Przeci ta skóra zagoi si w ciàgu kilku

Transkrypt

1 Nowe komórki nerwowe w dojrza ym mózgu Wbrew powszechnemu przekonaniu mózg doros ego cz owieka wytwarza nowe komórki nerwowe. Czy ta nowo odkryta zdolnoêç przyczyni si do opracowania lepszych metod leczenia schorzeƒ neurologicznych? Gerd Kempermann i Fred H. Gage Przeci ta skóra zagoi si w ciàgu kilku dni. Z amana noga zazwyczaj si zroênie, je eli zostanie prawid owo nastawiona. Prawie wszystkie tkanki ludzkie zachowujà przez ca e nasze ycie zdolnoêç do samonaprawy. W znacznej cz Êci zawdzi czamy to wszechstronnoêci komórek macierzystych, które w nieograniczonym niemal czasie podzia em i generowaniem nie tylko w asnych wiernych kopii, lecz równie wielu ró nych rodzajów komórek przypominajà komórki rozwijajàcego si zarodka. Doskona ym przyk adem jest odmiana komórek macierzystych wyst pujàca w szpiku kostnym. Mogà one daç poczàtek wszystkim komórkom krwi: krwinkom czerwonym, p ytkom i ca ej gamie krwinek bia ych. Inne rodzaje komórek macierzystych produkujà ró ne sk adowe skóry, wàtroby lub Êluzówki jelit. Mózg doros ego cz owiek mo e czasami ca kiem dobrze skompensowaç doznane uszkodzenia, tworzàc nowe po àczenia pomi dzy zachowanymi komórkami nerwowymi (neuronami). Nie potrafi jednak dokonaç samonaprawy, poniewa brakuje mu komórek macierzystych umo liwiajàcych regeneracj neuronów. Tak przynajmniej uwa a a do niedawna wi kszoêç neurobiologów. W listopadzie ub. r. Peter S. Eriksson z Sahlgrenska Universitetssjukhuset w Göteborgu (Szwecja) i Gage (wspó autor tego artyku u) z Salk Institute for Biological Studies w La Jolla w Kalifornii (USA) wraz z kilkoma wspó pracownikami opublikowali zaskakujàcà informacj, e mózg doros ego cz owieka regularnie produkuje nowe neurony, przynajmniej w jednej ze swoich struktur w hipokampie, czyli obszarze istotnym dla procesów pami ci i uczenia si. (Hipokamp nie jest miejscem przechowywania Êladów pami ciowych, ale pomaga w ich odk adaniu po otrzymaniu sygna ów z innych obszarów mózgu. Osoby, które dozna y uszkodzenia tej struktury, majà k opoty z przyswajaniem wiedzy, ale umiejà przywo ywaç informacje nabyte w okresie wczeêniejszym.) Bezwzgl dna liczba nowo powstajàcych komórek jest stosunkowo ma a w porównaniu z ca kowità liczbà neuronów w mózgu. Niemniej listopadowe odkrycie w zestawieniu z wynikami najnowszych eksperymentów na zwierz tach otwiera przed medycynà kilka bardzo obiecujàcych perspektyw. Z rezultatów aktualnie prowadzonych badaƒ wynika, e komórki macierzyste produkujà neurony w jeszcze jednej okolicy mózgu, a znajdujà si równie, chocia HIPOKAMP PRZYK ADOWA KOMÓRKA ZIARNISTA zaznaczony fragment uêpione, w kilku innych obszarach. A zatem okazuje si, e doros y mózg, który tak s abo radzi sobie z samonaprawà, w istocie skrywa znaczny potencja regeneracyjny. Je eli badacze zdo ajà si nauczyç, jak pobudzaç istniejàce komórki macierzyste do produkowania znaczàcej liczby funkcjonalnych neuronów w wybranym obszarze mózgu, umo liwi im to zapewne agodzenie wszelkich zaburzeƒ zwiàzanych z uszkodzeniami i Êmiercià komórek nerwowych w tym choroby Alzheimera, Parkinsona oraz upoêledzeƒ towarzyszàcych udarom i urazom mózgu. Wskazówki i... wàtpliwoêci Odkrycie, e mózg doros ego cz owieka mo e produkowaç nowe neurony, by o zaskakujàce, chocia na zachodzenie tego procesu od wielu lat wskazywa y badania mózgów innych doros ych ssaków. Na przyk ad ju w 1965 roku Joseph Altman i Gopal D. Das z Massachusetts Institute of Techno- OBSZAR CA3 MÓZG CZ OWIEKA MÓZG GRYZONIA HIPOKAMP WARSTWA KOMÓREK ZIARNISTYCH ZAKR TU Z BATEGO WN KA AKSON PRZYK ADOWY NEURON PIRAMIDOWY 24 ÂWIAT NAUKI Lipiec 1999

