"Ludzki mózg to ważący około 1,5 kilograma galaretowaty twór, przez który nieustannie płyną, z prędkością kilkuset kilometrów na godzinę, impulsy elektryczne. W 80 proc. składa się z wody, resztę stanowią białka, tłuszcze, cukry i sole mineralne" - przypomniano komunikacie Fundacji na rzecz Nauki Polskiej (FNP), przesłanym we wtorek PAP.

Mózg - jak podaje FNP - zbudowany jest z komórek nerwowych, czyli neuronów, których u człowieka jest prawie 100 miliardów, a każdy z nich może stworzyć wiele tysięcy połączeń z innymi neuronami, co daje niewyobrażalnie skomplikowaną sieć powiązań. Połączenia te, czyli styki komórek nerwowych, to synapsy. Liczba i rozmieszczenie synaps zmieniają się, gdy się czegoś uczymy, nabywamy doświadczeń, spotykamy nowych ludzi. Zdolność mózgu do dostosowywania się do zmieniających się warunków i okoliczności oraz reorganizacji swojej struktury pod wpływem tych bodźców to neuroplastyczność.

NEUROPLASTYCZNOŚĆ A CHOROBY MÓZGU

Neuroplastyczność jest kluczowa dla procesów uczenia się i zapamiętywania, ale także dla regeneracji po uszkodzeniach, wynikających z urazów lub chorób mózgu. Dzięki niej możliwa jest redukcja skutków np. stwardnienia rozsianego, choroby Alzhmeimera czy choroby Parkinsona. Z drugiej strony osłabiona, mało wydajna neuroplastyczność może prowadzić do wielu stanów patologicznych, takich jak uzależnienia, zaburzenia należące do spektrum autyzmu, schizofrenia, depresja czy zaburzenia afektywne dwubiegunowe. Dlatego zrozumienie mechanizmów, leżących u podstaw neuroplastyczności, dałoby niezwykłe, nowe możliwości zwalczania w zasadzie wszystkich chorób mózgu.

Takie właśnie wyzwanie badawcze stoi przed ośrodkiem BRAINCITY, działającym przy Instytucie Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN. To Międzynarodowa Agenda Badawcza (MAB) kierowana przez prof. Leszka Kaczmarka i dr hab. Ewelinę Knapską.

„Nadrzędnym celem naszej działalności będzie zrozumienie mózgu i umysłu, a dzięki temu wypracowanie nowych rozwiązań poprawiających profilaktykę, diagnostykę, monitorowanie i leczenie chorób i patologii związanych z plastycznością mózgu. Aby to osiągnąć, będziemy korzystać m.in. z nowoczesnych metod biologii molekularnej: technologii edycji genomu i manipulacji genowo-białkowych; metod precyzyjnego obrazowania i wizualizacji zarówno pojedynczych komórek i synaps, jak i aktywności sieci neuronalnych w całym mózgu oraz technik bioinformatycznych pozwalających na analizy olbrzymich zbiorów danych” – mówi cytowana w komunikacie FNP dr hab. Ewelina Knapska.

STABILNE RUSZTOWANIA

Choć sieć neuronalna ulega przebudowie przez całe życie, jej „szkielet” - czyli rusztowanie, na którym się opiera - powinno być stabilne i trwałe. To rusztowanie to sieć tzw. drzewek dendrytycznych. Mówi o nich prof. Jacek Jaworski z Międzynarodowego Instytutu Biologii Molekularnej i Komórkowej w Warszawie, laureat programu TEAM FNP. "Zmiany kształtu drzewek dendrytycznych towarzyszą procesowi starzenia się, ale także chorobom neurodegeneracyjnym (np. chorobie Alzheimera) i zaburzeniom nastroju, w tym depresji. Regulacja stabilności drzewek dendrytycznych ma zatem fundamentalne znaczenie dla funkcjonowania mózgu, a jednak jest to zagadnienie dotychczas słabo poznane" – opowiada.

W ramach tego grantu profesor i jego zespół bada, jak regulowana jest stabilność drzewek dendrytycznych. „Porównanie tych danych z analizą materiału klinicznego pozyskanego od osób z depresją pozwoli nam na określenie związku pomiędzy zaburzeniami stabilności drzewek dendrytycznych a molekularnym podłożem depresji, co może skutkować nowymi podejściami terapeutycznymi” – podkreśla prof. Jacek Jaworski.

