Jednostavno rečeno
Istraživanje na miševima pokazalo je da mala struktura u mozgu ne šalje svima isti signal. Njene različite ćelije povezuju se s različitim dijelovima nervnog sistema i aktiviraju se u različitim situacijama. Ovo otkriće moglo bi pomoći naučnicima da bolje razumiju mozak i jednog dana razviju preciznije načine liječenja.
Od istog signala do posebnih puteva
Duboko u mozgu, blizu moždanog stabla, nalazi se mala struktura poznata kao plava mrlja, odnosno locus coeruleus. Iako je malena, njene nervne ćelije proizvode noradrenalin, hemijski glasnik koji učestvuje u regulaciji pažnje, raspoloženja i reakcija na različite situacije. Dosad se često smatralo da ova struktura djeluje poput zvučnika koji šalje istu poruku u svim pravcima, do mnogih dijelova mozga. Međutim, novo istraživanje objavljeno u časopisu Nature prikazuje drugačiju sliku: razgranatu mrežu usmjerenih puteva, čije ćelije ne reaguju sve na ista iskustva.
Istraživači iz Allen Institutea objedinili su snimanje mozga, bilježenje aktivnosti nervnih ćelija, analizu gena i eksperimente ponašanja na miševima. Nisu se bavili samo pitanjem gdje se ćelije plave mrlje nalaze. Ispitivali su i do kojih dijelova nervnog sistema dopiru njihovi nastavci, u kojim se okolnostima aktiviraju te da li se različite grupe ćelija međusobno razlikuju.
Rezultati pokazuju da ćelije ove strukture nisu jednolična skupina koja cijelom mozgu šalje isti signal. Neke su povezane s određenim područjima, dok druge šalju svoje nastavke prema različitim odredištima u nervnom sistemu. Tako mjesto na koje se oslobađa noradrenalin zavisi od toga kojim ga nervnim putem ćelije prenose, a ne od nekog neselektivnog signala koji se širi posvuda.
Uočena je jasna razlika između gornjeg i donjeg dijela plave mrlje. Ćelije u njenom dorzalnom, odnosno gornjem dijelu, uglavnom su povezane s moždanom korom i dijelovima prednjeg mozga. Nasuprot tome, putevi ćelija u ventralnom, odnosno donjem dijelu, najčešće vode prema moždanom stablu i kičmenoj moždini. Takva organizacija omogućava različitim grupama ćelija da utiču na odvojene dijelove mozga i njihove funkcije, iako pripadaju istoj strukturi.
Ova mapa ne znači da se svaka ćelija povezuje samo s jednim područjem niti da su granice između puteva potpuno nepromjenjive. Ipak, pokazuje da je sistem uređeniji nego što bi se moglo zaključiti iz ideje o jednom signalu koji se širi na sve strane. Ista hemijska supstanca može imati različite uloge, zavisno od puta kojim se prenosi, moždanih krugova do kojih stiže i trenutka u kojem se ćelije aktiviraju.
Ćelije mijenjaju aktivnost tokom učenja
Istraživački tim pratio je aktivnost ćelija dok su miševi obavljali zadatke u kojima su morali donositi odluke i mijenjati ponašanje. Kada bi životinje naišle na nepovoljan ishod, a zatim promijenile svoj izbor, aktivnost grupe ćelija u gornjem dijelu plave mrlje porasla je. Te ćelije povezane su s moždanom korom. Nalaz upućuje na to da učestvuju u učenju iz ishoda i prilagođavanju izbora, a ne samo u slanju signala budnosti.
Ovo zapažanje je važno jer učenje zahtijeva da mozak uporedi ono što je životinja očekivala s onim što se zaista dogodilo, a zatim razliku iskoristi za usmjeravanje narednog ponašanja. Povećana aktivnost gornjih ćelija prilikom promjene izbora ukazuje na to da je njihov put prema moždanoj kori uključen u taj proces. Ipak, sama po sebi ne dokazuje da te ćelije obavljaju sve korake učenja niti otkriva na koji se način informacije kodiraju u moždanim krugovima koji primaju noradrenalin.