2 logy opisali produkcj komórek nerwowych (neurogenez ) w hipokampach doros ych szczurów, dok adnie w tym samym obszarze, w którym stwierdzono obecnie zachodzenie tego procesu u ludzi (mowa o zakr cie z batym). Póêniejsze badania potwierdzi y to, co opisali Altman i Das, ale wi kszoêç naukowców nie uzna a tego za dowód, e neurogeneza w mózgach doros ych ssaków zachodzi w stopniu znaczàcym lub e wskazuje na mo liwoêç posiadania pewnych zdolnoêci regeneracyjnych przez mózg ludzki. Jednà z przyczyn by fakt, e dost pne wówczas metody nie pozwala y dok adnie oceniç liczby nowo utworzonych neuronów ani ustaliç ponad wszelkà wàtpliwoêç, e powstajàce komórki sà na pewno neuronami. Ponadto sama idea istnienia komórek macierzystych mózgu nie zosta a jeszcze sformu owana. Naukowcy sàdzili wi c, e nowe komórki nerwowe tworzy y si jedynie poprzez podzia w pe ni dojrza- ych neuronów niewiarygodnie trudny wyczyn. Nie doceniano równie znaczenia tych wyników dla procesów zachodzàcych w mózgu cz owieka; po cz Êci dlatego, e nikomu nie uda o si do tego czasu przedstawiç dowodów na zachodzenie neurogenezy w mózgach ma p, które jako naczelne bli sze sà cz owiekowi genetycznie i fizjologicznie ni inne ssaki. Tak si sprawy mia y a do po owy lat osiemdziesiàtych, kiedy Fernando Nottebohm z Rockefeller University wywo a poruszenie w Êrodowisku zajmujàcych si tà dziedzinà badaczy, publikujàc zdumiewajàce wyniki prac nad mózgami doros ych kanarków. Odkry on, e neurogeneza zachodzi u tych ptaków w oêrodkach mózgu odpowiedzialnych za uczenie si Êpiewu i co wi cej, proces ten nasila si w tych porach 3 roku, w których doros e ptaki uczà si swoich pieêni. Nottebohm i jego wspó pracownicy wykazali te, e formowanie neuronów w hipokampach doros ych sikor wzrasta w okresach wymagajàcych nasilenia procesów pami ciowych, w szczególnoêci wtedy, gdy ptaki muszà zapami taç coraz bardziej odleg e i rozproszone êród a pokarmu. Te spektakularne odkrycia wywo a y ponowne zainteresowanie neurogenezà u doros ych ssaków i rozwa ania nad ewentualnymi zdolnoêciami regeneracyjnymi dojrza ego mózgu cz owieka. Optymizm wynikajàcy z faktu, e neurogeneza mo e zachodziç równie u ludzi, by jednak krótkotrwa y. Mniej wi cej w tym samym czasie Pasko Rakic i jego wspó pracownicy z Yale University przeprowadzili pionierskie badania nad neurogenezà u doros ych naczelnych. Praca ta, bardzo rzetelna jak na owe czasy, nie wykaza a powstawania nowych neuronów w mózgach doros ych makaków. Przeciwko zachodzeniu tego procesu w mózgu doros ego cz owieka przemawia y równie argumenty logiczne. Biolodzy wiedzieli, e w toku ewolucji neurogeneza ulega a ograniczeniom, w miar jak mózg stawa si coraz bardziej z o ony. Podczas gdy jaszczurki i inne ni sze zwierz ta mogà korzystaç z dobrodziejstwa regeneracji neuronalnej nawet w przypadku rozleg ych uszkodzeƒ mózgu, ssaki nie majà takich mo liwoêci. Rozsàdne wi c wydawa o si za o enie, e dodawanie nowych komórek do misternie utkanej sieci neuronów ludzkiego mózgu zaburzy oby ustalony porzàdek przep ywu sygna ów wzd u ustalonych szlaków. Pierwsze oznaki, e takie rozumowanie mo e byç b dne, pojawi y si dopiero kilka lat temu. Najpierw zespó kierowany przez Elizabeth Gould i Bruce a S. McEwena z Rockefeller University oraz Eberharda Fuchsa z Deutsches Primatenzentrum GmbH w Getyndze odkry w 1997 roku, e neurogeneza zachodzi w pewnym stopniu w hipokampie spokrewnionego doêç blisko z naczelnymi wiewiórecznika pospolitego. Nast pnie w marcu 1998 roku stwierdzono to samo zjawisko u pazurkowców. Pokrewienstwo tych ma p z ludêmi jest mniejsze ni makaków, nale à one jednak do naczelnych. MIGRUJÑCA KOMÓRKA NOWY NEURON TOMO NARASHIMA 2 1 KOMÓRKI POTOMNE KOMÓRKI MACIERZYSTEJ NARODZINY KOMÓREK NERWOWYCH, czyli neuronów, w mózgu doros ego cz owieka udokumentowano w hipokampie, obszarze istotnym w procesach pami ciowych. Etapy tego zjawiska, zachodzàcego w zakr cie z batym hipokampu (diagram na sàsiedniej stronie), ustalono pierwotnie u gryzoni. Najpierw nie wyspecjalizowane komórki macierzyste dzielà si (1) na pograniczu warstwy komórek ziarnistych (zawierajàcej globularne cia a komórkowe neuronów ziarnistych) i wn ki (obszaru sàsiadujàcego, zawierajàcego aksony, czyli przewodzàce sygna y wypustki neuronów ziarnistych). Nast pnie niektóre z powstajàcych komórek potomnych migrujà g biej w warstw komórek ziarnistych (2). Ostatecznie cz Êç z nich ró nicuje si w neurony ziarniste (3) z ich charakterystycznymi wypustkami. KOMÓRKA MACIERZYSTA ÂWIAT NAUKI Lipiec