Opracowanie nowych terapii przeciwdepresyjnych jest zadaniem niezwykle ważnym, gdyż obecnie dostępne antydepresanty działają jedynie na około 60 proc. pacjentów. Tymczasem liczba osób cierpiących na depresję wciąż rośnie: w ciągu ostatnich 30 lat zanotowano aż 50-procentowy wzrost liczby chorych. W 2016 roku to depresja i inne zaburzenia psychiczne (a nie np. choroby układu krążenia czy kostno-stawowego) były główną przyczyną zwolnień chorobowych Polaków. Zaburzenia depresyjne dotykają zarówno seniorów, osoby w średnim wieku, młodzież i dzieci.

LECZENIE DEPRESJI

Niska skuteczność leczenia depresji może wynikać z wciąż słabego rozumienia neurobiologicznych mechanizmów, leżących u podstaw tej choroby. Większość obecnych terapii koncentruje się na szlakach sygnałowych, opisanych wiele lat temu, podczas gdy patogeneza depresji jest o wiele bardziej skomplikowana. Dlatego potrzebne jest zupełnie nowe podejście do tego problemu. Prezentuje je dr Monika Bijata z Instytutu Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN w Warszawie.

„Wydaje się, że jedną z neurobiologicznych przyczyn powstania depresji jest nadmierna aktywacja enzymu MMP-9: wydzielanego na synapsach i trawiącego białka. Skąd to przypuszczenie? Stąd, że u pacjentów w czasie epizodu depresji obserwuje się podwyższony poziom MMP-9” – mówi dr Monika Bijata. W ramach grantu HOMING FNPj będzie ona badać, jak serotonina i receptory serotoninowe modulują wydzielanie MMP-9, i czy ograniczenie tego wydzielania może stanowić nową strategię leczenia przeciwdepresyjnego.

ELEKTRYCZNA STYMULACJA NA ZABURZENIA PAMIĘCI

Kolejną intrygującą zagadką jest to, jak elektryczna aktywność mózgu generuje umysł, myśli i pamięć, będące źródłem naszej tożsamości. Zbadanie elekrofizjologicznych podstaw myśli i pamięci to cel Laboratorium Elektrofizjologii Mózgu i Umysłu na Politechnice Gdańskiej. Grupa neurobiologów, fizyków, inżynierów biomedycznych i lekarzy pod kierunkiem dra Michała Tomasza Kucewicza chce uzyskać odpowiedzi na pytania, czym jest pamięć, gzie jest zlokalizowana w mózgu i jak można ją skutecznie leczyć, np. w chorobach Alzheimera czy Parkinsona.

„Do zbadania mechanizmów pamięci służy nam najnowsza technologia do pomiaru i stymulacji elektrycznej fal mózgowych” - mówi dr Kucewicz. Tłumaczy, że pomiar i stymulacja elektrycznej aktywności neuronów, podczas procesów pamięciowych u ludzi są technicznie bardzo trudne. “Dlatego wykorzystujemy rzadkie przypadki implantacji elektrod u pacjentów z padaczką i chorobami ruchu. Pacjenci są proszeni o wykonywanie zadań wyświetlanych na ekranie, np. o zapamiętywanie słów. Podczas gdy wykonują te zadania, mierzymy elektryczną aktywność w ich mózgach w określonych regionach, przy jednoczesnym użyciu technologii do śledzenia ruchów źrenicy oka. Użycie elektrod nowej generacji, stosowanych bezpośrednio w mózgu, daje nam najczystsze i najbardziej wiarygodne dane. Patrzymy też, jak wysyłanie impulsów elektrycznych do określonych regionów mózgu może poprawić pamięć i wykonywanie zadań przez pacjentów” – mówi dr Kucewicz.

