Kurkime ateitį drauge!

 

Dr. Saulius Šatkauskas

 

KAIP NEURONAI SURANDA SAVO TAIKINIUS?

 

Esminiai klausimai

Kaip ir visi audiniai, nervų sistema sudaryta iš ląstelių. Pažiūrėjus pro mikroskopą šios nervinės ląstelės - neuronai aiškiai išsiskiria nuo kitų ląstelių. Kaip ir visos ląstelės, neuronai turi ląstelės kūną, tačiau skirtingai nuo kitų jie taip pat turi specifines išaugas – dendritus ir aksonus. Dendritais neuronas priima informaciją, aksonais ją perduoda. Kai kurių neuronų aksonai gali būti labai ilgi ir siekti daugiau kaip metrą. Pavyzdžiui, tam, kad smegenys galėtų valdyti kojos ar rankos pirštą, jį turi pasiekti stuburo smegenyse esančių neuronų aksonai.

 

 

Tipinio neurono struktūra. Dendritais neuronas priima informaciją, o aksonais ją perduoda kitoms ląstelėms.

 

Supratus, kad mūsų visa nervų sistema sudaryta iš atskirų ląstelių, iškart kilo klausimas, kaip funkcionuoja nervų sistema? Vienas iš pirmų uždavinių, siekiant atsakyti į šį esminį klausimą buvo išsiaiškinti ar normaliai nervų sistemos funkcionavimui yra būtinos tikslios aksonų jungtys su kitomis ląstelėmis ar audiniais. Galbūt užtenka, kad raumuo ar sensorinis organas tiesiog turėtų nervinių skaidulų ryšį su centrine nervų sistema?

 

            Funkcionalistinė ideologija

Dvidešimto amžiaus pradžioje susiformavo funkcionalistinė ideologija, pagal kurią tikslios nervinių skaidulų jungtys nėra būtinos. Pagrindinė funkcionalizmo idėja buvo tai, kad normaliai elgsenai svarbiausia yra apsimokinimas, o ne tikslios nervinių skaidulų jungtys. Manyta, kad elgsena per daug sudėtinga, kad ją būtų galima paaiškinti tik nervinių skaidulų tiksliais sujungimais. Pagal funkcionalistinę ideologiją specifinė elgsena kyla nuolatinio mokinimosi dėka, išrenkant tinkamus, adaptyvius atsakus ir eliminuojant netinkamus. Analogiškai manyta, kad tai galioja ir nervinėms skaiduloms – jei su jomis susijęs nervinis aktyvumas funkciškai adaptyvus, skaidulos išsaugomos, jei funkciškai bereikšmis – eliminuojamos. Pagal šį požiūrį nervinės skaidulos tėra medžiaga, kuriomis gali sklisti informacija, o pati informacija visiškai nepriklauso nuo nervinių skaidulų savybių. Taigi, nesvarbu, su kuo nervinė skaidula bus susijungusi, svarbu kokia informacija per ją bus perduota.

Funkcionalistai rėmėsi klinikiniais ir eksperimentiniais tyrimais, kuomet pažeidus periferinę ar centrinę nervų sistemą, po kurio laiko normali elgsena atsistatydavo. Jų manymu atsistatymas įvykdavo mokinimo pasėkoje, o normali elgsena sugrįždavo jei nors minimalus nervinių skaidulų kiekis sujungdavo pažeistas vietas. Šis minimalus skaidulų kiekis užtikrina visos informacijos perdavimą.

Vienas iš rimčiausių funkcionalistų argumentų buvo Paulio Veiso (Paul Weiss) eksperimentai. Paulis Veisas varliagyviams į šoną įsodindavo papildomą galūnę. Po kurio laiko, įsodinta galūnė tapdavo įnervuota ir imdavo judėti! Įdomiausia tai, kad įsodinta galūnė judėjo sinchroniškai su šalia jos esančia normalia galūne! Tai atrodė visiškai nesuderinama su tuo, kad nervų sistemos normaliam funkcionavimui būtinos tikslios nervinių skaidulų jungtys. Priešingai, pagal Veisą šis eksperimentas tik patvirtina, kad nervinės skaidulos auga bet kaip, o atsiradusi papildoma galūnė pareikalavo papildomų nervinių skaidulų. Be to, pagal Veisą šis eksperimentas taip pat parodė, kad nervais sklinda bendra informacija. Tačiau, kadangi audiniai yra skirtingi, jie šią informaciją interpretuoja savaip.

