Objavenie buniek v mozgu, ktoré vytvárajú systém určovania polohy

Vedci objavili v mozgu sústavu buniek, ktorá vytvára vnútornú mapu priestoru a umožňuje určovať polohu, smer pohybu, prejdenú vzdialenosť aj hranice okolitého prostredia. Základom tohto systému sú lokalizačné bunky v hipokampe a mriežkové bunky v entorinálnej kôre; dopĺňajú ich bunky pre smer hlavy a hraničné bunky.

Objavy Johna O’Keefa a manželov May-Britt a Edvarda Moserovcov ukázali, že mozog nefunguje iba ako jednoduchý vstupno-výstupný systém, ktorý premieňa zmyslové podnety na pohyby. Vytvára a uchováva vnútornú priestorovú mapu, vďaka ktorej sa organizmus dokáže orientovať aj pri obmedzených zmyslových informáciách.

Nervová sústava ako riadiaci systém organizmu

Na čele riadiacich systémov organizmu je nervová sústava. Má schopnosť prijímať informácie o zmenách vonkajšieho a vnútorného prostredia, tieto informácie triediť, spracúvať a vytvárať výstupné signály, ktoré privádza k výkonným orgánom (efektorom), čím primerane usmerňuje ich činnosť.

Tieto schopnosti sú dané štruktúrnymi a funkčnými vlastnosťami nervovej sústavy. Základnou štruktúrnou a funkčnou jednotkou nervovej sústavy je nervová bunka - neurón. U človeka dosiahol vývin nervovej sústavy najvyšší stupeň.

Človek má schopnosť abstraktného myslenia a emócií, ktoré sú spojené s rečou a s pracovnými výkonmi. To mu umožňuje vedecké poznanie prírody a jej aktívne ovplyvňovanie.

Nervová sústava je na rozdiel od endokrinnej (hormonálnej) sústavy presnejšia, pretože nervový vzruch aktivuje oveľa špecifickejšie miesta v organizme, pričom odozva sa objaví v zlomku sekundy a rovnako rýchlo aj odznie. Hormón pôsobí vo väčšom rozsahu a aj po dlhší čas (od niekoľkých minút až po hodiny či dni).

Z toho vyplýva, že nervové riadenie činnosti organizmu je fylogeneticky mladšie ako hormonálne. U väčšiny organizmov tvorí hormonálna a nervová sústava dokopy úzko súvisiaci neurohumorálny regulačný systém.

Centrálny a periférny nervový systém

Z hľadiska funkčného a anatomického rozdeľujeme nervovú sústavu na:

• centrálnu nervovú sústavu (CNS) - tvoria ju mozog a miecha
• periférnu nervovú sústavu (obvodovú, PNS) - tvoria ju nervy umiestnené mimo mozgu a miechy (hlavové a miechové nervy).

Z hľadiska riadenia ju delíme na:

• mozgomiechový systém (somatický) - ovládame ho vôľou
• autonómny nervový systém (vegetatívny) - pracuje nezávisle od našej vôle a riadi činnosť vnútorných orgánov.

Nervová sústava sa rozdeľuje na periférnu a centrálnu. Periférny nervový systém tvoria hlavové a periférne nervy. Tieto nervy rozvádzajú signály z mozgu k rôznym orgánom, napríklad ku svalom a tiež privádzajú signály z tela do mozgu.

Mozog tak môže prijímať informácie z prostredia (zrak, sluch, dotyk a podobne). Periférne nervy kontroluje centrálny nervový systém. Ten tvorí mozog a miecha.

Štruktúra centrálnej nervovej sústavy

Centrálna nervová sústava (CNS) je s organizmom spojená prostredníctvom periférnych nervov. Tvoria ju:

• miecha (medulla spinalis)
• mozog (encephalon)

V týchto štruktúrach sa okrem neurónov nachádza niekoľkonásobne väčšie množstvo podporných buniek - neuroglie (gliových buniek). Ich úlohou je neuróny izolovať, odstraňovať patogény a pomáhať ich vyživovať.

Najpočetnejšie z nich sú astrocyty, ktoré sprostredkúvajú transport látok z krvi do neurónov (vytvárajú dôležitú hematoencefalickú bariéru) a po mechanickom poškodení tkaniva vytvárajú zátku (jazvu), ktorá miesto zacelí.

Tieto podporné funkcie sú kritické, pretože vysoko špecializované neuróny neobsahujú centrozóm, a tak (až na vzácne výnimky) strácajú schopnosť mitotického delenia a nedokážu sa po odumretí obnoviť. Na rozdiel od nich si gliové bunky schopnosť delenia zachovávajú po celý život.

K ďalším dôležitým gliovým bunkám CNS patria oligodendrocyty vytvárajúce myelínovú pošvu axónov, mikrogliové bunky so schopnosťou fagocytózy a ependýmové bunky vystielajúce mozgové komory.

