Frontiers for Young Minds

Wiemy, że ludzki mózg jest najbardziej złożoną strukturą. Posiada on około 80 miliardów komórek nerwowych, zwanych neuronami. Osiemdziesiąt miliardów (80.000.000.000)! To ponad 10 razy więcej neuronów niż ludzi żyjących na Ziemi. Neurony rozmawiają ze sobą za pomocą specjalnych substancji chemicznych zwanych neuroprzekaźnikami. Neurotransmitery są jak chemiczne słowa, wysyłające „wiadomości” z jednego neuronu do drugiego. Istnieje wiele różnych rodzajów neuroprzekaźników: niektóre pobudzają neurony, czyniąc je bardziej aktywnymi; inne hamują je, czyniąc je mniej aktywnymi. Neurony kontrolują dosłownie wszystko, co robisz.

Neurony są budulcem Twojego mózgu

Neurony występują w wielu formach, kształtach i rozmiarach, ale warto myśleć o neuronach jak o drzewie. Neuron składa się z trzech głównych części: ciała komórkowego, aksonu i dendrytów (rysunek 1). Pień drzewa (ciało komórki) przechowuje informację genetyczną (DNA) w komorze zwanej jądrem. Ciało komórkowe zawiera również chemiczną maszynerię do produkcji neuroprzekaźników, których neuron używa do komunikowania się ze sobą.

Gałęzie drzewa (dendryty, słowo déndron pochodzi z języka greckiego i właściwie oznacza „drzewo”) są częściami neuronu, które odbierają sygnały. Kiedyś uważano, że dendryty są jak anteny, odbierające sygnały od innych neuronów, ale, jak wyjaśniam, mogą robić coś więcej.

Korzeń drzewa (akson) to struktura używana przez neuron do łączenia się i rozmawiania z innym neuronem. Akson przenosi informacje podobnie jak kabel, który przenosi elektryczność. Kiedy jeden neuron chce podzielić się wiadomością z innym, wysyła impuls elektryczny, zwany potencjałem czynnościowym, w dół aksonu, aż dotrze on do terminala aksonalnego, znajdującego się na końcu aksonu. Pomyśl o terminalu aksonu jak o terminalu lotniska. Terminal lotniska jest wypełniony pasażerami czekającymi na odlot, podczas gdy terminal aksonu jest wypełniony neuroprzekaźnikami czekającymi na podróż do następnego neuronu.

Jakie są różnice między transmisją przewodową a bezprzewodową?

Kiedy potencjał czynnościowy dociera do terminalu aksonu, niektóre z neuroprzekaźników w terminalu są wyrzucane do maleńkiej szczeliny między terminalem a dendrytem innego neuronu. Ta szczelina nazywana jest synapsą – jest tak maleńka, że mierzy się ją w nanometrach lub miliardowych częściach metra. Neuroprzekaźnik przekracza synapsę i łączy się z wyspecjalizowanym miejscem, zwanym receptorem, po drugiej stronie. Każdy neuroprzekaźnik wiąże się tylko ze swoim specyficznym receptorem, tak jak klucz pasuje tylko do określonego zamka. W zależności od neuroprzekaźnika, albo pobudza on drugi neuron, albo hamuje, co zwiększa lub zmniejsza prawdopodobieństwo wyzwolenia przez niego własnego potencjału czynnościowego. Wszystko to dzieje się z bardzo dużą precyzją i jest powtarzane wielokrotnie. Ponieważ sygnał jest przekazywany z bardzo dużą prędkością z jednego neuronu do drugiego (do 100 m/s lub 223 mph; szybciej niż najszybszy ssak lądowy, gepard, który może się rozpędzić do prędkości 29 m/s lub 64 mph), ten rodzaj komunikacji między neuronami jest czasami nazywany „transmisją przewodową”. Neurotransmitery przekazują „szeptane sekrety” bezpośrednio z jednego neuronu do drugiego; niosą wiadomość, która ma znaczenie tylko w określonym czasie i miejscu. Jednym ze sposobów myślenia o „przewodowej transmisji” jest myślenie o włączniku światła, który włącza lub wyłącza konkretną żarówkę.