 

            Frankenšteiniški eksperimentai

Veisas į pagalbą savo tyrimams pasikvietė jauną ir smalsų studentą Roger’į Sperry. Sperry Veiso laboratorijoje pradėjo tyrimus, sukeisdamas žiurkių raumenų ar nervų lokalizacijos vietas. Viename eksperimente Sperry perjungė lenkiamąjį ir tiesiamąjį raumenį taip, kad žiurkė, norėdama koją ištiesti, iš tiesų ją sulenkdavo; ir atvirkščiai, norėdama koją sulekti – ją ištiesdavo. Tokį pat rezultatą jis gavo ir sukeisdamas vietomis tiesiamojo ir lenkiamojo raumens nervus. Akivaizdu, kad tokios operacijos buvo tikra katastrofa žiurkėms - norėdamos bėgti į vieną pusę, jos pajudėdavo į kitą. Pagal funkcionalistus, po tokių operacijų nervai, įnervuojantys lenkiamąjį ir tiesiamąjį raumenis, turėtų greitai adaptuotis ir žiurkės turėtų greitai atgauti normalias judėjimo galimybes. Deja, gyvūnai net ir po ilgo laiko neatgaudavo savo ankstesnės normalios elgsenos. Normalios elgsenos jos neatgaudavo net ir tuomet, kuomet Sperry jas priverstinai bandydavo išmokinti teisingų judesių.

Netrukus šie atradimai tapo ypatingos svarbos. Mat prasidėjus Antrajam Pasauliniam karui, daugumai sužeistųjų reikdavo operacijų, sujungiant nutrauktus, raumenis įnervuojančius periferinius nervus. Neurochirurgai, funkcionalistų įtakoje, manydami, kad nervų sistema susitvarkys savaime, nesistengė rasti tikslių nutrauktų nervų vietų ir juos prijungdavo gana nerūpestingai. Sperry, remdamasis savo eksperimentais, visais galimais būdais stengėsi pakeisti šią pragaištingą nuostatą. Jo eksperimentai aiškiai rodė, kad normaliai motorinei elgsenai, nervai, įnervuojantys raumenis, turi būti prijungti tiksliai ankstesnėse vietose.

Tuo pačiu jo eksperimentai aiškiai prieštaravo funkcionalistų ideologijai. Tačiau Sperry atliko eksperimentus su suaugusiomis žiurkėmis. Galbūt suaugusiuose gyvūnuose nervai prarado savo, prie organo prisitaikančias, savybes? Nepaprastai įdomūs eksperimentai su varliagyviais išsklaidė ir šias abejones. Roger Sperry žinodamas, kad varlėms nutraukus optinį nervą, po kiek laiko jų rega atsistato paklausė, kaip tai įvyko? Pagal funkcionalistus akies nervinės skaidulos yra vienodos. Iki varlės regos centro – tektumo – jos auga netvarkingai ir tik paskui adaptuojasi, atstatydamos normalią regą. Pagal kitą hipotezę akies nervinės skaidulos regeneruodamos prisijungia tiksliai prie ankstesnių vietų. Sperry eksperimentai su žiurkėmis akivaizdžiai rėmė antrąją hipotezę. Sperry atliko paprastai genialų eksperimentą – jis nutraukė varlėms optinį nervą, akį akiduobėje pasuko 180O C, taip, kad apatinė tinklainės dalis atsidūrė viršuje. Ar varlė dabar atgaus regą? O jei atgaus, tai kokią – normalią ar apverstą (aukštyn kojomis)? Po optinio nervo regeneracijos ir regos atsistatymo, varlėms pasiūlius musę virš galvos, jos gaudydavo musę, bet liežuviu šaudavo žemyn. Aišku pro šalį! Jei musė buvo kairėje, varlės jos ieškodavo dešinėje. Taigi, po nervo regeneracijos varlės pasaulį matė aukštyn kojom! Tai rodė, kad greičiausiai nervinės skaidulos grįžo į ankstesnes vietas. 

 

 

 

Varlei nutraukus optinį nervą ir akį apsukus 180O C, regeneravęs nervas grąžina ne normalią, bet apverstą regą. Tai susiję su tuo, kad regeneruojantys neuronai grįžta į regos centro – tektumo anksčiau užimtas vietas. Tektumas analizuoja vaizdinę informaciją, tačiau kadangi iš tinklainės ateina apversta informacija, varlės smegenys ją ir supranta atvirkščiai. N ir S – nosies ir smilkinio pusės tinklainės dalis; P ir U – priešakinė ir užpakalinė tinklainės dalis.