Neuróny, axóny a prenos nervového vzruchu

Biela hmota je tvorená nervovými dráhami, výbežkami nervových buniek, po ktorých sú prenášané nervové vzruchy a ich obalom, myelínom, ktorý slúži ako izolačná hmota a umožňuje rýchle vedenie vzruchu po nervových vláknach.

Nervové vlákna, ktoré majú tento obal, takzvanú myelínovú pošvu, nazývame myelinizované vlákna. Nervové vlákno, tzv. axon, spolu s nervovou bunkou sú nositeľmi funkcie v nervovom systéme.

Nervový vzruch v nervovej bunke vzniká a šíri sa po nervovom vlákne k ďalšej bunke alebo k výkonnému orgánu, napríklad ku svalu. Mnohé nervové vlákna myelínový obal nemajú.

Sú to tie vlákna, ktoré vedú vzruch pomaly a ich funkcii to neprekáža, pretože dávajú informácie napríklad vnútorným orgánom či žľazám. Myelín zaberá veľa priestoru, preto sú ním obalené len vlákna, ktoré človek potrebuje preto, aby viedli vzruch rýchlo, napríklad ku svalom.

Vzruch sa nešíri po povrchu týchto vlákien postupne, ale preskakuje po zárezoch v myelíne, ktoré sú od seba vzdialené asi 2 mm. Rýchlosť vedenia vzruchu je preto oveľa vyššia ako keď ho vedie nemyelizované vlákno.

Sivá hmota CNS je naopak tvorená telami nervových buniek. V mozgu je to mozgová kôra a podkôrová šeď (veľké podkôrové jadrá, teda veľké zhluky nervových buniek).

Miecha a jej funkcie

Hlavnou funkciou miechy u ľudí a ostatných vyšších stavovcov je najmä nervové prepojenie mozgu so zvyškom tela a prevod informácií. U nižších živočíchov, ktoré nemajú tak dobre vyvinutý mozog, je však aj dôležitým primárnym riadiacim orgánom.

Miecha (medulla spinalis) je valcovitý povrazec dlhý asi 40-45 cm a s priemerom približne 1 cm, ktorý je bezpečne uložený v chrbticovom kanáli. Pred mechanickými nárazmi ju chránia telá stavcov a mäkké mozgové obaly (pleny), medzi ktorými sa nachádza voľný epidurálny priestor a mozgovomiechový mok.

Miecha nevyplňuje celú dĺžku chrbticového kanála. Kužeľovito sa zužuje a končí sa už vo výške 1. až 2. driekového (bedrového) stavca (L1-L2), ďalej pokračuje len ako tenký väzivový povrazec.

Vďaka tomu je možné nižšie (medzi 3. a 4. stavcom) bezpečne vpichnúť ihlu a odobrať mozgovomiechový mok na diagnostiku bez rizika poškodenia miechy - tento zákrok sa nazýva lumbálna punkcia.

Biela a sivá hmota miechy

Povrchom miechy prechádzajú dve hlboké brázdy (fissura mediana anterior, sulcus medianus posterior) a v každej polovici miechy ešte dve ďalšie, plytšie brázdy. Na priečnom priereze sa miecha skladá z bielej hmoty na povrchu a zo sivej hmoty vo vnútri.

Bielu hmotu miechy tvoria myelinizované nervové dráhy, ktoré majú prevodovú funkciu. Brázdy rozdeľujú bielu hmotu v ľavej aj pravej polovici do 3 povrazcov:

• predné povrazce - prechádzajú nimi zostupné dráhy. Vedú príkazy z mozgovej kôry do svalov končatín a trupu pre vedomé pohyby. Najdôležitejšia je tu tzv. pyramídová dráha (hlavná motorická dráha), ktorá sa na hranici s predĺženou miechou kríži (preto ľavá polovica mozgu ovláda pravú polovicu tela).
• zadné povrazce - prechádzajú nimi vzostupné dráhy. Začínajú sa v receptoroch a vedú informácie (dotyk, tlak, hmat, bolesť) do vyšších oddielov mozgu.
• bočné povrazce - sú zmiešané, obsahujú vzostupné aj zostupné dráhy.

Sivá hmota má na priereze tvar písmena H (alebo motýlích krídel) a jej stredom prechádza centrálny kanálik miechy vyplnený mokom. Nervové bunky tvoriace sivú hmotu vytvárajú v mieche stĺpce, ktoré na priereze vidíme ako rohy:

• predné miechové rohy - tvoria ich motorické nervové bunky (motoneuróny), ktorých axóny vedú príkazy priamo ku kostrovým svalom
• zadné miechové rohy - tvoria ich senzitívne neuróny prijímajúce signály z periférie
• bočné miechové rohy - viditeľné najmä v hrudnej časti, nachádzajú sa v nich bunky autonómneho (vegetatívneho) nervového systému

Miechové korene a reflexy

Z postranných rýh vystupujú z miechy zväzky nervových vláken - predné a zadné miechové korene. Zadný koreň je dostredivý (aferentný, senzitívny) a nachádza sa na ňom zhrubnutina - spinálne ganglium.