3 Zdj cia: LINDA KITABAYASHI Salk Institute DOWODEM POWSTAWANIA NOWYCH NEURONÓW w dojrza ym mózgu cz owieka sà m.in. te mikrofotografie tkanki hipokampalnej z mózgu zmar ych na raka doros ych pacjentów. Neurony na otrzymanych ró nymi metodami obrazach zaznaczone sà na czerwono. Kolor zielony w neuronach na ilustracji z lewej i ciemny obszar neuronów na ilustracji z prawej oznaczajà, e chromosomy tych komórek zawierajà bromodeoksyurydyn (BrdU), substancj, którà wstrzykni to pacjentom, aby oceniç szybkoêç rozrostu guza. BrdU jest wbudowywana w DNA komórek podlegajàcych podzia om (takich jak komórki macierzyste), ale nie wbudowuje si w ju istniejàce neurony. Jej obecnoêç Êwiadczy wi c, e zawierajàce jà komórki zró nicowa y si w neurony ju po podaniu BrdU pacjentom w zaawansowanym wieku. Odpowiedzi na pytanie, czy neurogeneza zachodzi u osób doros ych, mog y, rzecz jasna, udzieliç tylko badania przeprowadzone bezpoêrednio na ludziach. Sàdzono jednak, e sà one niewykonalne, poniewa metody zastosowane do wykazania neurogenezy u zwierzàt nie wydawa y si odpowiednie w przypadku cz owieka. Metody te ró nià si nieco mi dzy sobà, ale z regu y opierajà si na tym, e komórki przed podzia em duplikujà swoje chromosomy, co umo liwia komórkom potomnym otrzymanie ich pe nego zestawu. W doêwiadczeniach na zwierz tach badacze zazwyczaj wstrzykujà im substancj, która zostaje nast pnie wbudowana tylko do DNA komórek przygotowujàcych si do podzia u, a potem znacznik ten mo na wyêledziç. Staje si ona cz Êcià DNA powstajàcej komórki potomnej i przekazywana jest kolejnym jej generacjom. Po pewnym czasie niektóre z oznaczonych komórek zaczynajà si ró nicowaç, tj. specjalizowaç, przekszta cajàc si w okreêlone rodzaje neuronów lub w komórki glejowe (stanowiàce drugà z podstawowych grup komórek w mózgu). Odczekawszy, a do tego dojdzie, naukowcy wyjmujà mózg zwierz cia i tnà go na skrawki, które sà nast pnie barwione na obecnoêç neuronów oraz gleju i oglàdane pod mikroskopem. Mo na za- o yç, e komórki zawierajàce znacznik (sygna Êwiadczàcy o pochodzeniu od ulegajàcych podzia owi komórek pierwotnych) przekszta ci y si w komórki nerwowe ju po jego wprowadzeniu do organizmu. W pe ni zró nicowane neurony si nie dzielà, a zatem nie mogà wbudowaç znacznika. Chorzy na raka wskazali drog Takich badaƒ nie mo na oczywiêcie przeprowadzaç na ywych ludziach. Przeszkoda ta wydawa a si nie do pokonania, dopóki Eriksson nie znalaz 26 ÂWIAT NAUKI Lipiec 1999 rozwiàzania wkrótce po zakoƒczeniu urlopu naukowego sp dzonego w naszym zespole w Salk. Jako klinicysta pe ni pewnego dnia dy ur wraz z onkologiem. Podczas pogaw dki dowiedzia si, e u ywany przez nas znacznik podlegajàcych podzia om komórek u zwierzàt bromodeoksyurydyna (BrdU) stosowany by równie u niektórych nieuleczalnie chorych z rakiem j zyka i krtani. Ludzie owi obj ci byli programem badawczym, w którym dzi ki tej w aênie substancji monitorowano rozrost guza. Eriksson uêwiadomi sobie, e gdyby po ich Êmierci uda o mu si uzyskaç hipokampy, to przeprowadzane w Salk Institute analizy pozwoli yby zidentyfikowaç w tych strukturach neurony i ustaliç, czy któreê z nich zawierajà znacznik DNA. ObecnoÊç BrdU Êwiadczy, e te neurony powsta y ju po jego podaniu. Badanie takie mog oby dowieêç, e zasz a neurogeneza, przypuszczalnie na drodze namna ania i ró nicowania komórek macierzystych w mózgach doros ych osób. Eriksson uzyska zgod pacjentów na poêmiertne badanie ich mózgów. Pomi dzy poczàtkiem 1996 roku a lutym 1998 pi ciokrotnie gna do szpitala, aby odebraç próbki mózgu zmar ych w wieku