Деценијама, неуронаучници су се фокусирали готово искључиво на само половину ћелија у мозгу. Неурони су били главни играчи, мислили су, а све остало је састављено од незанимљивих система подршке.
До 2010-их, истраживач памћења Инбал Гошен је почео да доводи у питање ту претпоставку. Била је инспирисана иновативним молекуларним алатима који би јој омогућили да истражи доприносе друге, мистериозније групе ћелија званих астроцити. Оно што је открила о њиховој улози у учењу и памћењу додатно ју је узбудило.
Рачунари који раде на људским можданим ћелијама
У почетку се осећала као аутсајдер, посебно на конференцијама. Замишљала је колеге како мисле: „Ох, то је онај чудан који ради на астроцитима“, каже Гошен, чија је лабораторија на Хебрејском универзитету у Јерусалиму. Многи људи су били скептични, каже она.
Али не више. Налет студија из лабораторија у многим подобластима открива колико су ове ћелије важне у обликовању нашег понашања, расположења и памћења. Дуго се сматрало као ћелије подршке, астроцити се појављују као кључни играчи у здрављу и болестима.
„Неурони и неуронска кола су главне рачунарске јединице мозга, али сада је јасно колико астроцити обликују тај прорачун“, каже неуробиолог Никола Ален са Салк института за биолошке студије у Ла Холи у Калифорнији, која је своју каријеру провела истражујући астроците и друге не-неуронске ћелије, које се заједнички називају глијалне ћелије. „Глиал састанци су сада стално прекомерни.“
Из сенке
Још у деветнаестом веку, научници су својим једноставним микроскопом могли да виде да мозак сисара укључује две главне врсте ћелија — неуроне и глију — у приближно једнаком броју.
Технологије двадесетог века изазвале су већину узбуђења око неурона. Истраживачи који су проучавали електричну активност ћелија показали су како оне стварају сложене мреже које су у основи свих функција мозга.
Када се неурони активирају, електрични сигнали падају по њиховој дужини брзином муње, узрокујући да њихове синапсе ослобађају хемијске неуротрансмитере. Неки од њих, као што је глутамат, побуђују суседне неуроне, док их други, као што је ГАБА (γ-аминобутерна киселина), инхибирају. Развој технике назване патцх цлампинг 1970-их и 1980-их, у којој се електроде убацују у појединачне ћелије за мерење протока јона кроз мембране, омогућио је истраживачима да испитају ову неуротрансмисију до невиђених детаља.
Мождано ткиво, саставите! Унутар покрета за изградњу бољих модела мозга
Насупрот томе, чинило се да су глијалне ћелије електрично нечујне и већина истраживача их је одбацила као досадне. Неке глије, зване олигодендроцити, облажу и изолују неуроне. Други, микроглија, обезбеђују имуни систем мозга. Многе функције астроцита показале су се неухватљивијим.
Иако се неколико научника мозга фокусирало на астроците све до 2000-их, нека фундаментална открића су направљена пре тога1. Под светлосним микроскопом, астроцити изгледају у облику звезде, протежући се између неурона и сићушних крвних судова у мозгу. Они сигнализирају крвним судовима да повећају или смање свој проток у складу са неуронском активношћу и извлаче кисеоник и друге молекуле који дају живот из крви како би их послали неуронима. Они чисте отпадне производе око синапси и тамо регулишу нивое јона. Они извлаче глутамат из околине неурона да би спречили ексцитаторна кола да се активирају, разграђују неуротрансмитер и затим враћају његове грађевне блокове неуронима.
Астроцити су почели да изгледају занимљивије када је постало могуће мерити кретање калцијума у ћелијама. Та мерења су открила да астроцити користе флуктуације у својим нивоима калцијума да сигнализирају једни другима и другим ћелијама као одговор на одређене молекуле у свом окружењу, као што је вишак неуротрансмитера (погледајте ‘Сигнали са звезда’). Испоставља се да ови сигнали калцијума, који се крећу споро у поређењу са онима који пролазе између неурона, имају велике последице. Они покрећу многе активности, укључујући ослобађање даљих сигналних молекула, јона, метаболита и других фактора који утичу на понашање неурона, других глијалних ћелија и крвних судова.
Пошто су многи сигнални молекули неуротрансмитери, мала група истраживача је 2010-их почела да се пита да ли астроцити могу да допринесу ултрабрзом електричном преносу у неуронима. Али током протекле деценије, све прецизнији истраживачки алати открили су другачију, сложенију причу. Многи научници који су се раније фокусирали искључиво на неуроне сада користе ове алате да истраже како астроцити доприносе физиологији и понашању животиња.
Нису се појавили докази који би подржали улогу астроцита у ултрабрзој неуротрансмисији. Уместо тога, постаје све јасније да астроцити оркестрирају молекуларну мешавину у окружењу око синапса на временским скалама много споријим од неуронске сигнализације, мењајући ту мешавину у зависности од стања мозга – колико је мозак будан, на пример. Ово, заузврат, може одредити да ли се неурони активирају као одговор на сигнал који долази преко синапсе.