Predný koreň je odstredivý (eferentný, motorický). Ich spojením vzniká zmiešaný miechový nerv (nervus spinalis). Časť miechy, z ktorej vychádza jeden pár takýchto nervov, sa nazýva miechový segment. Z miechy odstupuje celkovo 31 párov miechových nervov.

Miecha okrem prevodovej funkcie predstavuje aj dôležité reflexné ústredie. Reflex je automatická, fyziologická odpoveď organizmu na podráždenie a prebieha po dráhe nazývanej reflexný oblúk.

Skladá sa z 5 častí:

1. receptor - zaznamená podnet
2. dostredivá dráha (aferentná) - zabezpečená zadným miechovým koreňom
3. reflexné centrum - sivá hmota miechy
4. odstredivá dráha (eferentná) - zabezpečená predným miechovým koreňom
5. efektor - výkonný orgán (napr. sval alebo žľaza)

Podľa zložitosti rozdeľujeme reflexy na:

• monosynaptické reflexy - sú najjednoduchšie, dostredivý neurón sa priamo (len cez jednu synapsiu) spája s motorickým neurónom (napr. patelárny reflex - trhnutie nohou po údere kladivka pod jablčko)
• polysynaptické reflexy - medzi senzitívnym a motorickým neurónom je vložený jeden alebo viacero interneurónov (vmedzerených neurónov). Slúžia na zložitejšie, často obranné reakcie (napr. odtiahnutie ruky od horúceho predmetu)

V mieche sú uložené centrá pre dôležité nepodmienené (vrodené) reflexy, ktoré ovplyvňujú činnosť a napätie svalov bez nutnosti vedomej regulácie z mozgu.

Miecha okrem kostrového svalstva reflexne reguluje aj vyprázdňovanie močového mechúra, konečníka, sekréciu potu a napätie cievnych stien. Je aj centrom niektorých pohlavných reflexov (erekcia, ejakulácia).

Mozog ako centrum vyšších nervových činností

Mozog (encephalon) sa nachádza v lebečnej dutine, ktorá ho mechanicky ochraňuje. Skladá sa asi z 86 miliárd neurónov a u dospelého človeka váži asi 1400 až 1500 g.

Mozog aj miecha majú na svojom povrchu tri obaly, ktoré sa nazývajú pleny (meningy):

• tvrdá mozgová plena (dura mater) - vonkajšia, najpevnejšia väzivová vrstva priliehajúca ku kostiam lebky. V lebečnej dutine vytvára kanály (tzv. dutinové splavy), ktorými sa odvádza odkysličená krv z mozgu do žíl.
• pavúčnica (arachnoidea) - stredný jemný obal. Je bezcievna a nevniká do záhybov mozgu.
• cievnatka (pia mater) - vnútorná vrstva (mäkká plena), ktorá je bohato prekrvená krvnými cievami a tesne prilieha na mozog, pričom vniká priamo do všetkých jeho brázd a záhybov.

Priestor medzi cievnatkou a pavúčnicou (subarachnoidálny priestor) je vyplnený mozgovomiechovým mokom - likvorom (liquor cerebrospinalis). Je to číra mimobunková tekutina, ktorá je podobná krvnej plazme, ale za fyziologických podmienok neobsahuje takmer žiadne bunky a má len nepatrné (veľmi nízke) množstvo bielkovín.

Jeho hlavnou úlohou je mozog nadľahčovať, tlmiť nárazy a brániť tak mechanickému poškodeniu citlivých nervových buniek. Zvýšený obsah bielkovín a buniek v mozgovomiechovom moku je dôležitým klinickým znakom zápalu mozgových blán (meningitídy).

Hlavné oddiely mozgu

Mozog sa z fylogenetického hľadiska rozdeľuje na niekoľko oddielov, pričom základom sú 3 dobre diferencované časti rôzne vyvinuté u všetkých stavovcov:

• kosohranový mozog (rhombencephalon) - zadný mozog v širšom zmysle slova
• miechový mozog (myelencephalon) - predĺžená miecha (medulla oblongata)
• zadný mozog (metencephalon) - v užšom zmysle slova Varolov most (pons Varoli) a mozoček (cerebellum) - malý mozog
• stredný mozog (mesencephalon)
• predný mozog (prosencephalon) - v širšom zmysle slova medzimozog (diencephalon)
• koncový mozog (telencephalon) - predný mozog v užšom zmysle slova

Najväčšia časť mozgu u ľudí sa nazýva koncový mozog (veľký mozog) a v prevažnej miere súvisí s vyššími nervovými činnosťami, ako sú myslenie, pamäť, vedomie, duševné schopnosti, centrum reči atď., ale aj samotné riadenie alebo ovplyvňovanie ostatných oblastí mozgu.

Predĺžená miecha, Varolov most a stredný mozog tvoria tzv. mozgový kmeň (truncus cerebri), v ktorom sú centrá životne dôležitých funkcií a reflexov.

