człowiek
Autor: Ed Lein i Mike Hawrylycz | dodano: 2014-04-23
Genetyczna geografia mózgu

Pierwsze szczegółowe mapy tego, co geny robią w naszym mózgu, wskazują, jak bardzo różnimy się od myszy i podważają obowiązującą od dawna teorię funkcjonowania istoty szarej.

Kiedy czytasz te słowa, Twoje oczy skanują stronice, rozpoznając wzory, którym Twój umysł przypisuje określone znaczenia. W tym samym czasie Twoje serce kurczy się i rozluźnia, przepona unosi się i opada, kontrolując oddychanie, mięśnie grzbietu napinają się, aby utrzymać postawę ciała, i trwa tysiąc innych podstawowych czynności świadomego i nieświadomego życia – a wszystko to koordynowane przez około 86 mld neuronów i taką samą liczbę komórek pomocniczych wewnątrz czaszki. Dla neurobiologów takich, jak my, nawet prosta czynność przeglądania czasopisma jest cudem – a zarazem przykładem jednego z najtrudniejszych problemów współczesnej nauki. Tak naprawdę nie umiemy nadal w pełni wyjaśnić, w jaki sposób ludzki mózg myśli ani dlaczego mózg małpy nie pozwala na przeprowadzanie procesów myślowych w taki sposób, jak mózg człowieka.

Neurobiolodzy od ponad 100 lat intensywnie badają ludzki mózg. Mimo to czasami nadal czujemy się jak odkrywcy, którzy wylądowali na brzegu nieznanego kontynentu. Pierwsi przybysze wytyczyli ogólne granice i zarysy. W początkach XX wieku niemiecki naukowiec Korbinian Brodmann ciął w plasterki ludzkie mózgi i badał pod mikroskopem korę mózgową – zewnętrzne warstwy istoty szarej, która odpowiada za większość procesów percepcji, myśli i pamięci. Na podstawie topografii mózgu oraz wyglądu komórek w poszczególnych okolicach po zastosowaniu różnego rodzaju barwienia podzielił on korę mózgową na kilkadziesiąt rejonów.

Stopniowo zakorzenił się pogląd, że każdy rejon, każda grupa komórek określonego rodzaju pełni funkcje ze swoistego zakresu. Niektórzy neurobiolodzy kwestionowali jego teorię, że przydział funkcji zależy od lokalizacji. Jednak model podziału mózgu na strefy wrócił do łask, kiedy pojawiły się nowe narzędzia, przede wszystkim czynnościowe obrazowanie metodą jądrowego rezonansu magnetycznego (MRI), które pozwala na rejestrację fragmentów mózgu, które „zapalają się” (zużywają tlen) w czasie, kiedy człowiek czyta, marzy czy też kłamie. Naukowcy wykorzystują tę technikę do konstruowania „map”, które wiążą obrazy uzyskiwane za jej pomocą z zachowaniami ludzkimi w świecie rzeczywistym.

Jednak nowa szkoła postuluje, że mózg zachowuje się raczej jak nieformalna sieć społecznościowa, bez ścisłego przydziału zadań. Zgodnie z tą hipotezą zachowanie neuronu determinują bardziej połączenia pomiędzy nim a innymi komórkami mózgowymi niż jego pozycja. Sposób działania każdego rejonu ulega silnym wpływom wcześniejszych doświadczeń oraz sytuacji bieżącej. Jeśli tak jest w istocie, możemy się spodziewać, że poszczególne funkcje mózgu będą powodowały nakładające się na siebie obszary aktywności. Sprawdzenie tej hipotezy nie będzie proste. Trudno jest śledzić obwody mózgowe, a miliardy neuronów w mózgu człowieka łączy zapewne 100 bln połączeń, czyli synaps. Zapoczątkowano jednak projekty, których celem ma być opracowanie nowych narzędzi, niezbędnych dla realizacji tego zadania.

W roku 2003, kiedy badacze z Human Genome Project opublikowali sekwencję kodu w ludzkim DNA, wraz ze współpracownikami z Allen Institute for Brain Science w Seattle dostrzegliśmy możliwość wykorzystania nowego katalogu około 20 000 ludzkich genów oraz szybko udoskonalanych systemów skanowania genowego w celu spojrzenia na ludzki mózg z nowej perspektywy. Zdaliśmy sobie sprawę, że wykorzystując narzędzia genetyki wraz z klasycznymi metodami neurobiologii, możemy zanurkować głęboko w dżunglę niezbadanego kontynentu: możemy stworzyć mapę aktywnych i uśpionych części genomu w całej objętości mózgu. Spodziewaliśmy się, że na takiej mapie zaobserwujemy włączanie całkowicie innych zestawów genów, na przykład w części mózgu odpowiadającej za słyszenie i części kontrolującej czucie dotyku, ruch lub świadome myślenie.

