Układ nerwowy: Ciekawe zagadnienia neurobiologiczne.

BLUE BRAIN PROJECT

Blue Brain Project jest  projektem stworzenia wirtualnego mózgu przez symulację komputerową działania każdego neuronu. Został on rozpoczęty w maju 2005 roku przez Politechnikę Federalną w Lozannie w Szwajcarii, zaś obecnie uczestniczy w nim kilka ośrodków, m.in. w Hiszpanii, Wielkiej Brytanii, USA, a także Izraelu. Kierownikiem projektu jest Henry Markram. Celem projektu jest zrozumienie działania mózgu ssaków przy wykorzystaniu technik inżynierii wstecznej. Inżynieria wsteczna, zwana również odwrotną lub tzw. programowaniem zwrotnym stanowi proces badania produktu, np. urządzenia lub programu komputerowego w celu ustalenia, jak on dokładnie działa, a także w jaki sposób oraz jakim kosztem jest wykonany. Proces ten jest prowadzony przede wszystkim w celu zdobycia informacji niezbędnych do skonstruowania odpowiednika badanego produktu. Inne pośrednie cele projektu to m.in. stworzenie Ośrodka Symulacji Mózgu, w którym będzie możliwe tworzenie symulacji mózgów różnych gatunków, w różnych skalach dokładności oraz z różnymi zaburzeniami; udowodnienie skuteczności i dokładności symulacji poprzez stworzenie i przetestowanie szczegółowego modelu kolumny neuronalnej wewnątrz zakrętu zaśrodkowego młodego szczura; użycie symulacji do odkrycia podstawowych zasad budowy i funkcjonowania mózgu, a także wykorzystanie tych zasad do stworzenia większych i dokładniejszych modeli mózgu oraz opracowanie strategii modelowania całego mózgu człowieka.

We wstępnej fazie projektu, która została ukończona w grudniu roku 2006, udało się stworzyć symulację działania pojedynczej kolumny neuronalnej w mózgu szczura. Kolumna taka ma objętość około 0,5 mm³ i zawiera około 10 tysięcy neuronów, około 200 różnych typów, połączonych około 30 milionami synaps. W przeprowadzonej symulacji sieć neuronów była poddawana działaniu sygnałów przypominających te, jakie odbierałyby w mózgu szczura. Zaobserwowano ponadto tworzenie się nowych połączeń synaptycznych i reagowanie grup neuronów w synchronicznych wyładowaniach. W kolejnych latach symulacja została zoptymalizowana i powiększono jej skalę. Np. w 2011 roku, za pomocą superkomputera Blue Gene/P o mocy 56 TFLOPS (FLOPS, z ang. FLoating point Operations Per Second - to w układzie informatycznym jednostka mocy obliczeniowej, czyli liczby działań arytmetycznych, jakie może wykonać komputer w danym czasie. FLOPS nie stanowi jednostki SI, lecz można interpretować go jako jednostkę o wymiarze 1/s) stworzono symulację obwodu, który zawierał 100 kolumn neuronalnych. Symulacja ta zawierała około miliona neuronów i około miliarda połączeń neuronalnych. Odpowiada to skali mózgu pszczoły. W 2014 roku planowane jest stworzenie symulacji całego mózgu szczura (około 100 razy większej). Ponieważ kora nowa ludzkiego mózgu, odpowiedzialna jest za wyższe procesy poznawcze, zawiera 15-33 miliardów neuronów, z któ®ych każdy może mieć do 10 tysięcy połączeń synaptycznych. Henry Markram szacuje ilości informacji, potrzebnych do odtworzenia jego funkcjonalności na 500 petabejtów. Przewiduje również, że superkomputery o wystarczającej mocy obliczeniowej, aby przetworzyć taką ilość danych, powstaną około 2020 roku.

DARWINIZM NEURALNY

Darwinizm neuralny można definiować jako teorię świadomości, która mówi, iż świadomość jest w stanie wyjaśniona być poprzez analogię doboru naturalnego odniesioną do stanów neuralnych (zamiast genów). Może być również definiowany jako proces w rozwoju układu nerwowego polegający na podtrzymywaniu połączeń synaptycznych, które są używane, oraz na zamieraniu synaps nieużywanych. 

Na podstawie materiału dowodowego można postulować, iż te dwa rozumienia darwinizmu neuralnego w istocie są wzajemnie się uzupełniające, tzn. trwałe wzorce aktywacji neuronalnej mają wpływ na wzrost, śmierć i powstawanie synaps nerwowych, natomiast wzorce połączeń nerwowych są substratem wzorców aktywności neuronalnej. 

Twórcą teorii darwinizmu neuralnego był Gerald Edelman - amerykański biolog molekularny i biochemik, a także laureat Nagrody Nobla z 1972 roku. W swych badaniach wyizolował on ciężkie i lekkie łańcuchy immunoglobulin a także podał ich sekwencję aminokwasową. Za wyjaśnienie struktury chemicznej immunoglobulin wraz z Rodneyem Robertem Porterem otrzymał w 1972 roku Nagrodę Nobla z dziedziny medycyny i fizjologii. Opracował również ogólną teorię rozwoju układu nerwowego i prowadził badania nad morfogenezą. 