Hipokampus a priestorová pamäť

Tohtoročná Nobelova cena za fyziológiu a medicínu je vedeckým pokračovaním príbehu Henryho Molaisona, s ktorým sme sa zoznámili v minulosti (.týždeň 06/2014). Chirurg mu pre ťažkú epilepsiu odstránil kúsok tkaniva v oboch polovičkách mozgu, čím mu vyrobil nepríjemnú, ale z hľadiska vedy veľmi zaujímavú poruchu učenia a pamäti.

Henry Molaison si nevedel zapamätať žiadne nové udalosti, epizódy zo svojho života. Mal teda poruchu epizodickej pamäti. Jeho lekár sa musel každý deň nanovo predstaviť, pretože Henry si zoznámenie s ním dokázal udržať v pamäti len niekoľko minút.

Keď mu zomrela matka, zabudol na to, a keď mu to niekto pripomenul, prežíval smútok nanovo, akoby sa to prvýkrát dozvedel. Keď si zapamätávame udalosti, súčasťou spomienky sú nielen ľudia a predmety, ale aj miesto, kde sa udalosť odohrala.

Henry Molaison si nevedel spomenúť nielen na to, čo sa odohralo, ale ani na to, kde sa to odohralo. Z toho vyplýva, že časť mozgu, o ktorú prišiel, je kľúčová pre priestorovú pamäť. A to je práve téma, za ktorej objasnenie bola Johnovi O’Keefovi a manželom May-Britt a Edvardovi Moserovcom a udelená Nobelova cena.

Oblasť mozgu, ktorá Henrymu Molaisonovi chýbala, obsahuje štruktúru s názvom hipokampus. Hipokampus bola v gréckej mytológii bytosť, ktorej predná polovica vyzerala ako kôň (hippos) a zadná polovica ako morská príšera (kampos).

U človeka sa hipokampus podobá na plutvy tejto bájnej bytosti (preto ten názov). John O’Keefe poznal prípad Henryho Molaisona a iných pacientov, a preto sa v snahe poodhaliť tajomstvo priestorovej pamäti rozhodol, že bude merať elektrické výboje práve v hipokampe potkanov.

Objav lokalizačných buniek

Všimol si výnimočnú vec. Niektoré bunky boli aktívne práve vtedy, keď sa potkan pri pohybe po štvorcovej miestnosti dostal na určité miesto.

Napríklad jedna bunka vysielala elektrické výboje v severovýchodnom rohu miestnosti, zatiaľ čo iná bunka bola aktívna v strede miestnosti. Bunky dostali pomenovanie lokalizačné bunky (angl. place cells).

Zaujímavé bolo, že bunky neprestali signalizovať polohu potkana ani pri zmenách zmyslových vnemov, napríklad potme. O’Keefe na základe tohto zistenia a ďalších experimentov usúdil, že lokalizačné bunky vytvárajú vnútornú mapu priestoru, ktorá nie je priamo závislá od zmyslov.

To bolo niečo revolučné, pretože väčšina vedcov v tej dobe vyznávala behaviorizmus a myslela si, že mozog funguje ako jednoduchý vstupno-výstupný systém, premieňajúci zmyslové vstupy na pohybové výstupy, a nie ako sofistikovaný počítač na určovanie polohy.

Johnovi O’Keefovi sa podarilo ukázať, že lokalizačné bunky nekódujú iba súčasnú polohu v priestore, ale pamätajú si aj minulé polohy, a ukladajú mapu prostredia do pamäti.

Hoci ešte neexistuje priamy dôkaz, že sa podieľajú na epizodickej pamäti, je veľmi pravdepodobné, že ich odstránenie vedie k príznakom poruchy pamäti, ktoré mal Henry Molaison.

Ako lokalizačné bunky kódujú mapu

Nie je to tak, že jedna bunka reprezentuje jednu polohu alebo mapu. Jednu polohu kóduje viacero podobných lokalizačných buniek a jedna mapa je zakódovaná vo forme špecifického vzorca aktivity stoviek rôznych lokalizačných buniek.

Hipokampus potkana dokáže uložiť viaceré mapy z viacerých preskúmaných prostredí. V spánku sa vzorce aktivity lokalizačných buniek znovu prehrávajú (replay) a tým zosilňujú spojenia (synapsy) medzi bunkami, čím sa upevňuje pamäťová stopa danej mapy.

Ktovie, možno sa potkanom pritom sníva, že znovu behajú v prostredí, ktoré skúmali v bdelosti.

Objav mriežkových buniek

Aj manželia May-Britt a Edvard Moserovci boli fascinovaní otázkou, ako nám mozog pomáha pri navigácii v priestore. Poznali objavy O’Keefa a snažili sa zistiť, s akými ďalšími bunkami spolupracujú lokalizačné bunky hipokampu.

Z anatómie, ale aj z elektofyziologických meraní sa už vedelo, že hlavný vstup do hipokampu predstavuje časť mozgu, ktorá sa nachádza v blízkosti a nazýva sa entorinálna kôra.