lat. Zgodnie z oczekiwaniami we wszystkich próbkach stwierdzono obecnoêç nowych neuronów, przede wszystkim tych znanych jako komórki ziarniste w zakr cie z batym. Dzi ki ludziom, którzy przed Êmiercià przekazali swoje mózgi do tego celu, otrzymaliêmy dowód na zachodzenie neurogenezy w mózgu doros ego cz owieka. (Zbiegiem okolicznoêci by o, e publikacja tych danych nastàpi a niemal jednoczeênie z og oszeniem wyników prac zespo ów kierowanych przez Goulda i Rakica, z których wynika o, e neurogeneza zachodzi w hipokampach doros ych makaków.) OczywiÊcie samo wykazanie zachodzenia neurogenezy w mózgu doros ego cz owieka nie wystarcza. Je eli celem jest stymulowanie kontrolowanej regeneracji w niedomagajàcym mózgu ludzkim, to naukowcy b dà musieli zlokalizowaç komórki macierzyste zdolne do zró nicowania si w neurony. Zechcà mieç równie pewnoêç, e powstajàce z tych komórek neurony spe nià swoje zadanie, prawid owo przekazujàc i odbierajàc sygna y. Poniewa neurogeneza w hipokampach gryzoni odzwierciedla doêç dobrze ten sam proces zachodzàcy w mózgu cz owieka, w poszukiwaniach dalszych wskazówek naukowcy mogà powróciç do badaƒ na myszach i szczurach. Czy nowe neurony pe nià jakàê funkcj? Dotychczasowe prace na gryzoniach wykaza y, e w pewnym stopniu neurogeneza zachodzi przez ca e ycie, nie tylko w hipokampie, lecz równie w oêrodku w chowym. Komórki macierzyste znajdujà si równie w takich strukturach mózgu, jak przegroda (zwiàzana z emocjami i procesami uczenia si ) i prà kowie (s u àce do precyzyjnej koordynacji aktywnoêci ruchowej) oraz w rdzeniu kr gowym. Nie wydaje si jednak, aby w normalnych warunkach komórki te produkowa y nowe neurony poza obszarem hipokampu i oêrodka w chowego. Gdyby przednie cz Êci mózgu zwierz cia by y przezroczyste, to cz Êç hipokampu zwana zakr tem z batym widoczna by aby jako cienka ciemna warstwa, kszta tem przypominajàca nieco le- àcà na boku liter V. To V zbudowane jest z zawierajàcych jàdro cia komórkowych neuronów ziarnistych. Warstwa ograniczona ramionami litery V zwana jest wn kà. Sk ada si g ównie z aksonów, czyli d ugich wypustek neuronalnych, którymi komórki ziarniste przekazujà sygna y do hipokampalnej stacji przekaênikowej zwanej CA3. Komórki macierzyste, z których powstajà nowe neurony, wyst pujà na granicy mi dzy zakr tem z batym a wn kà.

4 Komórki te nieustannie si dzielà. Wiele tych komórek potomnych jest dok adnà kopià komórek rodzicielskich i znaczna ich cz Êç ginie wkrótce po powstaniu. Niektóre jednak migrujà g boko do wn trza warstwy komórek ziarnistych, gdzie przybierajà postaç komórek sàsiadujàcych wraz z wypustkami s u àcymi do przyjmowania i wysy ania sygna ów. Ich aksony przebiegajà wzd u tych samych szlaków co aksony od dawna wyst pujàcych tam sàsiadów. Komórki macierzyste, z których powstajà nowe neurony w obszarze w chowym, wyêcie ajà Êciany wype nionych p ynem przestrzeni mózgowych zwanych komorami bocznymi. Arturo Alvarez-Buylla i jego wspó pracownicy z Rockefeller University wykazali, e niektóre komórki potomne komórek macierzystych z tego obszaru migrujà na znacznà odleg oêç a do opuszki w chowej, gdzie przybierajà wyglàd charakterystyczny dla neuronów tej struktury. Skoro w obu strukturach nowe neurony wyglàdajà podobnie jak ich powsta- e znacznie wczeêniej odpowiedniki, z du ym prawdopodobieƒstwem mo- emy zak adaç, e funkcjonujà równie tak samo. Jak jednak to udowodniç? Wskazówek dostarczy y badania nad wp ywem otoczenia na anatomi mózgu i procesy uczenia si. Na poczàtku lat szeêçdziesiàtych Mark R. Rosenzweig i jego wspó pracownicy z University of California w Berkeley przenieêli gryzonie z doêç skromnych pomieszczeƒ laboratoryjnych do bardziej urozmaiconego Êrodowiska, gdzie zapewniono im bardzo du à przestrzeƒ i liczne grono pobratymców. Mog y równie poruszaç si w nieustannie modyfikowanym przez opiekunów otoczeniu, korzystaç z bie ni ko owej i bawiç si rozmaitymi