Grupa ćelija u donjem dijelu pokazala je drugačiji vremenski obrazac aktivnosti. Njena aktivnost povećavala se neposredno prije nego što bi miševi zanemarili signale koji su nagovještavali mogućnost nagrade. To otvara mogućnost da su ove ćelije povezane s regulisanjem spremnosti životinje da reaguje na prilike ili signale iz okoline, umjesto da imaju istu ulogu kao ćelije koje vode prema moždanoj kori.
Razlika se, dakle, ne svodi samo na to da nervne veze idu u različitim pravcima. Ponašanje koje je pratilo aktivnost ćelija ukazuje na moguću podjelu funkcija: gornji put bio je povezan s promjenom odluke nakon lošeg ishoda, dok se aktivnost donjeg puta mijenjala prije nego što bi životinja zanemarila signal moguće nagrade. Ipak, ove rezultate treba razumjeti u okviru konkretnih zadataka na kojima su miševi testirani. Oni ne predstavljaju konačan opis svih uloga koje ove ćelije imaju u svakodnevnom životu ili kod ljudi.
Razlike se vide i u aktivnosti gena
Razlike između dvije grupe nisu se odnosile samo na položaj ćelija, odredišta njihovih nastavaka i aktivnost tokom ponašanja. Istraživači su utvrdili i da ćelije u gornjem i donjem dijelu imaju različite obrasce aktivnosti gena. Aktivnost gena označava način na koji ćelija koristi upute zapisane u genima kako bi stvarala molekule koji utiču na njenu građu i rad.
Ovaj nalaz dodaje još jedan sloj mapi: ćelije koje šalju veze prema različitim područjima razlikuju se i po svojim genima. To je u skladu s mogućnošću da su se specijalizovale za različite uloge i da njihove molekularne osobine doprinose razlikama u aktivnosti. Međutim, postojanje različitih genetskih obrazaca ne znači da su istraživači već pronašli gotovu terapiju ili jedan gen koji upravlja svakom funkcijom. Rezultati, umjesto toga, pružaju osnovu za preciznije proučavanje identiteta ovih ćelija.
U istraživanju je povezano više nivoa analize, od nervnih veza i aktivnosti živih ćelija do ponašanja i genetskih osobina. Prednost takvog pristupa je u tome što svaka vrsta podataka odgovara na drugo pitanje: kuda ćelije idu, kada se aktiviraju, po čemu se razlikuju i kako je njihova aktivnost povezana s ponašanjem životinje? Kada se odgovori sagledaju zajedno, organizacija plave mrlje postaje jasnija nego što bi je pokazala samo anatomska mapa.
Nervni nastavak izuzetne dužine
Dok su mapirali nervne puteve, istraživači su došli i do zanimljivog otkrića o veličini nekih ćelija. Sveobuhvatnim snimanjem mozga proučili su oko 35 hiljada nervnih ćelija, a analizirali su i genetske podatke za približno 400 hiljada ćelija. Osim toga, rekonstruisali su građu nekoliko složenih nervnih ćelija u cijelosti, uključujući njihove duge nastavke.
Nastavci kojima nervna ćelija prenosi signale drugim ćelijama nazivaju se aksoni. Prema mjerenjima iz istraživanja, prosječna dužina aksona ćelija plave mrlje iznosila je oko 35 centimetara. Jedan od aksona koje je tim rekonstruisao imao je ukupnu dužinu od 70,32 centimetra, što ga čini dijelom najduže pojedinačne nervne ćelije izmjerene kod miša.
Takva dužina može djelovati iznenađujuće s obzirom na veličinu mišjeg mozga, ali ona ne znači da ćelija oslobađa hemijski glasnik u svim dijelovima mozga. Ćelija čiji se akson protezao na veliku udaljenost prenosila je noradrenalin do širokog područja moždane kore, ali taj se akson nije pružao do malog mozga, moždanog stabla ni kičmene moždine. Važno je, dakle, razlikovati dužinu puta od širine njegovog odredišta. Ćelija može preći veliki razmak i dosegnuti široko područje, a da pritom ne obuhvati cijeli nervni sistem.
Ovo zapažanje dodatno podupire glavnu ideju istraživanja. Dug akson ne znači da se signal širi nasumično. Ćelija i dalje ima granice u pogledu područja do kojih dopire, a čini se da se mreža plave mrlje sastoji od ćelija s različitim mapama povezivanja, a ne od istovjetnih ćelija koje sve obavljaju isti posao.
Zašto bi nova mapa mogla biti važna za medicinu?