Ento znamená vnútri a rinálny znamená čuchový. (Názov je odvodený od blízkosti tzv. čuchovej ryhy.) Práve na synaptických spojeniach medzi entorinálnou kôrou a hipokampom bolo prvýkrát objavené, že tieto spojenia je možné ich opakovanou aktiváciou zosilniť na niekoľko hodín až dní (týždeň 06/2014).

Ako sme spomenuli vyššie, takéto dlhodobé zosilnenie synáps je dôležité pre ukladanie pamäťovej stopy. Ľudia hľadali priestorové bunky v entorinálnej kôre už pred Moserovcami, ale nehľadali na správnom mieste.

May-Britt a Edvard boli prví, ktorí merali elektrické výboje v ťažko dostupnej časti entorinálnej kôry, ktorá leží (u potkana) viac vzadu a bližšie k stredu mozgu.

Odmenou im bol nečakaný a prekvapivo pravidelný vzorec aktivity buniek. Bunky, ktoré objavili, boli (na rozdiel od O’Keefových lokalizačných buniek) aktívne nielen na jednom mieste, cez ktoré prebehol potkan, ale na viacerých miestach.

Keď vo štvorcovej miestnosti označili, na ktorom mieste daná bunka vysielala elektrické výboje, dostali veľmi pekný geometrický obrazec - mriežku, pozostávajúcu z pravidelných šesťuholníkov. Preto dostali tieto bunky názov mriežkové bunky (grid cells).

Je zaujímavé, že ak chceme uložiť okrúhle útvary čo najhustejšie vedľa seba, najlepší spôsob je uložiť ich do šesťuholníkov. Zdá sa, že u mriežkových buniek mozog používa takýto úsporný spôsob ukladania informácie.

Mriežkové bunky sú v miestnosti najaktívnejšie, keď sa potkan priblíži k bodom tvoriacim šesťuholníkovú mriežku. Mriežky rôznych buniek sú však navzájom posunuté, takže rôzne bunky kódujú (pokrývajú) rôzne časti miestnosti.

Navyše, pre niektoré mriežkové bunky sú typické malé rozostupy medzi bodmi mriežky a pre iné zase veľké rozostupy. To znamená, že mriežkové bunky dokážu kódovať malé, ale aj väčšie plochy, ktoré potkan preskúmal.

Body mriežky sú niečo ako súradnice (zemepisná dĺžka a šírka), ktoré zvieraťu umožňujú zmapovať prostredie a odmerať prejdené vzdialenosti.

Ďalšie bunky navigačného systému

GPS v mozgu má pri navigácii k dispozícii nielen lokalizačné a mriežkové, ale aj ďalšie typy buniek. V entorinálnej kôre a v priľahlých oblastiach boli objavené bunky, ktoré sú aktívne pri určitej orientácii hlavy potkana.

Napríklad vždy, keď sa potkan otočí juhovýchodným smerom, zvýšia svoju elektrickú aktivitu. Podľa toho sa nazývajú bunkami pre smer hlavy (angl. head direction cells) a fungujú podobne ako kompas.

Iné bunky, nazývané hraničné bunky (angl. boundary cells), zase svojou zvýšenou aktivitou kódujú steny a hranice. Ak vložíme do stredu štvorcovej miestnosti pozdĺžnu prekážku, hraničná bunka napríklad vysiela elektrické výboje vždy, keď sa potkan pohybuje v blízkosti severnej strany prekážky, ale tiež v blízkosti severnej strany južnej steny.

Takže potkan je výborne vybavený na to, aby sa dostal z bodu A do bodu B, a zároveň spočítal súradnice, kde vlastne je a ako sa má vrátiť najkratšou cestou naspäť.

Takýto výpočet nie je jednoduchý, a v navigácii sa nazýva spočítanie alebo integrácia cesty (angl. path integration).

Lokalizačné bunky hovoria zvieraťu, kde je, bunky pre smer hlavy mu povedia, ktorým smerom ide, mriežkové bunky zmerajú prejdené vzdialenosti a hraničné bunky mu pomôžu vyhnúť sa prekážkam.

A to všetko dokáže zviera aj spamäti a bez priamej pomoci zmyslov.

Priestor ako vrodená schopnosť

Immanuel Kant bol presvedčený, že pojem priestoru je nám vrodený a nezískavame ho zo zmyslovej skúsenosti (empírie). Priestor podľa neho patrí k pojmom, ktoré máme a priori.

Je zaujímavé, že bunky pre smer hlavy sú u mladého potkana úplne vyvinuté už v 3. týždni, keď ešte nemal skúsenosť s prehľadávaním väčšieho priestoru. Niektorí to považujú za neurovedecké potvrdenie Kantovej tézy.