zabawkami. Rosenzweig i jego grupa, a póêniej równie William T. Greenough z University of Illinois opisali zadziwiajàce efekty takiego polepszenia warunków ycia gryzoni. W porównaniu ze zwierz tami trzymanymi w zwyk ych klatkach mia- y nieco ci szy mózg, grubsze pewne struktury mózgowe, odmienne poziomy niektórych neuroprzekaêników (czàsteczek przenoszàcych pobudzajàce lub hamujàce sygna y z jednego neuronu na drugi), wi cej po àczeƒ mi dzyneuronalnych i wi cej rozga zieƒ wypustek nerwowych. Ponadto wypada y lepiej w testach uczenia si, na przyk ad podczas przemieszczania si w labiryncie. Wyniki te Êwiadczy y, e zmiany Êrodowiska usprawni y funkcje mózgowe. Neurobiolodzy przekonali si zatem, e wzbogacenie Êrodowiska dojrza ych gryzoni wp ywa na unerwienie mózgu i aktywuje jego dzia anie. Przez ca e jednak lata odrzucali koncepcj, e usprawnienie to mo e choçby cz Êciowo mieç êród o w produkcji nowych neuronów przez mózgi doros ych osobników a przecie Altman sugerowa takà mo liwoêç ju w 1964 roku. Obecnie nowe odkrycia potwierdzi y, e zmiany Êrodowiskowe faktycznie wp ywajà na neurogenez w doros ym mózgu. Dzi ki technikom niedost pnym w latach szeêçdziesiàtych nasz zespó wykaza w 1997 roku, e doros e myszy przeniesione do korzystniejszych warunków wytwarza y w zakr cie z batym o 60% wi cej komórek ziarnistych ni genetycznie identyczne zwierz ta kontrolne. Lepiej równie radzi y sobie z wymagajàcym nauki znajdowaniem wyjêcia z wype nionego wodà naczynia. Bogatsze Êrodowisko stymulowa o neurogenez i proces uczenia si nawet u bardzo starych myszy, u których wyjêciowy poziom powstawania nowych komórek nerwowych jest znacznie ni szy ni u dojrza ych, ale m odych jeszcze zwierzàt. WSZECHSTRONNA KOMÓRKA MACIERZYSTA ZAP ODNIONE JAJO UKIERUNKOWANA KOMÓRKA MACIERZYSTA PREKURSOROWA KOMÓRKA MÓZGOWA UKIERUNKOWANA KOMÓRKA POTOMNA KOMÓRKI MACIERZYSTEJ KOMÓRKA ZRÓ NICOWANA NEUROBLAST KOMÓRKA ZIARNISTA Nie chcemy twierdziç, e jedynie nowe neurony by y odpowiedzialne za korzystne zmiany behawioralne, poniewa z pewnoêcià istotnà rol odgrywa y równie zmiany w konfiguracji unerwienia i chemicznym mikroêrodowisku badanych obszarów mózgu. Z drugiej jednak strony trudno uwierzyç, e tak spektakularny wzrost produkcji nowych neuronów oraz sam fakt ewolucyjnego przetrwania neurogenezy w mózgach doros ych zwierzàt nie s u y adnemu celowi. Poszukiwanie mechanizmów kontroli Je eli zgodnie z naszymi podejrzeniami powstajàce rutynowo w mózgu doros ego cz owieka neurony sà funkcjonalne, to zrozumienie mechanizmów kontrolujàcych ten proces umo liwi neurobiologom stymulowanie neurogenezy w tych obszarach, w których istnieje taka potrzeba. W ciàgu ostatnich kilku lat podczas badaƒ na zwierz tach zidentyfikowano inne, prócz wzboga- KOMÓRKI PREKURSOROWE TKANEK POZAMÓZGOWYCH GLIOBLAST (èród O KOMÓREK GLEJOWYCH) INNE NEURONY ROZWÓJ KOMÓREK ZIARNISTYCH w zarodku przebiega, jak si przypuszcza, etapami zaznaczonymi na rysunku kolorem zielonym. Wszechstronna komórka macierzysta, zdolna daç poczàtek ka demu rodzajowi komórek organizmu, produkuje wczesne komórki potomne, wêród których znajdujà si nadal nie wyspecjalizowane komórki macierzyste zdolne do produkcji komórek mózgowych (1). Z tych ukierunkowanych komórek macierzystych powstajà nast pnie macierzyste komórki potomne, których przeznaczeniem jest produkcja jedynie komórek nerwowych (2) lub glejowych (niezb dnych do utrzymania neuronów przy yciu). Ostatecznie macierzyste komórki nerwowe dajà poczàtek komórkom ziarnistym w hipokampie (3) lub innym rodzajom komórek nerwowych w pozosta- ych obszarach mózgu. Obecnie wydaje si, e w hipokampie cz owieka procesy na etapach drugim i trzecim zachodzà w sposób ciàg y przez ca e ycie. TOMO NARASHIMA ÂWIAT NAUKI Lipiec

