Nasze magazyny
Przez długie lata niekwestionowaną gwiazdą neurologicznych salonów były neurony. To one zachwycały błyskawiczną komunikacją, sprawnie przeprowadzaną za pomocą impulsów elektrycznych. Bieg rzeczy odmieniło badanie przeprowadzone przez zespół dr. Jamesa Schummersa z Massachusetts Institute of Technology. Naukowcy nie wierzyli własnym oczom. Oglądane przez mikroskop dwufotonowy komórki glejowe reagowały na bodźce wzrokowe. Okazało się, że one też, podobnie jak neurony, przetwarzają informacje, robią to jednak za pośrednictwem jonów wapnia. Tak glej wkroczył na scenę, zmuszając akademików do rewizji ustalonych od dekad poglądów i, co za tym idzie, do dalszych badań.
Klej? Wypraszam sobie!
Termin glej - od greckiego słowa glia, czyli klej - wprowadził do nauki niemiecki uczony Rudolph Virchow w 1859 r. Już sama nazwa wskazuje, że nie uważał on gleju za istotny - uznał go za rodzaj spoiwa, nieaktywną tkankę, której głównym zadaniem jest wypełnianie przestrzeni między komórkami nerwowymi i trzymanie ich w kupie. To, że komórek glejowych, czyli gliocytów, jest 10 razy więcej niż neuronów, idealnie komponowało się z teorią elit. Uprzywilejowanych wszak zawsze jest mniej. Natomiast szara masa pełni funkcje usługodawcze i istnieje, by elitom było wygodnie. I tak miało być z gliocytami: miały chronić neurony, odżywiać je i sprzątać synapsy.
Tymczasem nowe badania dowodzą, że w naszych mózgach prócz sieci nerwowej funkcjonuje również sieć glejowa. Nie dość na tym. Gliocyty przewodzą informacje i - uwaga! - regulują ich przepływ przez komórki nerwowe. Wypustki gleju przylegają ściśle do neuronów i tworzą łączące je z nimi mosty. W jednym z eksperymentów wykazano, że fala wapnia przemieszczająca się między poszczególnymi gliocytami dociera również do tych mostów i pobudza neurocyty do wytwarzania kwasu glutaminowego (neuroprzekaźnika, czyli substancji umożliwiającej przesyłanie informacji między komórkami nerwowymi). Do tej pory sądzono, że neuroprzekaźniki są wydzielane jedynie przez synapsy. Tymczasem okazuje się, że glej działa na tych mostach jak celnik - to on decyduje, które komunikaty i kiedy zostaną przekazane do neuronów.
Nie oznacza to jednak, że teraz gliocyty rządzą. Zdaniem badaczy między neuronami a glejem istnieje stała kooperacja, a kanały przepływu informacji w mózgu wzajemnie się uzupełniają.
Jedno imię - różne funkcje
Pierwszymi poważnymi próbami opisu gleju zajął się 100 lat temu Santiago Ramon y Cajal. Scharakteryzował on 3 podstawowe rodzaje komórek glejowych - o kształcie gwiaździstym (astrocyty), włókniste z licznymi wypustkami oraz komórki protoplazmatyczne.
Astrocyty są najliczniejszymi i największymi komórkami glejowymi, zaliczanymi do makrogleju. Mają bardzo liczne wypustki i dość nieregularne kształty, a ich nazwa dobrze oddaje fakt, że często przypominają gwiazdy (dlatego nazywane są też glejem gwiaździstym). Wyróżnia się 2 typy astrocytów: protoplazmatyczne w istocie szarej oraz włókniste, które są mniejsze i charakterystyczne dla istoty białej1. Pełnią one szereg zróżnicowanych zadań, dbając o homeostazę układu nerwowego. Odpowiadają za prawidłowe stężenie jonów potasu, zapobiegają dyfuzji neuroprzekaźnika poza szczelinę synaptyczną oraz - w niektórych sytuacjach - wiążą neuroprzekaźniki, regulując tym samym siłę pobudzenia.