Niektóre neuroprzekaźniki, zwłaszcza jeden rodzaj zwany neuropeptydami, są inne. Neuropeptydy są uwalniane z wielu części neuronu, w tym z dendrytów. Zamiast być uwalniane do maleńkiej synapsy między terminalem aksonu a innym neuronem, są one uwalniane do płynu, który wypełnia przestrzenie między neuronami, i dyfundują przez mózg, aby dotrzeć do receptorów, które są na odległych celach. Jednym ze sposobów myślenia o dyfuzji jest rozważenie drogi przez las (rysunek 2). Przejście z jednego punktu do drugiego, gdy w pobliżu nie ma drzew, jest bardzo proste i szybkie. Kiedy jednak pojawi się wiele drzew, przejście z jednego punktu do drugiego zajmie znacznie więcej czasu, ponieważ trzeba obejść drzewa dookoła. Ten rodzaj sygnalizacji jest więc znacznie wolniejszy niż sygnalizacja w synapsach, ale w końcu neuropeptydy dotrą do większości części mózgu. Jednak tylko te obszary mózgu, które mają odpowiednie receptory, mogą odpowiedzieć na neuropeptydy. Tak więc uwalnianie neuropeptydów przez dendryty, podobnie jak Wi-Fi, jest sygnałem bezprzewodowym – te wiadomości są „ogłoszeniami publicznymi”, które nie są wysyłane z jednej komórki do drugiej, ale z jednej grupy neuronów do innej grupy neuronów.

Oksytocyna i wazopresyna mogą wpływać na zachowanie poprzez „bezprzewodową” sygnalizację

Pozwól mi użyć innego przykładu. Neuropeptydy, oksytocyna i wazopresyna, są wytwarzane przez duże neurony w podwzgórzu, części mózgu, która jest ważna w regulacji wielu procesów fizjologicznych organizmu. Te duże neurony mają jeden akson, który biegnie aż do wyspecjalizowanego gruczołu, przysadki mózgowej, która jest przymocowana do dolnej części mózgu. Stamtąd neuropeptydy są uwalniane z zakończeń aksonów bezpośrednio do krwi. Oksytocyna przemieszcza się po organizmie i odgrywa rolę w porodzie i karmieniu piersią. Wazopresyna wpływa na ciśnienie krwi i reguluje gospodarkę wodną organizmu poprzez nerki. Ale oba neuropeptydy są również uwalniane do mózgu, gdzie kontrolują kilka rodzajów zachowań. Na przykład, oksytocyna pomaga matce nawiązać więź z dzieckiem, a wazopresyna wpływa na pamięć i agresję. Jednak obszary mózgu, które kontrolują te zachowania, znajdują się czasami daleko od komórek wytwarzających neuropeptydy. Niektóre z tych obszarów mają odpowiednie receptory, ale nie mają aksonów i terminali w pobliżu, więc „przewodowa” sygnalizacja przez oksytocynę i wazopresynę nie może wystąpić.

Oksytocyna i wazopresyna uwolnione z terminali aksonów do krwi nie mogą ponownie wejść do mózgu z powodu dziwnej struktury zwanej barierą krew-mózg. Pomyśl o tym, kiedy chorujesz, nie chcesz, aby bakterie lub wirusy dostały się do twojego mózgu! Bariera krew-mózg to warstwa komórek chroniących mózg przed patogenami, toksynami i innymi cząsteczkami krążącymi we krwi. Zapobiega ona przedostawaniu się najeźdźców do mózgu.

Jednakże oksytocyna i wazopresyna są również uwalniane z dendrytów neuronów, bezpośrednio do mózgu. Naukowcy odkryli, że uwalnianie neuropeptydów z dendrytów (do mózgu) i z zakończeń aksonów (do krwi) może zachodzić niezależnie. Uwalnianie wazopresyny i oksytocyny z terminali aksonalnych jest kontrolowane przez potencjały czynnościowe, podobnie jak uwalnianie neuroprzekaźników wyzwalane we wszystkich innych neuronach. Jednakże niektóre sygnały chemiczne w mózgu mogą stymulować uwalnianie neuropeptydów z dendrytów bez wywoływania potencjałów czynnościowych. Wywołanie uwalniania na te różne sposoby pozwala na oddzielną regulację efektów neuropeptydów w organizmie i mózgu. Na przykład oksytocyna, poza działaniem na ciało, takim jak poród i karmienie piersią, pobudza również mózg do działań związanych z opieką nad dzieckiem i tworzeniem więzi. Dzięki temu noworodek otrzymuje wszystko, co jest mu pilnie potrzebne: pokarm i miłość (rys. 3).

Czy neuropeptydy są podobne do hormonów?

Uwalnianie neuropeptydów przez dendryty neuronów jest bardzo podobne do uwalniania hormonów w innych miejscach twojego ciała. Hormony to chemiczni posłańcy uwalniani przez gruczoły i transportowani przez krew do odległych komórek docelowych. Tak więc hormony mogą stymulować komórki znajdujące się daleko od gruczołów, w których są produkowane. Istnieje wiele różnych hormonów, które pełnią wiele różnych funkcji w organizmie. Na przykład prolaktyna, inny hormon uwalniany z przysadki mózgowej, wędruje do piersi matki, gdzie stymuluje produkcję mleka potrzebnego do karmienia piersią. Ten proces „bezprzewodowej sygnalizacji” przez hormony jest podobny do sygnalizacji przez neuropeptydy w mózgu – dlatego neuropeptydy można nazwać „hormonami mózgu.”