5 cania Êrodowiska, czynniki wp ywajàce na neurogenez. Wyniki te stanà si bardziej zrozumia- e dla czytelnika, je eli przypomnimy, e neurogeneza jest procesem wielostopniowym, obejmujàcym podzia komórek macierzystych, prze ycie niektórych komórek potomnych, migracj do miejsca przeznaczenia i ró nicowanie komórek. A zatem czynniki decydujàce o jednym etapie procesu majà wp yw na przebieg innych etapów. Nasilenie proliferacji komórek macierzystych mo e przyczyniç si do wzrostu liczby nowych neuronów, je eli stopieƒ prze ywalnoêci komórek potomnych i nasilenie procesu ró nicowania b dà sta e, a liczba nowo powstajàcych neuronów si nie zmieni pod warunkiem, e te dwa ostatnie procesy ulegnà zahamowaniu. Oznacza oby to te, e nowych neuronów b dzie przybywaç z zachowaniem liczby podzia ów komórek macierzystych, gdy zwi kszy si prze ywalnoêç i nasili ró nicowanie komórek potomnych. WÊród odkrytych dotychczas czynników regulacyjnych sà takie, które wydajà si hamowaç proces neurogenezy. Gould i McEwen stwierdzili na przyk ad, e niektóre z regularnych sygna ów docierajàcych do zakr tu z batego mogà ograniczaç produkcj komórek nerwowych. Te neuroprzekaêniki, które pobudzajà wy adowania komórek ziarnistych, hamujà bowiem jednoczeênie podzia komórek macierzystych w hipokampie. Neurogenez w doros ym mózgu ogranicza równie wysoki poziom we krwi hormonów z grupy glikokortykoidów. W Êwietle tych wyników nie sà zapewne zaskoczeniem doniesienia tego samego zespo u, e stres redukuje proliferacj komórek macierzystych hipokampu. Powoduje uwalnianie pobudzajàcych neuroprzekaêników w mózgu i uwalnianie glikokortykoidów z nadnerczy. Zrozumienie mechanizmów hamowania neurogenezy jest istotne dla opracowania sposobów przeciwdzia ania temu zjawisku. Ale nadal nie mamy w pe ni jasnego obrazu sytuacji. Na przyk ad wykazanie, e bardzo wysokie poziomy neuroprzekaêników pobudzajàcych lub niektórych hormonów mogà ograniczaç neurogenez, nie oznacza jeszcze, i by substancje te mia y dzia anie hamujàce równie w ni szych st eniach; w rzeczywistoêci mogà dzia- aç pobudzajàco na ten proces. Je eli chodzi o czynniki nasilajàce hipokampalnà neurogenez, to zarówno my, jak i inne grupy badaczy próbowaliêmy ustaliç, które cechy wzbogaconego Êrodowiska mia y najwi kszy wp yw na ten proces. Gould, obecnie z Princeton University, i jej wspó pracownicy wykazali ostatnio, e uczestniczenie w zadaniach wymagajàcych uczenia si, nawet w standardowym Êrodowisku, wzmaga prze ywalnoêç komórek powsta ych w wyniku podzia u komórek macierzystych, powodujàc wzrost liczby nowych neuronów. Tymczasem nasz zespó porównywa nat enie neurogenezy w dwóch grupach myszy trzymanych w zwyk ych klatkach do jednej z nich wstawiono bie ni ko owà. Myszy majàce nieograniczony dost p do ko a korzysta y z niego cz sto i po zakoƒczeniu doêwiadczenia okaza o si, e w ich mózgach powsta o dwukrotnie wi cej nowych neuronów ni w mózgach osobników z grupy kontrolnej pozbawionych tej frajdy. To nasilenie neurogenezy odpowiada o mniej wi cej wzrostowi obserwowanemu u myszy przebywajàcych w korzystniejszym dla nich Êrodowisku. U osobników majàcych du o ruchu nastàpi o nasilenie procesów dzielenia si komórek macierzystych, podczas gdy w grupie zwierzàt umieszczonych we wzbogaconym otoczeniu nie obserwowano zmian w tempie proliferacji tych komórek. W tym ostatnim przypadku (jak stwierdza Gould) stymulacja Êrodowiskowa sprzyja a najwyraêniej poprawie prze ywalnoêci komórek potomnych, wobec czego wi cej z nich zró nicowa o si w neurony. Odkrycie to wskazuje wyraênie, e procesy regulujàce neurogenez u osobników doros ych sà z o one i zachodzà na kilku poziomach. Wiadomo, i na neurogenez wp ywajà pewne substancje chemiczne. Wraz z naszymi wspó pracownikami ocenialiêmy wp yw czynnika wzrostowego naskórka i czynnika wzrostowego fibroblastów, które wbrew nazwom oddzia- ujà równie na rozwój neuronów w hodowlach komórkowych. Wraz z H. Georgem Khunem z Salk Institute i Jürgenem Winklerem z University of California w San Diego podawaliêmy te substancje do bocznych komór mózgu doros ych szczurów, gdzie