Brain Basics: The Life and Death of a Neuron
Request free mailed brochure
Wprowadzenie
Architektura neuronu
Orodzenie
Migracja
Różnicowanie
Śmierć
Nadzieja dzięki badaniom
Wprowadzenie
Do niedawna większość neuronaukowców uważała, że rodzimy się z wszystkimi neuronami, jakie kiedykolwiek będziemy mieć. W dzieciństwie możemy wyprodukować kilka nowych neuronów, które pomogą nam zbudować ścieżki – zwane obwodami neuronowymi – działające jak autostrady informacyjne między różnymi obszarami mózgu. Ale naukowcy wierzyli, że gdy obwód neuronalny był na miejscu, dodanie nowych neuronów zakłóci przepływ informacji i wyłączy system komunikacji mózgu.
W 1962 roku naukowiec Joseph Altman podważył to przekonanie, gdy zobaczył dowody neurogenezy (narodzin neuronów) w regionie mózgu dorosłego szczura zwanym hipokampem. Później doniósł, że nowo narodzone neurony migrowały z miejsca swoich narodzin w hipokampie do innych części mózgu. W 1979 roku inny naukowiec, Michael Kaplan, potwierdził odkrycia Altmana w mózgu szczura, a w 1983 roku znalazł neuronalne komórki prekursorowe w przodomózgowiu dorosłej małpy.
Te odkrycia dotyczące neurogenezy w dorosłym mózgu były zaskakujące dla innych badaczy, którzy nie sądzili, że mogą być prawdziwe u ludzi. Ale na początku lat 80-tych naukowiec próbujący zrozumieć, jak ptaki uczą się śpiewać, zasugerował, że neuronaukowcy ponownie przyjrzeli się neurogenezie w dorosłym mózgu i zaczęli dostrzegać, jak to może mieć sens. W serii eksperymentów Fernando Nottebohm i jego zespół badawczy wykazali, że liczba neuronów w przodomózgowiu samców kanarków dramatycznie wzrosła w okresie godowym. Był to ten sam czas, w którym ptaki musiały nauczyć się nowych piosenek, aby przyciągnąć samice.
Dlaczego te ptasie mózgi dodawały neurony w tak krytycznym czasie uczenia się? Nottebohm wierzył, że to dlatego, że świeże neurony pomogły przechowywać nowe wzory piosenek w obwodach neuronowych przodomózgowia, obszar mózgu, który kontroluje złożone zachowania. Te nowe neurony umożliwiły uczenie się. Jeśli ptaki wytworzyły nowe neurony, aby pomóc im w zapamiętywaniu i uczeniu się, Nottebohm pomyślał, że mózgi ssaków też mogą.
Inni naukowcy uważali, że te odkrycia nie mogą dotyczyć ssaków, ale Elizabeth Gould znalazła później dowody na istnienie nowo narodzonych neuronów w odrębnym obszarze mózgu u małp, a Fred Gage i Peter Eriksson wykazali, że dorosły ludzki mózg wytworzył nowe neurony w podobnym obszarze.
Dla niektórych neurobiologów neurogeneza w dorosłym mózgu jest nadal niesprawdzoną teorią. Ale inni uważają, że dowody oferują intrygujące możliwości dotyczące roli neuronów generowanych przez dorosłych w uczeniu się i pamięci.
Architektura neuronu
Ośrodkowy układ nerwowy (który obejmuje mózg i rdzeń kręgowy) składa się z dwóch podstawowych typów komórek: neuronów (1) i glii (4) & (6). Glia przewyższają liczbę neuronów w niektórych częściach mózgu, ale neurony są kluczowymi graczami w mózgu.
Neurony są posłańcami informacji. Wykorzystują impulsy elektryczne i sygnały chemiczne do przekazywania informacji między różnymi obszarami mózgu, a także między mózgiem a resztą układu nerwowego. Wszystko, co myślimy, czujemy i robimy, byłoby niemożliwe bez pracy neuronów i ich komórek pomocniczych, komórek glejowych zwanych astrocytami (4) i oligodendrocytami (6).
Neurony mają trzy podstawowe części: ciało komórkowe i dwa przedłużenia zwane aksonem (5) i dendrytem (3). Wewnątrz ciała komórkowego znajduje się jądro (2), które kontroluje czynności komórki i zawiera jej materiał genetyczny. Akson wygląda jak długi ogon i przenosi wiadomości z komórki. Dendryty wyglądają jak gałęzie drzewa i odbierają wiadomości dla komórki. Neurony komunikują się ze sobą, wysyłając substancje chemiczne, zwane neuroprzekaźnikami, przez maleńką przestrzeń, zwaną synapsą, między aksonami i dendrytami sąsiednich neuronów.
Istnieją trzy klasy neuronów:
- Neurony czuciowe przenoszą informacje z narządów zmysłów (takich jak oczy i uszy) do mózgu.