Aj keď je pozoruhodné, že dnes začíname niektoré filozofické názory testovať experimentálne, je predčasné dávať v prípade priestoru za pravdu Kantovi. Skúmanie vývinu GPS mechanizmov v mozgu je ešte len v plienkach, a veľa otázok je stále otvorených.

Význam objavu pre neurovedu

Objavy O’Keefa a Moserovcov sú prelomové, pretože navigácia v priestore je vďaka nim prvým prípadom vyššej mozgovej funkcie, ktorú chápeme na úrovni konkrétnych bunkových mechanizmov.

Je výnimočné, že ich výskum spojil dve odlišné úrovne - správanie buniek a správanie celého organizmu. Existujú už aj prvé štúdie molekulárnych mechanizmov, ktoré prispievajú k správnej funkcii lokalizačných a mriežkových buniek.

Asi nikde inde v neurovede neexistuje také úzke prepojenie výskumu molekúl, buniek, sietí buniek a správania organizmu.

Priestorová navigácia a Alzheimerova choroba

Výskum GPS mechanizmov v mozgu zatiaľ nepriniesol žiadne praktické aplikácie pre medicínu. Umožňuje nám však lepšie rozumieť tomu, ako vznikajú príznaky u pacientov s Alzheimerovou chorobou.

Hipokampus a entorinálna kôra patria k prvým oblastiam, ktoré sú týmto ochorením postihnuté. Nie je preto prekvapujúce, že pacienti majú často problémy s orientáciou v priestore.

Porozumenie tomu, ako fungujú zdravé bunky, možno povedie k účinnej terapii postihnutých buniek. Nahradenie poškodenej entorinálnej kôry a hipokampu protézou je zatiaľ science-fiction.

Odhalenie princípov fungovania zdravých častí mozgu je však prvým nevyhnutným krokom týmto smerom.

Ochranné a imunitné bunky v mozgu

Mikroglie tvoria asi 10-15% buniek nachádzajúcich sa v mozgu. Sú hlavnými imunitnými bunkami v centrálnom nervovom systéme (mozog a miecha).

Mikroglie sú kľúčovými bunkami pri celkovej “údržbe” a starostlivosti o mozog. Neustále kontrolujú nervové bunky a sú kľúčové pre udržiavanie normálnych funkcií mozgu.

Mikroglie neustále monitorujú funkcie nervových buniek a chránia ich. Správne fungovanie mikroglií je dôležité pre celkové zdravie a fungovanie centrálneho nervového systému.

Mikroglie sú zodpovedné za pohltenie a odstránenie bunkového odpadu, odumretých buniek a toxických bielkovín z mozgu. Správne fungujúce mikroglie bránia nadmernému zápalu čím chránia mozog pred poškodením.

Podporujú prežitie neurónov, hojenie tkanív a regeneráciu. Mikroglie hrajú kľúčovú úlohu v rôznych neurovývojových procesoch potrebných na správne dozrievanie a funkciu mozgu.

Ak sa však mikroglie aktivujú cez:

• infekcie
• traumu
• stres
• časticami odumretých baktérií, ktoré sa nazývajú lipopolysacharidy
• zápalovými cytokínmi (špeciálne bielkoviny uvoľňované pri zápaloch v tele)
• hormónmi

uvedú sa do zápalového stavu čo spôsobuje neurozápal v centrálnom nervovom systéme. Ak trvá aktivácia mikroglií dlhší čas, môže to viesť k poškodzovaniu centrálneho nervového systému.

Mikroglie a ochrana pred neurodegeneráciou

Príčinou Alzheimerovej choroby, najčastejšieho typu demencie, bývajú mikroglie. Ide o malé imunitné bunky nervového systému, ktoré tvoria 10 až 15 percent všetkých buniek nachádzajúcich sa v mozgu.

Tieto bunky zohrávajú dôležitú úlohu, lebo sú zapojené nielen do obranných procesov tela pred patogénmi, ale aj do budovania a udržiavania nervových okruhov. Správanie týchto buniek môže výrazne ovplyvniť priebeh choroby.

Vedci z Lekárskej fakulty Icahn v Mount Sinai v New Yorku spolu s výskumníkmi z Inštitútu Maxa Plancka pre biológiu starnutia v Kolíne nad Rýnom, z Rockefellerovej univerzity v New Yorku a s ďalšími významnými medzinárodnými inštitúciami identifikovali jedinečnú skupinu mikroglií, ktoré podľa odhadov chránia mozog.

Tento objav by mohol otvoriť cestu novým liečebným stratégiám zameraným na spomalenie alebo prevenciu Alzheimerovej choroby.

Podľa štúdie v časopise Nature mikroglia s nižšou hladinou transkripčného faktora nazývaného PU.1, ktorý je nevyhnutný pre vývoj imunitných buniek, a s vyššou expresiou receptora známeho ako CD28, kľúčového kostimulačného receptora na T-lymfocytoch, ktorý posilňuje ich aktiváciu a je nevyhnutný pre plnú imunitnú odpoveď, pomáha znižovať zápal mozgu.