powodowa- y one wyraêne nasilenie proliferacji wyst pujàcych tam komórek macierzystych. Czynnik wzrostowy naskórka sprzyja ró nicowaniu si powstajàcych komórek w komórki gleju opuszki w chowej, czynnik wzrostowy fibroblastów zaê w nowe neurony. Interesujàce, e wywo anie u doros ych zwierzàt pewnych stanów patologicznych, takich jak napady drgawkowe lub udar mózgu, powoduje niekiedy drastyczne nasilenie podzia- ów komórek macierzystych, a nawet neurogenez. Pytanie, czy mózg potrafi wykorzystaç t reakcj do uzupe nienia ubytków neuronalnych, pozostaje na razie bez odpowiedzi. W przypadku napadów drgawkowych chaotyczne po àczenia tworzone przez nowe neurony mogà przyczyniç si do nasilenia problemu. Podzia y komórek macierzystych i neurogeneza Êwiadczà o tym, e mózg ma zdolnoêç do samonaprawy. Dlaczego wi c tego na ogó nie wykorzystuje? W omówionych dotàd doêwiadczeniach zarówno my, jak i inne zespo y zaanga owane w badanie czynników regulujàcych neurogenez kontrolowaliêmy jednà z mo liwych zmiennych czynnik genetyczny. ObserwowaliÊmy neurologiczne reakcje na ró nego rodzaju bodêce u identycznych genetycznie zwierzàt (z tzw. chowu wsobnego). Innym sposobem badania czynników regulujàcych neurogenez jest utrzymywanie sta ych warunków Êrodowiskowych i porównywanie genotypu zwierzàt ró niàcych si wyraênie intensywnoêcià wytwarzania nowych neuronów. Przypuszczalnie wêród genów, którymi ró nià si te zwierz ta, sà sterujàce rozwojem nowych komórek nerwowych. Zbli onym podej- Êciem badawczym jest porównywanie Zdj cia: JAMES ARONOVSKY 28 ÂWIAT NAUKI Lipiec 1999

6 genów aktywnych w tych obszarach mózgu, w których zachodzi neurogeneza, z genami aktywnymi tam, gdzie procesu tego si nie obserwuje. Badania genetyczne trwajà. Geny s u à jako matryce do produkcji bia ek, na których z kolei spoczywa wi kszoêç komórkowych funkcji, takich jak stymulowanie podzia ów komórkowych, migracji i ró nicowania. Je eli wi c uda si zidentyfikowaç geny uczestniczàce w wytwarzaniu nowych neuronów, badacze powinni odkryç ich produkty bia kowe oraz ustaliç dok adny udzia genów i produkowanych przez nie bia ek w neurogenezie. Naprawianie mózgu LICZBA NOWYCH NEURONÓW ÂRODOWISKO WZBOGACONE ÂRODOWISKO KONTROLNE WZBOGACONE ÂRODOWISKO YCIOWE (sàsiednia strona) ma znacznà przewag nad standardowym Êrodowiskiem laboratoryjnym (powy ej), je eli chodzi o stymulowanie neurogenezy w zakr cie z batym hipokampu u myszy (wykres). Naukowcy próbujà ustaliç, które elementy wzbogaconego Êrodowiska majà najsilniejszy wp yw na ten proces. Wyniki najnowszych badaƒ porównujàcych zwierz ta yjàce w standardowych klatkach z osobnikami z takiego samego Êrodowiska zaopatrzonego jedynie w bie ni ko owà wskazujà, e istotnà rol odgrywa samo korzystanie ze zwi kszonej mo liwoêci biegania. Pilnie pracujàc, naukowcy na pewno zdo ajà zidentyfikowaç kiedyê ciàg przemian molekularnych wiodàcych od konkretnego bodêca, sygna u Êrodowiskowego czy wewn trznej zmiany fizjologicznej, do okreêlonych zmian w aktywnoêci genetycznej powodujàcych nasilenie bàdê zahamowanie neurogenezy. Zdob dà w ten sposób znacznà cz Êç informacji potrzebnej do wywo ania regeneracji neuronalnej na àdanie. Takie podejêcie terapeutyczne polega oby na podawaniu substancji istotnych w regulacji procesu neurogenezy lub ich farmakologicznych odpowiedników, stosowaniu terapii genowej w celu uaktywnienia endogennej produkcji tych substancji, przeszczepianiu komórek macierzystych, modulacji bodêców Êrodowiskowych bàdê poznawczych, ukierunkowaniu aktywnoêci fizycznej lub dowolnej kombinacji wymienionych czynników. Kompilowanie takich technik mo e potrwaç dziesiàtki lat. Po opracowaniu stosowa oby si je na kilka ró nych sposobów. Zapewni yby prawdopodobnie pewien stopieƒ naprawy mózgu w obszarach, w których zachodzi neurogeneza, a tak e tam, gdzie wyst pujà komórki macierzyste, w normalnych warunkach nie aktywne. Lekarze stymulowaliby