- Neurony ruchowe kontrolują dobrowolną aktywność mięśni, taką jak mówienie, i przenoszą wiadomości z komórek nerwowych w mózgu do mięśni.
- Wszystkie pozostałe neurony są nazywane interneuronami.
Naukowcy uważają, że neurony są najbardziej zróżnicowanym rodzajem komórek w organizmie. W obrębie tych trzech klas neuronów znajdują się setki różnych typów, każdy o specyficznych zdolnościach przenoszenia wiadomości.
To, w jaki sposób te neurony komunikują się ze sobą, tworząc połączenia, jest tym, co sprawia, że każdy z nas jest wyjątkowy w tym, jak myśli, czuje i działa.
Urodzenie
Stopień, w jakim nowe neurony są generowane w mózgu, jest kontrowersyjnym tematem wśród neuronaukowców. Chociaż większość neuronów jest już obecna w naszych mózgach w momencie naszych narodzin, istnieją dowody potwierdzające, że neurogeneza (naukowe określenie narodzin neuronów) jest procesem trwającym całe życie.
Neurony rodzą się w obszarach mózgu, które są bogate w koncentracje neuronalnych komórek prekursorowych (zwanych również neuronalnymi komórkami macierzystymi). Komórki te mają potencjał do generowania większości, jeśli nie wszystkich, różnych typów neuronów i komórek glejowych występujących w mózgu.
Naukowcy zaobserwowali, jak zachowują się neuronalne komórki prekursorowe w laboratorium. Chociaż może to nie być dokładnie to, jak te komórki zachowują się, gdy są w mózgu, to daje nam informacje o tym, jak mogą się zachowywać, gdy są w środowisku mózgu.
Nauka o komórkach macierzystych jest wciąż bardzo nowa i może się zmienić z dodatkowymi odkryciami, ale naukowcy nauczyli się wystarczająco dużo, aby móc opisać, jak neuronalne komórki macierzyste generują inne komórki mózgu. Nazywają to linią komórek macierzystych i jest to podobne w zasadzie do drzewa genealogicznego.
Neuronalne komórki macierzyste wzrastają przez podział na dwie części i wytwarzanie albo dwóch nowych komórek macierzystych, albo dwóch wczesnych komórek progenitorowych, albo jednej z nich.
Gdy komórka macierzysta dzieli się, aby wytworzyć inną komórkę macierzystą, mówi się, że odnawia się sama. This new cell has the potential to make more stem cells.
When a stem cell divides to produce an early progenitor cell, it is said to differentiate. Różnicowanie oznacza, że nowa komórka jest bardziej wyspecjalizowana w formie i funkcji. Wczesna komórka progenitorowa nie ma takiego potencjału jak komórka macierzysta, aby tworzyć wiele różnych typów komórek. Może ona jedynie tworzyć komórki w swojej szczególnej linii.
Wczesne komórki progenitorowe mogą się samoodnawiać lub iść w jedną z dwóch dróg. Jeden typ da początek astrocytom. Drugi typ ostatecznie wytworzy neurony lub oligodendrocyty.
Migracja
Od momentu narodzin neuron musi podróżować do miejsca w mózgu, w którym będzie wykonywał swoją pracę.
Skąd neuron wie, dokąd się udać? Co pomaga mu tam dotrzeć?
Naukowcy zaobserwowali, że neurony używają co najmniej dwóch różnych metod podróżowania:
- Niektóre neurony migrują, podążając za długimi włóknami komórek zwanych gliami promienistymi. Włókna te rozciągają się od wewnętrznych warstw do zewnętrznych warstw mózgu. Neurony suną wzdłuż włókien, aż dotrą do miejsca przeznaczenia.
- Neurony podróżują również za pomocą sygnałów chemicznych. Naukowcy znaleźli specjalne cząsteczki na powierzchni neuronów – cząsteczki adhezyjne – które wiążą się z podobnymi cząsteczkami na pobliskich komórkach glejowych lub aksonach nerwowych. Te sygnały chemiczne prowadzą neuron do jego ostatecznej lokalizacji.
Nie wszystkie neurony odnoszą sukces w swojej podróży. Naukowcy uważają, że tylko jedna trzecia z nich dociera do miejsca przeznaczenia. Niektóre komórki umierają podczas procesu rozwoju neuronów.
Niektóre neurony przeżywają podróż, ale kończą tam, gdzie nie powinny być. Mutacje w genach, które kontrolują migrację, tworzą obszary źle umiejscowionych lub dziwnie uformowanych neuronów, które mogą powodować zaburzenia takie jak padaczka dziecięca. Niektórzy badacze podejrzewają, że schizofrenia i zaburzenie uczenia się dysleksja są częściowo wynikiem błędnego kierowania neuronami.
Różnicowanie
Gdy neuron dotrze do miejsca docelowego, musi się wdrożyć do pracy. Ten ostatni etap różnicowania jest najmniej zrozumiałą częścią neurogenezy.
Neurony są odpowiedzialne za transport i wychwyt neuroprzekaźników – substancji chemicznych, które przekazują informacje między komórkami mózgu.