Dlaczego ważne jest zrozumienie sygnalizacji neuroprzekaźnikowej?

Niektóre z zaburzeń zachowania najtrudniejszych do leczenia, dla których pilnie potrzebne są nowe terapie, wpływają na zachowania, w które zaangażowane są wazopresyna i oksytocyna. Jak wspomniano powyżej, oksytocyna jest zaangażowany w porodzie, karmienie piersią, i zachowanie matki w kierunku opieki nad dzieckiem. Ale oksytocyna jest również ważne dla dziecka, aby rozwijać i utrzymywać złożone interakcje z innymi. Niektóre dzieci z autyzmem często mają trudności ze zrozumieniem i reagowaniem na te interakcje, a naukowcy próbują wykorzystać oksytocynę jako potencjalny środek leczniczy (jeśli chcesz dowiedzieć się więcej na ten temat, przeczytaj artykuł Daniela Quintany i Gail Alvares w bibliotece internetowej Frontiers for Young Minds) .

Inne przykłady obejmują zaburzenia związane ze stresem i lękiem, zaburzenia odżywiania, zaburzenia związane z nadużywaniem substancji (w tym nadużywaniem alkoholu) oraz zaburzenia zachowań seksualnych. Są to poważne problemy zdrowotne o znaczącym wpływie na ludzi. Poprzez lepsze zrozumienie, jak komórki mózgowe i neuropeptydy oddziałują na siebie, możemy znaleźć sposoby kontrolowania niektórych z tych zaburzeń i poprawić jakość naszego życia.

Słowniczek

Neuron: Komórki układu nerwowego, zwane komórkami nerwowymi lub neuronami, są wyspecjalizowane w przekazywaniu „wiadomości.”

Neuroprzekaźniki: Substancje chemiczne używane przez neurony do rozmawiania ze sobą – możemy myśleć o nich jak o „słowach chemicznych.”

Neuropeptydy: Specjalny rodzaj neuroprzekaźnika. Wpływają na czynności w mózgu i ciele, na przykład regulując poziom energii u danej osoby.

Podwzgórze: Podwzgórze jest regionem mózgu, który reguluje funkcje takie jak pragnienie, apetyt i sen.

Przysadka mózgowa: Przysadka mózgowa znajduje się w małym, kostnym zagłębieniu u podstawy mózgu. Jest połączona z podwzgórzem. Wydziela hormony regulujące wiele różnych czynności organizmu.

Hormony: Hormony to specjalne substancje chemiczne, które organizm wytwarza, aby pomóc mu robić pewne rzeczy, takie jak dorastanie i przechodzenie przez okres dojrzewania, który jest, gdy zaczynasz rozwijać się w dorosłego. W tym czasie twoje ciało jest obciążone hormonami, które mówią mu, że nadszedł czas, aby zacząć się zmieniać.

Autyzm: Wiele dzieci, które mają autyzm, ma problemy ze zrozumieniem, co inni ludzie myślą i jak się czują. Mogą one zachowywać się w sposób, który wydaje się niezwykły i może być trudno zrozumieć, dlaczego postępują w ten sposób.

Oświadczenie o konflikcie interesów

Autor oświadcza, że badania zostały przeprowadzone przy braku jakichkolwiek komercyjnych lub finansowych powiązań, które mogłyby być interpretowane jako potencjalny konflikt interesów.

Podziękowania

Chciałbym podziękować moim przyjaciołom i kolegom z pracy, którzy skomentowali manuskrypt, szczególnie moim przyjaciołom Davidowi i Garethowi, którzy upewnili się, że używam właściwych słów, zrozumiałych dla dzieci. Chciałabym również podziękować Márcie za obraz komórek Purkinjego.

Ludwig, M., and Stern, J. E. 2015. Multiple signalling modalities mediated by dendritic exocytosis of oxytocin and vasopressin. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 370(1672):20140182. doi:10.1098/rstb.2014.0182

Ludwig, M., and Leng, G. 2006. Dendritic peptide release and peptide-dependent behaviours. Nat. Rev. Neurosci. 7:126-36. doi:10.1038/nrn1845

Neumann, I. D., and Landgraf, R. 2012. Balance of brain oxytocin and vasopressin: implications for anxiety, depression, and social behaviors. Trends. Neurosci. 35:649-59. doi:10.1016/j.tins.2012.08.004

Quintana, D. S., and Alvares, G. A. 2016. Oxytocin: jak neuropeptyd zmienia nasze zachowania społeczne? Front. Young Minds 4:7. doi:10.3389/frym.2016.00007