Напредак у микроскопији показао је колико су астроцити блиско повезани са неуронима. Осим свог језгра у облику звезде, астроцити имају замршену архитектуру са много грана које се протежу у мале, деликатне структуре, зване летке, широке само десетине нанометара. У овој резолуцији, астроцити, који чине једну четвртину свих можданих ћелија, мање личе на звезде, а више на жбунасте сфере, и испуњавају сав расположиви простор између неурона без преклапања једни са другима.2. У људском мозгу, сваки астроцит може контактирати до два милиона синапси. Штавише, постоје различите врсте астроцита у различитим областима мозга3.
Први атлас развоја мозга показује како се матичне ћелије претварају у неуроне
Овај огроман домет астроцита има дубоке последице у мозгу, каже неуронаучник Баљит Кхакх са Калифорнијског универзитета у Лос Анђелесу. „Форма прати функцију у биологији.“ Његова лабораторија је развила многе молекуларне и генетске алате који омогућавају да се одређени путеви сигнализације калцијума у астроцитима укључе или искључују, омогућавајући научницима да виде шта сваки пут ради.
Неурони би могли да преносе сигнале који покрећу функцију мозга, али сада је јасно да астроцити фино подешавају те сигнале мењајући окружење око синапси, каже неуронаучник Хонгкуи Зенг, директор Аллен института за науку о мозгу у Сијетлу, Вашингтон. „Зато је важно научити о свим можданим ћелијама, а не само о неуронима.“
Сатови, учење и памћење
Као само један пример, астроцити су решили отворено питање у области циркадијалне биологије. Како главни телесни сат, скуп ћелија у мозгу који се зове супрахијазматско језгро (СЦН) који регулише биолошке циклусе у отприлике 24-часовном ритму, одржава своју кружну петљу? „То је била мистерија“, каже циркадијански биолог Мајкл Хејстингс из Лабораторије за молекуларну биологију у Кембриџу, Велика Британија.
Систем главног сата се састоји скоро искључиво од неурона који ослобађају инхибиторни неуротрансмитер ГАБА, и нико није могао да види како систем који очигледно не ради ништа осим потискивања неуронске активности може да створи дневни циклус. Биолошким сатовима је потребан механизам повратне спреге како би могли аутономно да генеришу ритмичке циклусе, без потребе за спољним сигналом сваки дан да би их поново покренули.
Пре десет година, Марко Бранкачо, постдокторски истраживач који ради са Хејстингсом, прочитао је о детектору глутамата — флуоресцентној сонди која се зове „њушкало лепка“ или иГлуСнФР. Бранкачо је предложио коришћење детектора да се нањуши било који глутамат који би могао бити присутан у кришкама мозга миша које је тим проучавао.
„Рекао сам Марку да би то било губљење времена, јер га неће бити“, присећа се Хејстингс. „Срећом, игнорисао ме је.“
Бранкачо, који је сада на Империјал колеџу у Лондону, пронашао је доста глутамата – и на опште запрепашћење, открио је да су његови нивои једнако ритмични као и ГАБА. Али док су нивои ГАБА били највиши током дана, нивои глутамата су достигли врхунац ноћу4.
„Чешали смо се по глави. Одакле би тај глутамат могао доћи?“ каже Хејстингс. Није им требало дуго да кроз претрагу литературе открију да су извор сигурно астроцити, тип ћелије о којем раније нису много размишљали.
Ово је поставило истраживаче на серију све софистициранијих експеримената. На крају су закључили да астроцити подржавају СЦН сат тако што дању укључују своје системе за унос ГАБА и искључују их ноћу4,5.
Различити типови астроцита, са својим хиљадама грана и летака, пакују се заједно да би испунили мозак.Кредит: Б. Кхакх Лаборатори
Посебно су интригантне студије које откривају како астроцити подржавају многе суптилности учења и памћења. У једном од својих првих кључних експеримената са новим алатима, Гошен и њен тим били су задивљени када су открили како астроцити у мозгу мишева кодирају информације о просторној локацији награда. Када је миш већ научио где да пронађе награду за воду, активност калцијума у његовим астроцитима се постепено повећавала како се приближавао награди, открили су научници. Али истраживачи нису измерили повећање када је миш кренуо ка истој награди у новом окружењу6. Ово откриће поставља занимљива питања о томе како су астроцити укључени у кодирање просторне меморије.
Раније ове године, групе у Јапану и Сједињеним Државама известиле су да астроцити помажу у стабилизацији и призивању сећања изазваних страхом7,8. Будући да су сигнали астроцита много спорији од електричних сигнала неурона – који се понекад развијају сатима или чак данима, а не милисекундама – они су веома погодни за премошћивање временског јаза између учења и памћења, каже неуронаучник Јун Нагаи из РИКЕН Центра за науку о мозгу у Вакоу, Јапан, који је водио једну од студија. „Замислите их као мождану камеру дуге експозиције: они снимају траг значајних догађаја који би иначе пребрзо избледели.
Пошто неурони и астроцити раде заједно на процесуирању информација, истраживачи су почели да се питају да ли астроцити покрећу или погоршавају болести за које се генерално сматра да су неуронске.