Uzyskane wyniki mają nie tylko pogłębić wiedzę na temat mechanizmów pamięci i procesów myślowych u ludzi, ale także posłużyć w rozwoju nowego interfejsu mózg-komputer, służącego do leczenia chorób mózgu. Końcowy wynalazek - system do stymulacji mózgu w chorobach pamięci - zostanie opatentowany w celu komercjalizacji. Istnieje szansa, że będzie przydatny nie tylko w leczeniu deficytów pamięci, ale także zaburzeń uwagi czy nastroju. Projekt ten jest współfinansowany przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej, w ramach programu FIRST TEAM.

SMOG A MÓZG

Z kolei w Instytucie Psychologii Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie trwa interdyscyplinarny projekt badawczy NeuroSmog. Ma on odpowiedzieć na pytanie, w jaki sposób smog wpływa na rozwijające się mózgi u dzieci.

FNP przypomina, że smog to mieszanina zawieszonych w powietrzu cząsteczek pyłu z osadzonymi na nich substancjami toksycznymi, m.in. metalami ciężkimi i dioksynami. Wielkość cząsteczek jest różna – największe są ok. 100 razy mniejsze od ziarenek piasku i z łatwością wnikają do płuc. Najmniejsze przedostają się bez trudu do krwiobiegu i płynąc z krwią docierają do wszystkich narządów, a także przekraczają barierę krew – mózg. Dlatego smog może powodować stany zapalne i uszkodzenia we wszystkich tkankach i narządach, a nie tylko – jak sądzono wcześniej – w drogach oddechowych. “Z badań naukowych wynika, że kobiety ciężarne oddychające zanieczyszczonym powietrzem rodzą dzieci o mniejszej masie ciała oraz – prawdopodobnie – podatniejsze na występowanie zaburzeń neurorozwojowych, takich jak ADHD” - pisze FNP w komunikacie.

Polscy naukowcy zamierzają potwierdzić hipotezę o związku pomiędzy wdychaniem zanieczyszczeń przez kobietę w ciąży, oraz przez samo dziecko, a późniejszymi zaburzeniami samokontroli i skłonnością do zachowań impulsywnych.

Badania zostaną przeprowadzone przy natężeniach zanieczyszczeń wielokrotnie wyższych, niż te dotychczas opisane. „Nasze powietrze jest nie tylko bardziej zanieczyszczone, ale także obecne u nas zanieczyszczenia są potencjalnie bardziej toksyczne, co ma związek ze spalaniem węgla” – mówi dr hab. Marcin Szwed z Uniwersytetu Jagiellońskiego, kierujący projektem NeuroSmog.

“Dotychczasowe badania nad wpływem smogu na rozwój mózgu nie dały jasnych wyników. Jedne stosowały powierzchowne metody badań psychologicznych – zwykle kwestionariusze wypełniane przez rodziców. Inne miały zbyt małą liczbę uczestników i przez to zbyt małą moc statystyczną. W większości stosowane były bardzo podstawowe metody obrazowania mózgu. Nie były to tak naprawdę badania interdyscyplinarne. Natomiast w projekcie NeuroSmog powołujemy prawdziwie interdyscyplinarne konsorcjum”.

Naukowcy chcą nie tylko potwierdzić udział smogu w powstaniu ADHD, ale także zrozumieć mechanizmy leżące u podłoża tego zjawiska i ustalić, które konkretnie szlaki nerwowe lub które części rozwijającego się mózgu są uszkadzane przez zanieczyszczenia powietrza. Badania zostaną przeprowadzone wśród 800 dzieci w wieku 10-13 lat. Będą to zarówno dzieci ze zdiagnozowanym ADHD, jak i dzieci bez jawnych problemów neuropsychologicznych.

Oprócz nowoczesnego obrazowania mózgu, wszyscy uczestnicy badania będą poddani szczegółowym testom psychologicznym. „Sądzimy, że w wyniku realizacji projektu uzyskamy solidne i wiarygodne dane na temat tego, co mózgom dzieci robi smog w stężeniach, które spotykamy na co dzień w Polsce. Jeśli efekty smogu są rzeczywiście tak złowrogie, jak przypuszczamy, to mamy nadzieję, że nasze odkrycia poruszą do działania rządzących odpowiedzialnych za jakość powietrza w Polsce i w Europie” – podkreśla dr hab. Marcin Szwed. Projekt NeuroSmog jest realizowany dzięki grantowi TEAM-NET FNP.

PAP - Nauka w Polsce