta ˝yjàce w standardowych klatkach z osobnikami z takiego samego Êrodowiska zaopatrzonego jedynie w bie˝ni´ ko∏owà wskazujà, ˝e istotnà rol´ odgrywa samo korzystanie ze zwi´kszonej mo˝liwoÊci biegania. genów aktywnych w tych obszarach mózgu, w których zachodzi neurogeneza, z genami aktywnymi tam, gdzie procesu tego si´ nie obserwuje. Badania genetyczne trwajà. Geny s∏u˝à jako matryce do produkcji bia∏ek, na których z kolei spoczywa wi´kszoÊç komórkowych funkcji, takich jak stymulowanie podzia∏ów komórkowych, migracji i ró˝nicowania. Je˝eli wi´c uda si´ zidentyfikowaç geny uczestniczàce w wytwarzaniu nowych neuronów, badacze powinni odkryç ich produkty bia∏kowe oraz ustaliç dok∏adny udzia∏ genów i produkowanych przez nie bia∏ek w neurogenezie. Naprawianie mózgu Pilnie pracujàc, naukowcy na pewno zdo∏ajà zidentyfikowaç kiedyÊ ciàg przemian molekularnych wiodàcych od konkretnego bodêca, sygna∏u Êrodowiskowego czy wewn´trznej zmiany fizjologicznej, do okreÊlonych zmian w aktywnoÊci genetycznej powodujàcych nasilenie bàdê zahamowanie neurogenezy. Zdob´dà w ten sposób znacznà cz´Êç informacji potrzebnej do wywo∏ania regeneracji neuronalnej na ˝àdanie. Takie podejÊcie terapeutyczne polega∏oby na podawaniu substancji istotnych w regulacji procesu neurogenezy lub ich farmakologicznych odpowiedników, stosowa- niu terapii genowej w celu uaktywnienia endogennej produkcji tych substancji, przeszczepianiu komórek macierzystych, modulacji bodêców Êrodowiskowych bàdê poznawczych, ukierunkowaniu aktywnoÊci fizycznej lub dowolnej kombinacji wymienionych czynników. Kompilowanie takich technik mo˝e potrwaç dziesiàtki lat. Po opracowaniu stosowa∏oby si´ je na kilka ró˝nych sposobów. Zapewni∏yby prawdopodobnie pewien stopieƒ naprawy mózgu w obszarach, w których zachodzi neurogeneza, a tak˝e tam, gdzie wyst´pujà komórki macierzyste, w normalnych warunkach nie aktywne. Lekarze stymulowaliby migracj´ komórek macierzystych w obszary zazwyczaj przez nie omijane i doprowadzali do ró˝nicowania tych komórek w okreÊlone postacie neuronów potrzebne danemu pacjentowi. Chocia˝ te nowe komórki nie zdo∏a∏yby odtworzyç w ca∏oÊci uszkodzonych struktur ani te˝ przywróciç utraconych wspomnieƒ, ale na przyk∏ad produkowa∏yby wystarczajàce iloÊci cennej dopaminy (neuroprzekaênika, którego deficyt powoduje objawy choroby Parkinsona) lub innej potrzebnej w danym obszarze substancji. Badania prowadzone w pokrewnych dziedzinach nauki wspomagaç b´dà prace nad takimi zaawansowanymi metodami terapii. W kilku laboratoriach opracowano na przyk∏ad techniki hodowli LISA BURNETT LICZBA NOWYCH NEURONÓW 6000 pierwotnych komórek zarodkowych cz∏owieka. Te niezwykle wszechstronne komórki, pochodzàce z wczesnego stadium zarodka, mogà przekszta∏ciç si´ prawie we wszystkie rodzaje komórek spotykanych w organizmie cz∏owieka. Byç mo˝e pewnego dnia b´dziemy umieli sk∏oniç je do wytwarzania potomstwa ró˝nicujàcego si´ w okreÊlony typ neuronu. Takie komórki