Odgrywają także ogromną rolę w tworzeniu bariery krew-mózg oraz w zaopatrywaniu neuronów w glukozę - magazynują ją w postaci glikogenu i dostarczają w sytuacji, kiedy normalne ilości glukozy są niewystarczające2. Astrocyty wydzielają także substancje wzrostowe, takie jak nerwowy czynnik wzrostu (NGF) czy czynnik neurotroficzny pochodzenia mózgowego (BDNF). Odgrywają też kluczową rolę m.in. w regulacji rytmu dobowego, ponieważ produkują adenozynę - substancję, która sprawia, że czujemy senność. Magazynują również związki o właściwościach antyoksydacyjnych, stanowiąc dla neuronów pierwszą linię obrony3.
Oligodendrocyty stanowią glej skąpowypustkowy. Podstawową ich rolą jest tworzenie osłonek mielinowych na aksonach neuronów. Mielinizacja jest ogromnie ważnym procesem, dzięki któremu szybkość przewodzenia impulsów nerwowych nieporównywalnie wzrasta, maksymalizując zdolność układu nerwowego do przekazywania różnego rodzaju informacji. Ponadto osłonka mielinowa zapobiega "wyciekowi" informacji. Nie oplata ona jednak aksonu równomiernie - w niektórych miejscach po prostu jej nie ma, to tzw. przewężenia Ranviera, czyli punkty, w których "podłączają się" astrocyty, by usunąć nadmiar jonów pochodzących z neuronów, aby nie blokowały one przesyłu impulsów.
Stopień mielinizacji przekłada się na stopień zaawansowania myślenia i efektywność uczenia. Włókna mielinizowane są głównie w nocy, gdy zachodzi utrwalanie informacji. Proces ten przebiega w mózgu od tyłu ku przodowi - w rezultacie jako ostatnia dojrzewa kora przedczołowa. Łatwo to zaobserwować: młodym ludziom trudniej przychodzi planowanie i przewidywanie konsekwencji działań niż dorosłym.
Jak się okazuje, w mózgach dorosłym ssaków istnieje pewna mała liczba komórek prekursorowych oligodendrocytów, których znaczenie i funkcje pozostają nieznane, aczkolwiek zaobserwowano, że gdy istniejące dotychczas oligodendrocyty zostaną uszkodzone, aktywują się komórki prekursorowe. Wtedy powstają z nich nowe oligodendrocyty4. Komórki te biorą też udział w regeneracji włókien nerwowych.
Komórki Schwanna znajdują się w obwodowym układzie nerwowym. Tak jak oligodendrocyty tworzą osłonki mielinowe na aksonach neuronów, jednak w przeciwieństwie do nich nie są w stanie "obsługiwać" wielu komórek nerwowych naraz. Jedna komórka Schwanna wytwarza mielinę maksymalnie na jednej wypustce nerwowej. Biorą też udział w regeneracji włókien nerwowych.
Komórki satelitarne znajdują się w obwodowym układzie nerwowym, a ich rolą jest osłanianie ciał neuronów w zwojach nerwowych. Pośrednio przyczyniają się też do transdukcji sygnału i wzmagania nocycepcji3.
Komórki Mullera występują w siatkówce oka kręgowców. Na podstawie niedawno przeprowadzonych badań uczeni doszli do wniosku, że ich rurkowaty kształt pozwala kierować światło o barwie czerwonej i zielonej do reagujących na nie czopków. Natomiast niebieskie światło zostaje wychwycone przez pręciki, co pozwala nam widzieć w bardzo słabym oświetleniu.
Komórki Bergmana znajdują się w móżdżku. Pełnią tam podobną rolę jak astrocyty w mózgu5.
Mikroglej stanowi do 10% tkanki glejowej. To wrodzony system odpornościowy układu nerwowego. Za jego podstawową funkcję uznaje się reagowanie na różnego rodzaju uszkodzenia i stany zapalne mózgu. Komórki mikrogleju mają zdolność do przemieszczania się. Występują w 2 formach, zależnych od stopnia ich aktywności. Forma uśpiona, wyposażona w długie wypustki, pilnuje mikrośrodowiska mózgu, ochraniając neurony. W momencie wykrycia infekcji przeistacza się w formy o kształcie galaretowatej ameby. Zyskuje wówczas zdolności żerne, dzięki którym pochłania szkodliwe patogeny oraz usuwa ogniska martwicze po zniszczonych neuronach.