Naszym celem, którego osiągnięcie zajęło ostatecznie niemal 10 lat, było stworzenie trójwymiarowych atlasów, przedstawiających lokalizacje, w których określone geny działają u zdrowych ludzi i, dla porównania, u myszy. (Obecnie pracujemy nad uzupełnieniem tego obrazu o małpy.) Takie molekularne mapy są nieocenionym punktem odniesienia przy ocenie, co jest „normalne” – lub przynajmniej typowe – mniej więcej w taki sam sposób, jak referencyjna sekwencja DNA, uzyskana dzięki Human Genome Project. Spodziewamy się, że atlasy przyspieszą postępy w dziedzinie neurobiologii i powstawanie nowych leków, pozwalając jednocześnie naukowcom na zaspokojenie ich podstawowej ciekawości dotyczącej struktury ludzkiego mózgu.

Nowe metody patrzenia na wewnętrzną pracę mózgów ludzi i gryzoni przyniosły już pewne niespodzianki. Dużym zaskoczeniem był fakt, że chociaż każdy człowiek jest jedyny w swoim rodzaju, to schematy aktywności genowej są w poszczególnych mózgach ludzkich bardzo podobne. Niezależnie od indywidualnych różnic, ludzie wykazują zbliżoną geografię genetyczną mózgów. Ponadto, ku naszemu zdziwieniu, u poszczególnych osób nie stwierdziliśmy znaczących różnic w aktywności genów pomiędzy lewą i prawą półkulą mózgu. Chociaż myszy są, w zastępstwie ludzi, wykorzystywane w większości badań z dziedziny neurobiologii i we wczesnych fazach badań nad lekami, nowe wyniki jasno pokazują, że na poziomie genetycznym nie można nas traktować jak większych gryzoni. To odkrycie stawia pod znakiem zapytania przydatność wykorzystywania myszy jako modeli służących zrozumieniu neurobiologii naszego własnego gatunku.

 

Więcej w miesięczniku „Świat Nauki" nr 05/2014 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
11/2017
10/2017 - specjalny
Kalendarium
Listopad
19
W 1912 r. urodził się George Emil Palade, amerykański cytolog, laureat Nagrody Nobla.
Warto przeczytać
Zmyl trop to użyteczna, ale i pełna powabu oraz przekonująca, kieszonkowa esencja wszystkiego, co chcielibyście wiedzieć o obronie przed inwigilacją.

Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Ed Lein i Mike Hawrylycz | dodano: 2014-04-23
Genetyczna geografia mózgu

Pierwsze szczegółowe mapy tego, co geny robią w naszym mózgu, wskazują, jak bardzo różnimy się od myszy i podważają obowiązującą od dawna teorię funkcjonowania istoty szarej.

Kiedy czytasz te słowa, Twoje oczy skanują stronice, rozpoznając wzory, którym Twój umysł przypisuje określone znaczenia. W tym samym czasie Twoje serce kurczy się i rozluźnia, przepona unosi się i opada, kontrolując oddychanie, mięśnie grzbietu napinają się, aby utrzymać postawę ciała, i trwa tysiąc innych podstawowych czynności świadomego i nieświadomego życia – a wszystko to koordynowane przez około 86 mld neuronów i taką samą liczbę komórek pomocniczych wewnątrz czaszki. Dla neurobiologów takich, jak my, nawet prosta czynność przeglądania czasopisma jest cudem – a zarazem przykładem jednego z najtrudniejszych problemów współczesnej nauki. Tak naprawdę nie umiemy nadal w pełni wyjaśnić, w jaki sposób ludzki mózg myśli ani dlaczego mózg małpy nie pozwala na przeprowadzanie procesów myślowych w taki sposób, jak mózg człowieka.

Neurobiolodzy od ponad 100 lat intensywnie badają ludzki mózg. Mimo to czasami nadal czujemy się jak odkrywcy, którzy wylądowali na brzegu nieznanego kontynentu. Pierwsi przybysze wytyczyli ogólne granice i zarysy. W początkach XX wieku niemiecki naukowiec Korbinian Brodmann ciął w plasterki ludzkie mózgi i badał pod mikroskopem korę mózgową – zewnętrzne warstwy istoty szarej, która odpowiada za większość procesów percepcji, myśli i pamięci. Na podstawie topografii mózgu oraz wyglądu komórek w poszczególnych okolicach po zastosowaniu różnego rodzaju barwienia podzielił on korę mózgową na kilkadziesiąt rejonów.