Współczesnymi proponentami tej teorii są Daniel Dennett i William H. Calvin.

METODA CLARITY

CLARITY (ang. Clear, Lipid-exchanged, Acrylamide-hybridized Rigid, Imaging/Immunostaining compatible, Tissue hYdrogel) - jest to metoda służąca do otrzymywania preparatów biologicznych w postaci przezroczystych mózgów, po ich wcześniejszej izolacji. Wyizolowany mózg umieszczony zostaje w mieszaninie, której główne składniki stanowią monomery (np. akrylamidu) a także aldehyd mrówkowy. Podczas inkubacji przeprowadzanej w temperaturze 4 °C monomery wraz z aldehydem mrówkowym przenikają w głąb tkanki. Następuje wiązanie monomerów do białek, kwasów nukleinowych i małych cząsteczek, takich jak neurotransmitery. W kolejnym etapie podgrzanie próbki do temperatury 37 stopni Celsjusza wywołuje polimeryzację monomerów, a w konsekwencji stworzenie swoistej, akrylamidowej siatki. Siatka ta wiąże cząsteczki, które  obdarzone są konkretnymi grupami funkcyjnymi, których pozbawione są lipidy błon komórkowych. Dzięki temu przeprowadzenie elektroforezy na tym etapie umożliwia "wymycie" z mózgu lipidów błonowych, pozostawiając jedynie siatkę akrylamidową ze związanymi białkami i kwasami nukleinowymi.

Źródło: news.mit.edu

Mózg otrzymany tą metodą pozostaje cały, nietknięty, z biomolekułami znajdującymi się na ich pierwotnym miejscu. Lipidy naturalnie obecne w tkance stanowią znaczną barierę dla światła oraz cząsteczek używanych podczas badań, np. przeciwciał. W mózgach CLARITY brak lipidów pozwala na znacznie efektywniejsze wykorzystanie technik m.on. mikroskopii oraz immunocytochemii. Dzięki temu można zobaczyć więcej oraz dotrzeć głębiej w tkankę. Ponadto jest możliwe badanie mózgu jako nienaruszonej całości, zaś w konsekwencji lepsze zbadanie połączeń występujących pomiędzy różnymi obszarami mózgu. 

Metoda CLARITY w uproszczeniu: Mózg wydaje nam się pod mikroskopem tworem nieprzezroczystym, który okryty jest przez tłustą materię, która przysłania komórki nerwowe i działa jak izolacja instalacji elektrycznej. Technika CLARITY polega na usuwaniu tłustego okrycia - powoduje to, iż mózg zaczyna wydawać się przezroczysty i ukazuje złożone ścieżki nerwowe. Można dzięki temu zobrazować sieci neuronowe w mózgu, np. w mózgu myszy. 

Pierwotnie naukowcy tworzyli wodny żel wewnątrz mózgu (przeważnie w mózgu martwej myszy), by utrzymać całą strukturę w całości. Później umieszczali mózg w naładowanym elektrycznie detergencie. Rozpuszczał on warstwę tłuszczu. Następnie używano pola elektrycznego, by owy tłuszcz odessać. Czasem jednak pole elektryczne uszkadzało tkanki i powodowało inne komplikacje. Obecnie opracowana została nowa metoda odciągania tłuszczu (przez Deisserotha i współpracowników), która opiera się na użyciu związków chemicznych i ciepłej kąpieli. Określamy ją mianem "pasywnego CLARITY". 

Badacze używają CLARITY, by obrazować pośmiertne mózgu dawców, którzy cierpieli na różnego rodzaju choroby takie jak np. autyzm. Dzięki temu można je lepiej zrozumieć i opracować nowe metody leczenia. 

Kolejnym etapem było stosowanie kolorowej sondy, by oznaczyć tkankę lub rodzaj komórki w mózgu. Sprawia to, że świecą one np. na zielono, niebiesko, czerwono, gdy pada na daną tkankę konkretny rodzaj światła. 

Źródła: Wikipedia, wiedzoholik.pl

KONEKTOMY

Konektom stanowi kompletną mapę połączeń sieci neuronalnych. Termin ten odnosi się do sieci połączeń w mózgu i jest używany także w celu określenia kompletnej mapy połączeń nerwowych u gatunków, które nie posiadają ośrodkowego układu nerwowego takich jak np. C. elegans. Nauka, która zajmuje się badaniem oraz mapowaniem konektomu nosi nazwę konektomiki. Samo zaś pojęcie konektom wprowadzono po raz pierwszy w pracach naukowych z 2005 roku niezależnie od siebie. Zrobili to dwaj autorzy: Olaf Sporns z Indiana University i Patrick Hagmann ze Szpitala Uniwersyteckiego w Lozannie. 