migracj komórek macierzystych w obszary zazwyczaj przez nie omijane i doprowadzali do ró nicowania tych komórek w okreêlone postacie neuronów potrzebne danemu pacjentowi. Chocia te nowe komórki nie zdo a yby odtworzyç w ca- oêci uszkodzonych struktur ani te przywróciç utraconych wspomnieƒ, ale na przyk ad produkowa yby wystarczajàce iloêci cennej dopaminy (neuroprzekaênika, którego deficyt powoduje objawy choroby Parkinsona) lub innej potrzebnej w danym obszarze substancji. Badania prowadzone w pokrewnych dziedzinach nauki wspomagaç b dà prace nad takimi zaawansowanymi metodami terapii. W kilku laboratoriach opracowano na przyk ad techniki hodowli LISA BURNETT pierwotnych komórek zarodkowych cz owieka. Te niezwykle wszechstronne komórki, pochodzàce z wczesnego stadium zarodka, mogà przekszta ciç si prawie we wszystkie rodzaje komórek spotykanych w organizmie cz owieka. Byç mo- e pewnego dnia b dziemy umieli sk oniç je do wytwarzania potomstwa ró nicujàcego si w okreêlony typ neuronu. Takie komórki da oby si wszczepiaç wówczas w uszkodzone okolice mózgu, aby odtworzy y utraconà substancj neuronalnà [patrz: Roger A. Pedersen, Pierwotne komórki zarodkowe ; Âwiat Nauki, czerwiec 1999]. Przeszczepy mogà rzecz jasna byç odrzucane przez uk ad odpornoêciowy biorcy. Naukowcy opracowujà rozmaite sposoby omini cia tej przeszkody. Jednym z rozwiàzaƒ by oby pobieranie komórek macierzystych z mózgu pacjenta i manipulowanie nimi zamiast komórkami pobranymi od dawcy. Opracowano ju niezbyt inwazyjne techniki pobierania takich komórek od pacjentów. Te zastosowania medyczne sà oczywi- Êcie w sferze projektów i obecnie ich realizacja wydaje si bardzo odleg a. Pozosta- e do pokonania przeszkody sà rzeczywiêcie ogromne. Przede wszystkim trzeba b dzie w którymê momencie przenieêç z gryzoni na cz owieka badania nad procesami regulujàcymi neurogenez i proponowanymi sposobami naprawy uszkodzonej tkanki mózgowej. Do prowadzenia badaƒ na ludziach, bez negatywnych skutków dla ich zdrowia, naukowcy muszà zastosowaç niezwykle przemy- Êlane techniki, takie jak nieinwazyjne obrazowanie metodami czynnoêciowego magnetycznego rezonansu jàdrowego czy emisyjnej tomografii pozytonowej (PET). Ponadto konieczne jest, by opracowali systemy zabezpieczeƒ gwarantujàce, e powstajàce w mózgu lub przeszczepione doƒ nowe neurony b dà funkcjonowa y zgodnie z oczekiwaniami i nie zaburzà normalnych funcji mózgu. Oczekiwane korzyêci z uwolnienia potencja u regeneracyjnego mózgu w pe ni usprawiedliwiajà wszelkie dzia ania. T umaczy Andrzej Bidziƒski Informacje o autorach GERD KEMPERMANN i FRED H. GAGE pracowali razem od 1995 roku, kiedy pierwszy z nich rozpoczà trzyletnie studium podoktoranckie w laboratorium Gage a w Salk Institute for Biological Studies w La Jolla w Kalifornii. Kempermann, który ukoƒczy studia medyczne w Universität Freiburg w Niemczech, jest obecnie zatrudniony na stanowisku neurologa w Universität Regensburg. Gage jest od 1995 roku profesorem w Laboratorium Genetyki w Salk Institute, a od 1998 roku profesorem na Wydziale Badaƒ Uk adu Nerwowego University of California w San Diego. Doktoryzowa si z neurobiologii w Johns Hopkins University w 1976 roku; przed przenosinami do Kalifornii by profesorem nadzwyczajnym histologii w Lunds Universitet w Szwecji. Literatura uzupe niajàca MORE HIPPOCAMPAL NEURONS IN ADULT MICE LIVING IN AN ENRICHED ENVIRONMENT. Gerd Kempermann, H. Georg Kuhn i Fred H. Gage, Nature, vol. 386, ss , 3 IV NEUROGENESIS IN THE ADULT HUMAN HIPPOCAMPUS. Peter S. Eriksson i in., Nature Medicine, vol. 4, nr 11, ss , XI/1998. LEARNING ENHANCES ADULT NEUROGENESIS IN THE HIPPOCAMPAL FORMATION. Elizabeth Gould i in., Nature Neuroscience, vol. 2, nr 3, ss , III/1999. RUNNING INCREASES CELL PROLIFERATION AND NEUROGENESIS IN THE ADULT MOUSE DENTATE GYRUS. Henriette van Praag i in., Nature Neuroscience, vol. 2., nr 3, ss , III/1999. ÂWIAT NAUKI Lipiec