Szybkość vs trwałość
Gdy dr Marian Diamond, neuropatolog z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, porównała wycinki mózgu genialnego fizyka Alberta Einsteina z fragmentami mózgów 11 mężczyzn w wieku 40-80 lat, zauważyła, że wszystkie neurony były takie same jak te z mózgów kontrolnych. Tym, co różniło badane fragmenty, była niemalże zdwojona liczba astrocytów u fizyka, głównie w korze ciemieniowej, w której zachodzi myślenie abstrakcyjne, złożone i wizualne (m.in. matematyczne). O tym, że to nie przypadek, przekonuje też fakt, że rozmiar gliocytów oraz ich procentowy udział w mózgu jest większy u zwierząt, które stoją wyżej na drabinie ewolucyjnej.
Z kolei myszy, którym wszczepiono ludzkie komórki macierzyste - z których wykształciły się gliocyty - w testach przyswajania wiedzy wypadały znacznie lepiej od grupy kontrolnej, niemającej ludzkiego gleju. Wspomagane nim gryzonie czterokrotnie lepiej (w porównaniu do grupy kontrolnej) uczyły się kojarzyć dźwięk z bodźcem awersyjnym6.
Największe komórki glejowe mają rozgałęziony system połączeń, za pomocą którego przekazują sobie informacje. Co prawda robią to 10 tys. razy wolniej niż neurony, jednak dzięki mniejszej prędkości transmisji dane przetwarzane są bardziej finezyjnie, co prawdopodobnie ma wpływ na ich wydajniejsze zapamiętywanie7. Dr Andrew Koob w książce "U źródeł naszych myśli" sugeruje, że to one są prawdziwymi szarymi komórkami w naszym mózgu.
Doktor glej
Struktura ta jest elementem bariery krew-mózg, która chroni nasze centrum dowodzenia, blokuje również dostęp do niego naszym wewnętrznym płynom ustrojowym. Od lat zagadką pozostawały mechanizmy oczyszczania mózgu. Dzięki rozwojowi technik obrazowania nauka znalazła odpowiedź na to pytanie. Okazuje się, że i w tym procesie uczestniczy glej. Tkanka ta tworzy odpowiednik układu limfatycznego w mózgu.
Eksperymenty na myszach dowiodły, że wypustki komórek glejowych tworzą sieć rurek, przez które płyn mózgowo-rdzeniowy pozbywa się toksyn, a wśród nich... beta-amyloidu - białka, którego złogi tworzą płytki starcze niszczące neurony. Co ciekawe, testy na gryzoniach wykazały, że układ glimafatyczny dwukrotnie szybciej usuwa je w czasie snu. Badacze podejrzewają, że mechanizm ten aktywuje zwiększenie się o 60% przestrzeni pozakomórkowej, do którego dochodzi w czasie snu (wtedy bowiem spada poziom noradrenaliny).
Bibliografia
- Squire, L., Berg, D., Bloom, F., du Lac, S., Ghosh, A., Spitzer., N. (red.). (2008). Fundamental Neuroscience. Oxford: Elsevier
- Longstaff, A. (2012). Neurobiologia. Krótkie wykłady. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN
- Mika, J. (2014). Glej – wróg czy przyjaciel? Wszechświat, tom 115 nr 1-3, 8-15
- Levine J.M., Reynolds R. & Fawcett J.W. (2001). The oligodendrocyte precursor cell in health and disease. Trends in Neurosciences, 24(1): 39-47
- Leprince, P. (2013). The role of Bergmann glial cells in cerebellar development. Cancer & Metabolism.1:13
- The Journal of Neuroscience, 34(48), 16153-16161
- Świat Wiedzy, Wydanie specjalne Sekrety medycyny nr 4/2017
- https://goo.gl/9g1Nza
Jak już wiadomo, tam gdzie dojdzie do uszkodzenia tkanki nerwowej, astrocyty zaczynają się mnożyć. Zdaniem badaczy mogą one być tzw. komórkami macierzystymi, z których powstają nowe neurony. Jeśli tak, to manipulowanie astrocytami pozwoli nam kiedyś na prawdziwą regenerację mózgu.