 

Bandydamas tai patikrinti, Sperry pabandė atsekti regeneruojančių nervinių skaidulų vietas smegenyse. Kaip ir tikėtasi, visos regeneruojančios skaidulos grįžo į savo ankstesnes vietas! Regeneruojančios skaidulos grįžo į savo vietas, net jei joms reikėjo papildomai apsisukti, ir augant praleisti laisvas kitų skaidulų jungimosi vietas. Sperry išplėtė ir pakartojo savo eksperimentus su kitais varliagyviais. Viename eksperimente jis net sukeitė akis vietomis. Vėl ir vėl kartojosi tas pats – nervinės skaidulos neįtikėtinai tiksliai grįždavo į savo ankstesnes vietas.

 

Cheminio giminingumo hipotezė

Visi šie eksperimentai rodė, kad nervinės skaidulos kažkokiu būdu atpažįsta savo taikinį. Rezultatams paaiškinti 1963 m. Roger Sperry pasiūlė cheminio giminingumo hipotezę*. Pagal ją kiekviena nervinė skaidula ir jos taikinys turi cheminės ar molekulinės prigimties atitikimą, taip, kaip kiekvienas raktas turi sau atitinkančią spyną. Taigi, kiekviena nervinė skaidula ieško sau atitinkančio taikinio. Bet kadangi yra milijonai nervinių skaidulų, ar gali egzistuoti milijonai chemiškai atitinkančių porų? Sperry taip nemanė. Jis spėjo, kad nervinių skaidulų taikiniai išsiskiria vienos ar kelių molekulių gradientais, t.y. netolygiu molekulių pasiskirstymu taikinyje. Roger spėjo, kad vienoje taikinio pusėje šių molekulių yra daugiau, o einant link kitos pusės, jų nuolat mažėja.

 

Hipotezės patvirtinimas

            Sperry eksperimentai buvo tokie įtikinantys, kad dauguma įsitikinusių funkcionalistų pakeitė savo požiūrį. Tačiau pilnam hipotezės patvirtinimui buvo būtina rasti už aksonų augimą atsakingas chemines medžiagas. Vienas iš pirmųjų tokių patvirtinimų buvo Rita Levi-Montalcini atradimas. Jai pavyko atrasti ir išgryninti nervų augimo faktorių. Vėliau buvo nustatyta, kad tai baltyminės kilmės molekulė, kuri labai palengvina daugelio aksonų augimą. Taigi, aksonai gali jausti chemines medžiagas!

            Antras ryškus Sperry hipotezės patvirtinimas susijęs su specifinių substratų paruošimu iš varliagyvių tektumo. Indelis, kuriame buvo auginami neuronai, buvo padengtas ląstelių ekstraktu, gautu arba iš priekinės, arba iš užpakalinės tektumo dalies. Smilkinio pusės tinklainės neuronų aksonai selektyviai rinkosi augti ant substrato, gauto iš priešakinio tektumo. Tuo tarpu nosinės pusės tinklainės neuronų aksonai tokio selektyvumo neturėjo. Šis eksperimentas patvirtino Sperry mintį, kad aksonų taikiniuose (šiuo atveju tektume) egzistuoja cheminių medžiagų gradientai! Be to, aksonai iš vienos tinklainės pusės skiriasinuo aksonų iš kitos tinklainės pusės!

            Vėlesnių tyrimų dėka, tektume buvo nustatytos molekulės, į kurias reaguoja tinklainės aksonai. Tuo pačiu, nustatyti ir aksonų receptoriai jaučiantys jų augimą reguliuojančias molekules. Taigi, kaip ir spėta tarp aksonų ir jų taikinių egzistuoja cheminis giminingumas. Maža to, tyrimai parodė, kad aksonai vienas nuo skiriasi receptorių skaičiumi. Kuo daugiau receptorių, tuo aksonas stipresnis. Todėl, aksonai, turintys daugiau receptorių, tektume jungiasi ten, kur aksonų augimą reguliuojančių molekulių gradientas yra mažesnis. Ir priešingai, aksonai, turintys mažiau receptorių, tektume jungiasi ten, kur aksonų augimą reguliuojančių molekulių gradientas yra didesnis. Šie atradimai pilnai patvirtino Sperry eksperimentų suformuotą cheminio giminingumo hipotezę!

 

Užpakalinėje (U) tektumo dalyje, aksonų augimą reguliuojančių molekulių gradientas yra didžiausias, todėl prie jo jungiasi mažiausiai receptorių turintys aksonai iš nosinės tinklainės dalies. Priekinėje (P) tektumo dalyje aksonų augimą reguliuojančių molekulių gradientas yra mažiausias, todėl prie jo jungiasi daugiausiai receptorių turintys aksonai iš nosinės tinklainės dalies.

 

 


Naturales Scientiae Omnibus