Noradrenalin učestvuje u regulaciji pažnje i raspoloženja, zbog čega lijekovi koji utiču na njegov sistem imaju primjenu u liječenju depresije, anksioznosti i poremećaja pažnje i hiperaktivnosti. Ćelije plave mrlje spadaju i među moždane ćelije koje počinju propadati u ranim fazama Alzheimerove bolesti. Zbog toga je razumijevanje organizacije nervnih puteva važno pitanje za medicinska istraživanja. Ipak, to ne znači da je u ovom istraživanju testiran neki lijek ili dokazan novi način liječenja bilo kojeg od ovih stanja.
Lijekovi koji mijenjaju djelovanje noradrenalinskog sistema mogu istovremeno uticati na više moždanih krugova. Zbog toga bi koristan učinak na jednom putu mogao biti praćen neželjenim djelovanjem na drugim putevima. Ako naučnici uspiju utvrditi koje su ćelije i veze povezane s određenim simptomom, možda će u budućnosti moći tražiti preciznije načine da utiču upravo na njih, umjesto da mijenjaju aktivnost cijelog sistema u velikoj mjeri.
Međutim, da bi se nalazi s miševa mogli primijeniti na liječenje ljudi, potrebno je mnogo dodatnih provjera. Ovo istraživanje provedeno je na miševima, a rezultati eksperimenata ponašanja nisu dovoljni da potvrde da isti nervni putevi kod ljudi imaju iste uloge i djeluju u istoj mjeri. Isto tako, povezanost aktivnosti određene grupe ćelija s nekim ponašanjem ne dokazuje automatski da bi njihovo aktiviranje ili utišavanje poboljšalo neko zdravstveno stanje. Neposredna vrijednost istraživanja jeste u tome što postavlja preciznija pitanja koja se mogu provjeravati u budućim radovima.
Istraživanje je podržala inicijativa za istraživanje mozga kroz razvoj inovativnih neurotehnologija, poznata pod nazivom BRAIN Initiative, pri američkim Nacionalnim institutima za zdravlje. Podrška naglašava koliko se istraživanje oslanjalo na različite alate za posmatranje mozga, od analize velikog broja ćelija do rekonstrukcije složenih nervnih nastavaka.
Moguća veza između sistema za učenje
Istraživači su ukazali i na zanimljive sličnosti između sistema noradrenalina i dopamina. Dopamin šalje signale bazalnim ganglijama, području koje učestvuje u stvaranju navika. Naučnici smatraju da bi ova dva sistema mogla sarađivati u procesu učenja i možda pomagati mozgu da istovremeno usvaja različite vrste pojmova.
Ovo poređenje ne pretvara istraživanje u studiju o dopaminu: njegov glavni predmet i dalje su organizacija ćelija plave mrlje i njihovi nervni putevi. Ipak, rezultati se uklapaju u šire pitanje: kako različiti hemijski sistemi usklađuju svoje djelovanje da bi mozak učio iz iskustva i birao kako će reagovati? Način na koji ova saradnja funkcioniše i dalje nije razjašnjen do kraja, pa su potrebna dodatna istraživanja. Samo utvrđivanje puteva noradrenalina ne daje konačan odgovor.
Zaključak
Istraživanje Allen Institutea, objavljeno u časopisu Nature, nudi detaljniju sliku plave mrlje: male strukture sastavljene od grupa ćelija koje se razlikuju po vezama, odredištima, aktivnosti i obrascima aktivnosti gena. Kod miševa su ćelije gornjeg dijela, povezane s moždanom korom, bile povezane s učenjem i promjenom izbora, dok su ćelije donjeg dijela, čiji putevi uglavnom vode prema moždanom stablu i kičmenoj moždini, pokazale drugačiji obrazac aktivnosti. Istraživači su otkrili i izuzetno duge aksone: prosječna dužina iznosila je oko 35 centimetara, a jedan je dosezao 70,32 centimetra. Ovi nalazi ne nude gotovu terapiju, ali daju jasniju sliku o tome kako se noradrenalin usmjerava kroz mozak. Takođe pružaju osnovu za buduća istraživanja koja će ispitati može li ciljano djelovanje na pojedine nervne puteve pomoći u boljem razumijevanju moždanih poremećaja i preciznijem liječenju.