Stopniowo zakorzenił się pogląd, że każdy rejon, każda grupa komórek określonego rodzaju pełni funkcje ze swoistego zakresu. Niektórzy neurobiolodzy kwestionowali jego teorię, że przydział funkcji zależy od lokalizacji. Jednak model podziału mózgu na strefy wrócił do łask, kiedy pojawiły się nowe narzędzia, przede wszystkim czynnościowe obrazowanie metodą jądrowego rezonansu magnetycznego (MRI), które pozwala na rejestrację fragmentów mózgu, które „zapalają się” (zużywają tlen) w czasie, kiedy człowiek czyta, marzy czy też kłamie. Naukowcy wykorzystują tę technikę do konstruowania „map”, które wiążą obrazy uzyskiwane za jej pomocą z zachowaniami ludzkimi w świecie rzeczywistym.

Jednak nowa szkoła postuluje, że mózg zachowuje się raczej jak nieformalna sieć społecznościowa, bez ścisłego przydziału zadań. Zgodnie z tą hipotezą zachowanie neuronu determinują bardziej połączenia pomiędzy nim a innymi komórkami mózgowymi niż jego pozycja. Sposób działania każdego rejonu ulega silnym wpływom wcześniejszych doświadczeń oraz sytuacji bieżącej. Jeśli tak jest w istocie, możemy się spodziewać, że poszczególne funkcje mózgu będą powodowały nakładające się na siebie obszary aktywności. Sprawdzenie tej hipotezy nie będzie proste. Trudno jest śledzić obwody mózgowe, a miliardy neuronów w mózgu człowieka łączy zapewne 100 bln połączeń, czyli synaps. Zapoczątkowano jednak projekty, których celem ma być opracowanie nowych narzędzi, niezbędnych dla realizacji tego zadania.

W roku 2003, kiedy badacze z Human Genome Project opublikowali sekwencję kodu w ludzkim DNA, wraz ze współpracownikami z Allen Institute for Brain Science w Seattle dostrzegliśmy możliwość wykorzystania nowego katalogu około 20 000 ludzkich genów oraz szybko udoskonalanych systemów skanowania genowego w celu spojrzenia na ludzki mózg z nowej perspektywy. Zdaliśmy sobie sprawę, że wykorzystując narzędzia genetyki wraz z klasycznymi metodami neurobiologii, możemy zanurkować głęboko w dżunglę niezbadanego kontynentu: możemy stworzyć mapę aktywnych i uśpionych części genomu w całej objętości mózgu. Spodziewaliśmy się, że na takiej mapie zaobserwujemy włączanie całkowicie innych zestawów genów, na przykład w części mózgu odpowiadającej za słyszenie i części kontrolującej czucie dotyku, ruch lub świadome myślenie.

Naszym celem, którego osiągnięcie zajęło ostatecznie niemal 10 lat, było stworzenie trójwymiarowych atlasów, przedstawiających lokalizacje, w których określone geny działają u zdrowych ludzi i, dla porównania, u myszy. (Obecnie pracujemy nad uzupełnieniem tego obrazu o małpy.) Takie molekularne mapy są nieocenionym punktem odniesienia przy ocenie, co jest „normalne” – lub przynajmniej typowe – mniej więcej w taki sam sposób, jak referencyjna sekwencja DNA, uzyskana dzięki Human Genome Project. Spodziewamy się, że atlasy przyspieszą postępy w dziedzinie neurobiologii i powstawanie nowych leków, pozwalając jednocześnie naukowcom na zaspokojenie ich podstawowej ciekawości dotyczącej struktury ludzkiego mózgu.

Nowe metody patrzenia na wewnętrzną pracę mózgów ludzi i gryzoni przyniosły już pewne niespodzianki. Dużym zaskoczeniem był fakt, że chociaż każdy człowiek jest jedyny w swoim rodzaju, to schematy aktywności genowej są w poszczególnych mózgach ludzkich bardzo podobne. Niezależnie od indywidualnych różnic, ludzie wykazują zbliżoną geografię genetyczną mózgów. Ponadto, ku naszemu zdziwieniu, u poszczególnych osób nie stwierdziliśmy znaczących różnic w aktywności genów pomiędzy lewą i prawą półkulą mózgu. Chociaż myszy są, w zastępstwie ludzi, wykorzystywane w większości badań z dziedziny neurobiologii i we wczesnych fazach badań nad lekami, nowe wyniki jasno pokazują, że na poziomie genetycznym nie można nas traktować jak większych gryzoni. To odkrycie stawia pod znakiem zapytania przydatność wykorzystywania myszy jako modeli służących zrozumieniu neurobiologii naszego własnego gatunku.