Průlom v oblasti komunikace nervových buněk

Vědci našli silné důkazy o tomto novém způsobu komunikace mezi buňkami v savčím mozku. Tyto poznatky mohou být použity například k prevenci a léčbě epilepsie a možná také ve výzkumu dalších aspektů mozkových funkcí od procesu kreativního myšlení až k psychickým chorobám jako je schizofrenie.

Epilepsie – množství nesrovnalostí a zmatků charakterizovaná opakujícím se výskytem spontánních záchvatů – postihuje přibližně půl procenta americké populace a ještě vyšší procento populace rozvojových zemí. Přibližně u třetiny pacientů nemohou být záchvaty patřičně zmírňovány dostupnými léčivy. Problémy mohou nastat ve schopnosti pacientů adaptovat se na běžný život ve společnosti. Epileptické záchvaty se obvykle považují za výsledek nerovnováhy ve schopnosti nervových buněk se navzájem excitovat na straně jedné a vzájemně se inhibovat na straně druhé.

Excitace či inhibice je způsobena v důsledku aktivity nervových buněk vedoucí k uvolnění specifických chemických látek (neurotransmitterů) do specializovaných spojení (synapsí). Neurotransmittery difundují přes malý prostor mezi membránami nervových buněk (synaptickou štěrbinu) a váží se na proteinové receptory na následující nervové buňce, což postupně způsobuje buď excitaci, nebo inhibici dané nervové buňky.

                 Synapse, místo, kde dochází k přenosu signálů pomocí přenašečů.
                 Zdroj: http://www.chemsoc.org/

Toto je klasický způsob komunikace mezi nervovými buňkami, který je základem poznatků o tom, jak mozek nakládá s informacemi a jak řídí naše tělo. Předpokládá se, že pokud dochází k příliš časté a silné synaptické excitaci nebo naopak nedostatečné inhibici, objevují se výše zmíněné příznaky epilepsie.

Ale existuje ještě jiný způsob komunikace mezi nervovými buňkami, totiž přes takzvaná „děravá buněčná spojení“ (gap junctions). Ty umožňují přímý přenos elektrického impulzu z jedné buňky na druhou, aniž by k tomu potřebovaly účast molekul chemických přenašečů. Na popsaný způsob komunikace může být nahlíženo jako na zkraty spojující nebo přerušující „dráhy“, po nichž buňky mezi sebou normálně komunikují.

Děravá buněčná spojení“ (gap junctions) můžeme najít v různých částech těla, jako je například srdeční svalovina. Gap junctions mezi nervovými buňkami byly hodně studovány na vyšších obratlovcích (např. rybách), ale také na bezobratlých (např. pijavicích a krabech). Navíc byly gap junctions studovány na nervových buňkách „starajících se“ o inhibici, tj. na buňkách, které se primárně nepodílí na epileptických záchvatech. Gap junctions mezi buňkami zajišťujícími excitaci nebyly tradičním cílem studií neurologů.  

Schematické znázornění gap junction, tedy „děravého buněčného spojení“, u somatických buněk. Zdroj: www.wikipedia.org

Potvrzení, že gap junctions jsou nezbytně důležité pro navození epileptického záchvatu, pochází ze sledování mozkových vln zaznamenávaných těsně před jeho propuknutím. Tyto vlny se opakují s velmi vysokou frekvencí, 100 krát za sekundu, dokonce i více.

Různá pozorování a pokusy, prováděné za posledních 10 let v Evropě, vedly Rogera Trauba k vyřčení nové hypotézy: že vzrušivé nervové buňky, tedy buňky podílející se hlavní měrou na vyvolání epileptického záchvatu, jsou navzájem spojeny pomocí gap junctions, na rozdíl od inhibičních buněk, které gap junctions nepropojují. Navíc byly gap junctions objeveny na zcela nečekaném místě, na axonech nervových buněk. Takováto hypotéza byla přirozeně velice kontroverzní.

Vědci chtěli vidět důkazy o existenci gap junctions, ale ty jsou nesmírně malé a pro jejich pozorování je zapotřebí použít elektronový mikroskop, přístroj, který umí odhalit jemnější detaily, než je vlnová délka viditelného světla – detaily v řádech desetin Angstrémů (Angstrém je přibližně roven průměru atomu vodíku). 

Použitím elektronového mikroskopu ve zkoumání titěrných struktur v nervových buňkách se zabýval zejména Dr. Patrick Hof z Mount Sinai School of Medicine, další ze spoluautorů studie.

Ve studování gap junctions je metoda elektronové mikroskopie často skloubena s metodami chemickými (případně imunologickými) umožňujícími přesně určit přítomnost konkrétního proteinu v „děravých buněčných spojeních“. Tyto postupy byly prozkoumány Dr. Johnem Rashem z Colorado State University a použity Dr. Naomim Kamasawou, spoluautory článku v PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences), který podává za použití zmíněných metod první spolehlivý důkaz existence gap junctions na axonech vzrušivých nervových buněk v savčím mozku. Gap junctions na axonech jsou považovány za původce zkratů ve vedení nervových signálů, tedy za původce tzv. nelineárního přenosu elektrického impulzu („cross-talk“). Nová data proto vyvolávají zajímavou otázku, jestli je „cross-talk“ součástí normální funkce mozku.

A jaký má výše popsané vliv na epilepsii? Prvně větší potřebu o pochopení rozmístění gap junctions: konkrétně na kterých nervových buňkách se vyskytují, kde přesně se na nich nacházejí, jak a čím jsou ovlivňovány (mohou být aktivovány, či dezaktivovány chemickými signály?).  Dále pak musí být zjištěno, jak gap junctions přispívají k šíření mozkových impulzů o vysoké frekvenci, které mohou být předzvěstí epileptického záchvatu, nakonec pak musí být objasněno, jestli zmírnění nebo eliminování takovýchto intenzivních impulzů může vzniku záchvatu i zamezit.

Jako asi každý objev v přírodních vědách vyvolává i tento potřebu provést ještě mnoho experimentů a objasnit nespočet „tajemství“, které lidské tělo ukrývá. Jasné ale je, že se otevírá nová cesta k poznání psychických chorob, jejich prevenci a léčbě.