Zależnie od swojej lokalizacji, neuron może wykonywać pracę neuronu czuciowego, neuronu ruchowego lub interneuronu, wysyłając i odbierając określone neuroprzekaźniki.
W rozwijającym się mózgu, neuron zależy od sygnałów molekularnych z innych komórek, takich jak astrocyty, w celu określenia jego kształtu i lokalizacji, rodzaju przekaźnika, który wytwarza, i do których innych neuronów będzie się łączyć. Te świeżo narodzone komórki ustanawiają obwody neuronowe – lub ścieżki informacyjne łączące neuron z neuronem – które będą na miejscu przez cały okres dorosłości.
Ale w dorosłym mózgu obwody neuronowe są już rozwinięte i neurony muszą znaleźć sposób, aby się w nich zmieścić. Gdy nowy neuron się osiedla, zaczyna wyglądać jak otaczające go komórki. Wykształca akson i dendryty oraz zaczyna komunikować się z sąsiadami.
Śmierć
Mimo że neurony są najdłużej żyjącymi komórkami w organizmie, duża ich liczba umiera podczas migracji i różnicowania.
Życie niektórych neuronów może przybierać nietypowe formy. Niektóre choroby mózgu są wynikiem nienaturalnej śmierci neuronów.
– W chorobie Parkinsona neurony, które produkują neuroprzekaźnik dopaminę, obumierają w zwojach podstawy, obszarze mózgu kontrolującym ruchy ciała. Powoduje to trudności w inicjowaniu ruchów.
– W chorobie Huntingtona mutacja genetyczna powoduje nadprodukcję neuroprzekaźnika zwanego glutaminianem, który zabija neurony w zwojach podstawy. W rezultacie ludzie skręcają się i wiją w sposób niekontrolowany.
– W chorobie Alzheimera niezwykłe białka gromadzą się w neuronach i wokół nich w neocortex i hipokampie, częściach mózgu, które kontrolują pamięć. Kiedy te neurony obumierają, ludzie tracą zdolność do zapamiętywania i wykonywania codziennych zadań. Fizyczne uszkodzenia mózgu i innych części ośrodkowego układu nerwowego mogą również zabijać lub wyłączać neurony.
– Uderzenia w mózg lub uszkodzenia spowodowane udarem mogą całkowicie zabić neurony lub powoli pozbawić je tlenu i składników odżywczych, których potrzebują do przeżycia.
– Uszkodzenie rdzenia kręgowego może zakłócić komunikację między mózgiem a mięśniami, gdy neurony tracą połączenie z aksonami znajdującymi się poniżej miejsca uszkodzenia. Neurony te mogą nadal żyć, ale tracą zdolność do komunikacji.
Nadzieja dzięki badaniom
Naukowcy mają nadzieję, że rozumiejąc więcej o życiu i śmierci neuronów, mogą opracować nowe metody leczenia, a być może nawet leki na choroby mózgu i zaburzenia, które wpływają na życie milionów Amerykanów.
Najbardziej aktualne badania sugerują, że neuronalne komórki macierzyste mogą generować wiele, jeśli nie wszystkie, różne typy neuronów występujących w mózgu i układzie nerwowym. Nauka, jak manipulować tymi komórkami macierzystymi w laboratorium do konkretnych typów neuronów, mogłaby produkować świeże dostawy komórek mózgowych, aby zastąpić te, które umarły lub zostały uszkodzone.
Terapie mogłyby również zostać stworzone, aby wykorzystać czynniki wzrostu i inne mechanizmy sygnalizacyjne wewnątrz mózgu, które mówią komórkom prekursorowym, aby tworzyły nowe neurony. Umożliwiłoby to naprawę, zmianę kształtu i odnowienie mózgu od wewnątrz.
W celu uzyskania informacji na temat innych zaburzeń neurologicznych lub programów badawczych finansowanych przez National Institute of Neurological Disorders and Stroke należy skontaktować się z Brain Resources and Information Network (BRAIN) Instytutu pod adresem:
BRAIN
P.O. Box 5801
Bethesda, MD 20824
(800) 352-9424
www.ninds.nih.gov
Top
Przygotowane przez:
Office of Communications and Public Liaison
National Institute of Neurological Disorders and Stroke
National Institutes of Health
Bethesda, MD 20892
Materiały związane ze zdrowiem NINDS są dostarczane wyłącznie w celach informacyjnych i niekoniecznie stanowią poparcie lub oficjalne stanowisko National Institute of Neurological Disorders and Stroke lub jakiejkolwiek innej agencji federalnej. Porady dotyczące leczenia lub opieki nad indywidualnym pacjentem powinny być uzyskane poprzez konsultację z lekarzem, który zbadał tego pacjenta lub zna jego historię medyczną.
Wszystkie informacje przygotowane przez NINDS są w domenie publicznej i mogą być swobodnie kopiowane. Wskazanie NINDS lub NIH jest mile widziane.