Tymczasem uczeni z wrocławskiego Uniwersyteckiego Szpitala Klinicznego postanowili wykorzystać tę wspaniałą właściwość w leczeniu mężczyzny, którego rdzeń kręgowy uległ przerwaniu na przestrzeni 8 mm. Z opuszki węchowej mózgu pobrali komórki glejowe i rozmnożyli je w warunkach laboratoryjnych. Następnie wstrzyknęli je powyżej i poniżej fragmentu, w którym rdzeń był przerwany. Dodatkowo w uszkodzone miejsce wszczepili fragmenty nerwów pobrane z nogi pacjenta. W ten sposób stworzyli rusztowanie, po którym przesyłane są impulsy nerwowe w uszkodzonej części rdzenia.
Efekt? Pacjent, który przed zabiegiem miał sparaliżowane wszystkie mięśnie poniżej klatki piersiowej, odzyskał czucie w nogach! Po półrocznej rehabilitacji mężczyzna był w stanie chodzić, wspierając się na balkoniku.
Regeneracyjne zdolności gleju otwierają nowe możliwości leczenia osób po udarach. Testy przeprowadzone na myszach pozwalają sądzić, że już niebawem tam, gdzie tkanka nerwowa uległa zniszczeniu, można będzie ją odbudować. Naukowcy dokonali tego, wszczepiając gryzoniom gen Sox2 (który ma wpływ na rozwój komórek macierzystych), co spowodowało, że gliocyty przekształciły się w sprawnie działające neurony7.
Druga strona medalu
Długo niedoceniany i pomijany glej okazuje się mieć wpływ na niemal wszystkie procesy w układzie nerwowym: zaczynając od istotnych funkcji w procesach rozwoju, poprzez funkcje wspomagające, oczyszczające i modulujące całość mechanizmów zachodzących zarówno w ośrodkowym, jak i w obwodowym układzie nerwowym. Z drugiej strony - wzrost wiedzy na ten temat pozwala stwierdzić, że zmiany degeneracyjne gleju oraz jego niewłaściwa i nadmierna aktywacja przyczyniają się do wielu patologicznych stanów i mogą stanowić poważne zagrożenie dla homeostazy i poprawnego funkcjonowania systemu nerwowego.
Skoro glej to istotna tkanka o potężnych możliwościach, nic dziwnego, że gdy coś w nim szwankuje, stajemy oko w oko z poważnymi chorobami. Badacze stwierdzili, że powstałe na skutek stresu przekształcenia w komórkach glejowych mogą wiązać się z rozwojem ADHD. Zanik astrocytów ma miejsce u osób cierpiących na depresję jednobiegunową, chorobę afektywną dwubiegunową i schizofrenię. Z kolei najgroźniejsze i najczęstsze nowotwory mózgu, glejaki, wywodzą się z nadmiaru astrocytów8.
Prowadzone dotychczas badania wykazały też, że ich nieprawidłowe działanie może prowadzić do rozwoju schorzeń takich jak stwardnienie zanikowe boczne (ALS) i padaczka. Dotychczas leczenie tych schorzeń koncentruje się przede wszystkim na neuronach i być może właśnie dlatego jest nieskuteczne, bo nie wywiera wpływu na glej gwiaździsty.
Inne doniesienia wskazują, że niekontrolowana proliferacja (mnożenie się) mikorgleju może skutkować niszczeniem neuronów i bariery krew-mózg. Naukowcy zaobserwowali, że jego zbyt duża ilość współwystępuje z takimi schorzeniami jak choroba Parkinsona, stwardnienie rozsiane czy choroba Alzheimera3.