Táto špecializovaná mikroglia spomaľuje hromadenie amyloidných plakov a šírenie toxických tau proteínov, ktoré sú hlavnými charakteristikami Alzheimerovej choroby.

Vedci myšiam vyvolali Alzheimerovu chorobu. Následne na nich aj vďaka vzorkám ľudských mozgových buniek a tkaniva preukázali, že zníženie hladiny transkripčného faktora PU.1 stimuluje mikroglie, čo spôsobuje expresiu imunitných regulačných receptorov, ktoré sa zvyčajne nachádzajú v lymfoidných bunkách.

Mikroglie potlačili zápal v celom mozgu a pomohli zachovať pamäť myší. Keď vedci odstránili receptor CD28 z tejto špecifickej podskupiny mikroglií, zápal sa zhoršil a rast plaku sa zvýšil, čo potvrdilo, že CD28 hrá podstatnú úlohu v udržiavaní aktivity týchto buniek chrániacich mozog.

Imunitný dohľad nad mozgom

Veľmi dlho sme žili v presvedčení, že ľudský mozog je dokonale izolovaný od okolitého sveta. Je umiestený v lebečnom trezore, ktorý ho chráni pred úrazmi.

Zároveň mozog disponuje ochranou bariérou proti vnútornému prostrediu organizmu, v ktorom nepretržite prebiehajú rôzne zmeny, a tie by mohli nežiaduco ovplyvniť jeho činnosť.

O mozgu sa často hovorilo ako o privilegovanom orgáne, do ktorého má imunitný systém vstup len na zvláštne povolenie, najčastejšie pri vniknutí patogénov alebo pri úraze.

Náš pohľad na jeho výnimočnosť sa pozvoľna mení, hoci istú exkluzivitu si naďalej zachováva.

Hematoencefalická bariéra a odpadové hospodárstvo mozgu

Krvné kapiláry, ktoré zásobujú mozog množstvom živín, sú vybavené nepriepustnou bariérou. Tá len veľmi neochotne prepúšťa vybrané molekuly za svoje brány.

Systém je natoľko dokonalý, že ak nejaký nezbedník predsa len prekĺzne cez bariéru, na druhej strane na neho striehnu bezpečnostné jednotky a deportujú ho naspäť do krvného riečiska.

Pravdepodobne až 99 % nových chemických zlúčenín neprechádza cez túto bariéru. Je to prekážka pre všetkých, ktorí hľadajú nové lieky na liečbu ochorení ľudského mozgu.

Bariéra je vybavená množstvom mechanizmov dopravujúcich dôležité látky na miesto určenia. Funguje ako hraničný priechod, kde sa na vstup do inej krajiny vyžaduje platný cestovný doklad.

Množstvo správne ladených experimentov ukázalo, že odpadové hospodárstvo mozgu je riešené jednoduchým spôsobom. Všetko nepotrebné končí v tekutine, v ktorej mozog pláva, a odtiaľ sa odpad transportuje prostredníctvom žilného splavu do krvi.

Lymfatické cievy v tvrdej plene

V roku 2016 nemecko-americký tím našiel dôkazy o tom, že mozog, rovnako ako akýkoľvek iný orgán, je predsa len pod kontrolou lymfatického systému.

A kde sa lymfatické cievy tak dlho skrývali, keď niekoľko desiatok rokov úspešne unikali pred zrakmi bádateľov? Na mieste, kde by ich málokto očakával - v tvrdej plene.

Nachádzajú sa v tesnej blízkosti žilného splavu, miesta, kde vteká nadbytočná časť mozgovo-miechovej tekutiny. Rafinovane vymyslené, je to ako vaňa s dvomi odpadovými kanálmi.

Lymfatické cievy v tvrdej plene sa však výrazne líšia od tých, ktoré nachádzame v iných orgánoch. V procese zápalu nezväčšujú svoj objem, čo je prirodzenou vlastnosťou lymfatických ciev.

Ich molekulový rukopis je výnimočný a výrazne odlišný od iných lymfatických ciev roztrúsených v rôznych častiach tela. Pribúdajú dôkazy o tom, že lymfatické cievy nie sú v mozgu len do počtu, ale aktívne sa podieľajú na lymfodrenáži.

Okrem imunitných buniek zbierajú aj rôzne látky hromadiace sa v mozgovo-miechovej tekutine. Celý proces nie je náhodný, ale je prísne regulovaný chemickým kokteilom, ktorý naviguje bunky do správneho odtokového kanála.

Objavenie lymfatických ciev v tesnej blízkosti mozgu výrazne zmenilo náš pohľad na opevnené kráľovstvo ľudskej mysle. A nielen to - otvorilo cestu novým terapeutickým prístupom v liečbe neurodegeneračných ochorení, pri ktorých hromadenie poškodených a toxických bielkovín vedie k znefunkčneniu nervových buniek.