Źródło: socmucimm.org - C. elegans

Pierwszy i dotychczas jedynym w pełni poznanym konektomem jest sieć połączeń neuronów w układzie nerwowym nicienia Caenorhabditis elegans. Została ona opracowana przez trójwymiarową rekonstrukcję struktury nerwów przy użyciu mikroskopii elektronowej. Wynik prac opublikowany został w 1986 roku. Układ nerwowy C. elegans składa się tylko z 300 neuronów. W latach 70. i 80-tych zespół naukowców opisał wszystkie 7 tysięcy połączeń międzyneuronalnych. W poniższym diagramie każdy punkt stanowi neuron, zaś każda linia stanowi pewne połączenie: 

Nasze konektomy są jednakże dużo bardziej złożone niż konektom nicienia C. elegans. Nasz mózg zawiera 100 miliardów neuronów i 10 tysięcy razy tyle połączeń. Konektom ten zawiera milion razy więcej połączeń niż jest liter w naszym genomie. Jest to ogromna ilość informacji. 

Od XIX wieku neurobiolodzy interesowali się, czy nasze wspomnienia i informacje, które kształtują naszą tożsamość są zapisane w połączeniach między neuronami. Zastanawiali się czy nasza osobowość lub intelekt również zapisane są w owych połączeniach. O technologiach opracowywania konektomów opowiada w poniższym filmie Sebastian Seung - koreańsko-amerykański ekspert w zakresie neurobiologii. 

Interesujący jest fakt, iż konektom przechodzi zmiany w czasie - podobnie jak człowiek, który rozwija się w dzieciństwie i dorośleje później. Neurony, niczym drzewa mogą wypuszczać nowe gałęzie i tracić stare; mogą powstać nowe synapsy, zaś stare mogą zostawać usunięte. Synapsy mogą zwiększać swą objętość, lecz są w stanie się również zmniejszać. Do pewnego stopnia zmiany te zaprogramowane są genetycznie, jednakże mamy również impulsy elektryczne, które biegną po rozgałęzieniach neuronalnych i sygnały chemiczne, które przeskakują z jednego neuronu na drugi. Zjawisko to nazywamy aktywnością neuronową. Prawdopodobnie to właśnie w aktywności neuronowej zakodowane są nasze myśli, uczucia, przeżycia wewnętrzne. Istnieją również dowody na to, że aktywność neuronowa jest w stanie powodować zmiany w połączeniach. Oznacza to, iż nasze doznania i doświadczenia są w stanie zmienić nasz konektom. To właśnie dlatego każdy jest inny, nawet u bliźniaków jednojajowych. To tutaj styka się natura z kulturą. Myślenie samo w sobie, może powodować nawet zmiany w konektomie, np. dzięki ważnej dla nas idei. 

W celu wytłumaczenia zasady działania konektomu można posłużyć się metaforą strumienia. Koryto strumienia nadaje kierunek wodzie. Woda w strumieniu nieustannie płynie, niczym aktywność neuronowa nieustannie się zmienia. Połączenia w sieci neuronów w mózgu zaś warunkują możliwe ścieżki dla aktywności neuronowej. Konektom jest zatem niczym koryto strumienia. Jednakże warto również wziąć pod uwagę to, iż koryto strumienia - owszem, kieruje przepływem wody, jednakże z biegiem czasu woda również zmienia ułożenie koryta. Podobnie aktywność neuronowa jest w stanie zmieniać połączenia. W związku z tym, że aktywność neuronowa to fizjologiczna podstawa naszych myśli, uczuć i doznań, możemy mówić nawet o strumieniu świadomości.

SYNAPTOSOMY:

Synaptosom - jest to artefaktowe (z łac. arte factum - "stworzone przez sztukę lub technikę; wyrób rzemieślniczy", czyli struktura tkanki lub komórki, która powstała w procesie przygotowywania danego preparatu biologicznego, niestniejąca faktycznie w żywym organizmie (biofakt)) struktury powstałe podczas frakcjonowania preparatów tkanki nerwowej będące oderwanymi zakończeniami nerwów (aksony), zawierającymi w szczególności obszar synaptyczny wraz z przylegającymi do niego rejonami komórki nerwowej oraz z błoną komórki postsynaptycznej. Synaptosomy zamykają w swoim wnętrzu pęcherzyki synaptyczne i są bogate w białka synaptyczne.

Synaptosomy tworzą się podczas mechanicznego odrywania zakończeń nerwowych podczas procesu izolacji np. na drodze wirowania różnicowego. Są ponadto źródłem do izolacji pęcherzyków synaptycznych i służą do badań funkcji i budowy synaps na poziomie molekularnym.

Synaptosomy zostały po raz pierwszy wyizolowane w 1958 roku, zaś dwa lata później za pomocą mikroskopii elektronowej potwierdzono ich pochodzenie. Termin synaptosomy został wprowadzony przez V.P. Whittakera i współpracowników.