da∏oby si´ wszczepiaç wówczas w uszkodzone okolice mózgu, aby odtworzy∏y utraconà substancj´ neuronalnà [patrz: Roger A. Pedersen, „Pierwotne komórki zarodkowe”; Âwiat Nauki, czerwiec 1999]. Przeszczepy mogà rzecz jasna byç odrzucane przez uk∏ad odpornoÊciowy biorcy. Naukowcy opracowujà rozmaite sposoby omini´cia tej przeszkody. Jednym z rozwiàzaƒ by∏oby pobieranie komórek macierzystych z mózgu pacjenta i manipulowanie nimi zamiast komórkami pobranymi od dawcy. Opracowano ju˝ niezbyt inwazyjne techniki pobierania takich komórek od pacjentów. Te zastosowania medyczne sà oczywiÊcie w sferze projektów i obecnie ich realizacja wydaje si´ bardzo odleg∏a. Pozosta∏e do pokonania przeszkody sà rzeczywiÊcie ogromne. Przede wszystkim trzeba b´dzie w którymÊ momencie przenieÊç z gryzoni na cz∏owieka badania nad procesami regulujàcymi neurogenez´ i proponowanymi sposobami naprawy uszkodzonej tkanki mózgowej. Do prowadzenia badaƒ na ludziach, bez negatywnych skutków dla ich zdrowia, naukowcy muszà zastosowaç niezwykle przemyÊlane techniki, takie jak nieinwazyjne obrazowanie metodami czynnoÊciowego magnetycznego rezonansu jàdrowego czy emisyjnej tomografii pozytonowej (PET). Ponadto konieczne jest, by opracowali systemy zabezpieczeƒ gwarantujàce, ˝e powstajàce w mózgu lub przeszczepione doƒ nowe neurony b´dà funkcjonowa∏y zgodnie z oczekiwaniami i nie zaburzà normalnych funcji mózgu. Oczekiwane korzyÊci z uwolnienia potencja∏u regeneracyjnego mózgu w pe∏ni usprawiedliwiajà wszelkie dzia∏ania. T∏umaczy∏ Andrzej Bidziƒski Informacje o autorach Literatura uzupe∏niajàca GERD KEMPERMANN i FRED H. GAGE pracowali razem od 1995 roku, kiedy pierwszy z nich rozpoczà∏ trzyletnie studium podoktoranckie w laboratorium Gage’a w Salk Institute for Biological Studies w La Jolla w Kalifornii. Kempermann, który ukoƒczy∏ studia medyczne w Universität Freiburg w Niemczech, jest obecnie zatrudniony na stanowisku neurologa w Universität Regensburg. Gage jest od 1995 roku profesorem w Laboratorium Genetyki w Salk Institute, a od 1998 roku profesorem na Wydziale Badaƒ Uk∏adu Nerwowego University of California w San Diego. Doktoryzowa∏ si´ z neurobiologii w Johns Hopkins University w 1976 roku; przed przenosinami do Kalifornii by∏ profesorem nadzwyczajnym histologii w Lunds Universitet w Szwecji. MORE HIPPOCAMPAL NEURONS IN ADULT MICE LIVING IN AN ENRICHED ENVIRONMENT. Gerd Kempermann, H. Georg Kuhn i Fred H. Gage, Nature, vol. 386, ss. 493-495, 3 IV 1997. NEUROGENESIS IN THE ADULT HUMAN HIPPOCAMPUS. Peter S. Eriks- son i in., Nature Medicine, vol. 4, nr 11, ss. 1313-1317, XI/1998. LEARNING ENHANCES ADULT NEUROGENESIS IN THE HIPPOCAMPAL FORMATION. Elizabeth Gould i in., Nature Neuroscience, vol. 2, nr 3, ss. 260-265, III/1999. RUNNING INCREASES CELL PROLIFERATION AND NEUROGENESIS IN THE ADULT MOUSE DENTATE GYRUS. Henriette van Praag i in., Nature Neuroscience, vol. 2., nr 3, ss. 266-270, III/1999. ÂWIAT NAUKI Lipiec 1999 29
