Mała różnica, duży mózg

| Nauki przyrodnicze
CC

Nikt nie wie dokładnie, dlaczego ludzki mózg działa tak wydajnie w porównaniu do innych gatunków. Choć istnieją różne hipotezy, prawdziwość żadnej z nich nie została dotychczas ostatecznie potwierdzona. Kolejną próbę wyjaśnienia tej zagadki podjęli naukowcy z Wielkiej Brytanii. Ich zdaniem, sekretem sprawności naszego układu nerwowego nie jest rozmiar jego centralnego narządu, lecz stopień złożoności połączeń pomiędzy jego podstawowymi elementami - neuronami.

Do niedawna sądzono, że połączenia między komórkami nerwowymi, zwane synapsami, są zbudowane niemal identycznie u wszystkich organizmów zamieszkujących Ziemię. Jednak, jak tłumaczy prof. Seth Grant z Wellcome Trust Sanger Institute, główny autor studium, wiele badań skupiało się na na ilości neuronów, lecz nikt dotąd nie spojrzał na molekularną charakterystykę połączeń między nimi. Odnaleźliśmy ogromne różnice w ilości białek wchodzących w skład połączeń pomiędzy neuronami u różnych gatunków.

Badacze analizowali około sześciuset białek, które wchodzą w skład synaps w mózgach ssaków. Okazało się, że zaledwie połowa z nich jest obecna w analogicznych połączeniach u bezkręgowców, natomiast w organizmach jednokomórkowych nie stwierdzono obecności aż 75% z nich (oczywiście, w ostatnim przypadku mowa o obecności białka w całej komórce, gdyż organizmy takie nie posiadają układu nerwowego).

Typowa synapsa jest złożonym połączeniem, którego zadanie wybiega daleko poza proste przekazanie sygnału z komórki do komórki. W rzeczywistości, jej praca polega także na uczeniu się i zapamiętywaniu cech przekazywanego przez nią sygnału. Co ciekawe, badacze odkryli, że jedna z protein, pełniąca u człowieka funkcje sygnalizacyjne w obrębie synapsy i biorąca jednocześnie udział w procesie uczenia, bierze u jednokomórkowych drożdży udział w wewnątrzkomórkowej transmisji sygnałów o warunkach środowiska, a także w reakcji mikroorganizmu na czynniki stresowe, jak głód czy zmiana temperatury. Pokazuje to, jak wiele podobieństw wykazuje fizjologia tych dwóch gatunków, pozornie odległych ewolucyjnie.

Badacze wykazali, że w historii ewolucji nastąpiły dwie fale nagłego wzrostu złożoności połączeń nerwowych, które umożliwiły budowanie struktur odpowiedzialnych za rozwój coraz doskonalszego układu nerwowego. Pierwsza z nich związana jest z "przejściem" organizmów z formy jedno- do wielokomórkowej, druga zaś nastąpiła wraz z rozwojem pierwszych kręgowców. Oczywiście nie oznacza to, że pojawienie się nowych protein automatycznie spowodowało wzrost rozmiaru mózgu, lecz wyniki badań pokazują wyraźnie, że powiększenie puli białek wchodzących w skład synaps było niezbędne do tworzenia coraz bardziej złożonych systemów w obrębie układu nerwowego.

Aby udowodnić swoją hipotezę, brytyjscy naukowcy przeprowadzili serię eksperymenów na zwierzętach, popartą obserwacjami klinicznymi na ludziach. Potwierdzili na przykład, że ssaki (w tym ludzie) pozbawione funkcjonalnej kopii genu SAP102, kodującego białko występujące w synapsach wyłącznie u kręgowców, tracą znaczną część zdolności rozwiązywania zagadek logicznych i uczenia się. U myszy objawia się to znacznie wydłużonym czasem potrzebnym na wydostanie się z labiryntu, zaś u ludzi defekt SAP102 powoduje upośledzenie umysłowe. Jednocześnie bezkręgowce, u których brak tego genu jest naturalny, w ogóle nie są zdolne do rozwiązywania tak złożonych problemów.

Badania Brytyjczyków dostarczyły wiele informacji na temat budowy układu nerwowego na poziomie molekularnym. Wiedza ta może być niezwykle przydatna badaczom zajmującym się poszukiwaniem mechanizmów odpowiedzialnych za rozwój inteligencji oraz upośledzeń umysłowych, a także chorób związanych z nieprawidłowym funkcjonowaniem połączeń pomiędzy neuronami.

mózg synapsy neuron neurony synapsa