Neurodegenerácia a poškodenie nervových buniek

Neurodegeneratívne ochorenie je súhrnný pojem pre celý rad ochorení, ktoré postihujú predovšetkým neuróny v ľudskom mozgu. Neuróny sú stavebnými prvkami nervového systému, ktorý zahŕňa mozog a miechu.

Neuróny sa za normálnych okolností nerozmnožujú ani nenahrádzajú, takže keď sa poškodia alebo odumrú, telo ich nemôže nahradiť. Medzi neurodegeneratívne ochorenia patria napríklad Parkinsonova, Alzheimerova a Huntingtonova choroba.

Neurodegeneratívne ochorenia sú nevyliečiteľné a oslabujúce ochorenia, ktoré vedú k postupnej degenerácii a/alebo odumieraniu nervových buniek. To spôsobuje problémy s pohybom (tzv. ataxie) alebo s mentálnym fungovaním (tzv. demencie).

Demencie predstavujú najväčšiu záťaž neurodegeneratívnych ochorení, pričom Alzheimerova choroba predstavuje približne 60-70 % prípadov demencie.

Pri skleróze multiplex poškodenie nervových buniek prebieha v niekoľkých fázach. V prvej fáze sa do mozgu či miechy dostanú agresívne biele krvinky a začínajú produkovať zápalové látky.

Tie poškodzujú myelínové obaly nervových vlákien - začína proces demyelinizácie. Organizmus dokáže stratu myelínu čiastočne nahradiť z vlastných zdrojov, takzvanou remyelinizáciou.

Tento proces je však obmedzený. Častejšie sa poškodený myelínový obal nahradí iným tkanivom a vznikajú „jazvy“ v nervovom systéme.

Čím viac jaziev vzniká, tým viac nervových buniek sa poškodzuje a prejavy ochorenia sa zvýrazňujú. Jednotlivé ložiská demyelinizácie, ktoré sa nazývajú aj plaky, majú rôznu veľkosť a sú svojvoľne rozložené po celom centrálnom nervovom systéme.

Na miestach, kde sú myelínové obaly nervových vlákien poškodené, je narušené vedenie vzruchov. Elektrické impulzy sa teda už nemôžu správne šíriť medzi rôznymi nervovými a telovými bunkami (napríklad bunkami svalov).

Následkom sú rôzne poruchy pohybu tela (motoriky) a zmyslového vnímania (senzoriky). V druhej fáze postihnuté nervové bunky a ich vlákna odumierajú.

Hovoríme o procese neurodegenerácie. Tá sa spája s postupným úbytkom nervových buniek a stratou ich funkcie, ktorá je už nezvratná.

Oba procesy sú od začiatku ochorenia spolu späté, preto je nutné liečiť ochorenie čo najskôr, aby boli možné poškodenia čo najmenšie.

V minulosti sa predpokladalo, že zápal a degenerácia nasledujú za sebou tak ako ochorenie postupuje. Dnes sa však vie, že oba deje sa vyskytujú súčasne už vo veľmi včasnom štádiu ochorenia.

Neuroplasticita a schopnosť mozgu meniť sa

Neuroplasticita predstavuje prirodzenú schopnosť mozgu vytvárať nové nervové spojenia a prispôsobovať sa neustálim zmenám. Táto úžasná vlastnosť nám umožňuje:

• učiť sa nové zručnosti v každom veku
• zotavovať sa po úrazoch či mozgových príhodách
• prekonávať vývinové ťažkosti
• zlepšovať kognitívne funkcie
• neustále sa osobnostne rozvíjať

Štrukturálna neuroplasticita

Štrukturálna neuroplasticita zahŕňa fyzické zmeny:

• Neurogenéza - tvorba úplne nových nervových buniek
• Migrácia buniek - presun nervových buniek na nové miesta
• Synaptogenéza - vytváranie nových spojení medzi neurónmi
• Remodelizácia - zmeny v štruktúre bielej a sivej hmoty

Funkčná neuroplasticita

Funkčná neuroplasticita zahŕňa:

• posilňovanie užitočných nervových spojení
• oslabovanie nepoužívaných dráh
• optimalizáciu mozgových okruhov
• prispôsobovanie funkcií rôznym oblastiam mozgu

Neuroplasticita mozgu nie je len vedecký koncept - je to kľúč k skutočnej zmene.

Viete, že pravidelný pohyb môže byť pre váš mozog rovnako dôležitý ako pre vaše svaly? Renomovaný švédsky psychiater Anders Hansen vo svojej prelomovej knihe „Dobehni svoj mozog“ vysvetľuje, prečo je pohyb tak účinný:

• zvyšuje produkciu BDNF - „hnojiva pre mozog“
• zlepšuje prekrvenie mozgových buniek
• podporuje tvorbu nových neurónov
• posilňuje existujúce nervové spojenia

Pravidelné cvičenie stimuluje mozog nevídaným spôsobom. Jeho výsledky neprekoná ani kombinovaný účinok liekov, výživových doplnkov a mentálnych cvičení.

tags: #objavenie #buniek #ktore #v #mozgu #vytvaraju