Když se kybernetici pokoušeli vytvořit model lidského mozku, přišli s nápadem takzvaných neuronových sítí - soustavy jednoduchých prvků (vypínačů), z nichž každý má jeden jediný výstup k dalšímu prvku. Napodobují tak pevně zapojené mozkové neurony. Tyto sítě dokážou skvěle vyřešit některé problémy, ale na jiných - které jejich vzor, náš mozek, zvládá - ztroskotávají. I proto, že jak zjistili neurologové, neuronové sítě napodobují jenom jeden ze způsobů domluvy mezi mozkovými buňkami: něco jako komunikaci „po drátě“. Ta se uskutečňuje pomocí vláken ukončených specializovanými kontakty, tzv. synapsemi, které spojují jeden neuron s druhým. Signál doručený vláknem tedy působí na jednu danou buňku. Ovšem skutečný mozek má také své bezdrátové vysílače, které dokážou promlouvat k mnoha posluchačům najednou. Rozostřený mikroskop „Jak to bývá, objev nového typu mozkového přenosu souvisel se zavedením nových metod výzkumu,“ říká Eva Syková, ředitelka Ústavu experimentální medicíny (ÚEM) AV ČR. Mikroskopie a zvláště elektronový mikroskop poskytl neurovědcům pohled přímo na jednotlivé buňky i detaily jejich struktury. Ovšem tato vymoženost nepřišla zcela zadarmo.
Elektronová mikroskopie není nic jednoduchého. Vzorek nelze prostě dát na sklíčko pod objektiv. Příprava snímaného materiálu je komplikovaný a náročný proces. „Všechny vzorky jsou například dehydrované,“ říká Eva Syková.
Výsledkem zpracování je tkáň zbavená tekutiny v mezibuněčném prostoru. Buňky pak v mikroskopických preparátech na sebe těsně naléhají. „Kromě toho, že připravená tkáň je tvrdá jako kámen, jednotlivé buňky se také po dehydrataci zvětší a zaberou volné prostory, které je oddělují v živém mozku,“ říká Eva Syková. Prostor mezi buňkami je ve skutečnosti naplněný makromolekulami a látkami, které mohou na buňky přímo působit.
Dnes lze v případě snímků mozkových tkání použít nový komplikovaný proces, který zabraňuje dehydrataci během přípravy, nečekaným změnám a zkreslení snímků. Ale na běžných snímcích mozku v mikroskopu obvykle vidíme artefakt (uměle vzniklé zkreslení), který byl dříve považován za věrný obraz skutečnosti.
Že by se mohlo jednat o artefakt, navrhla přibližně před 20 lety skupina amerického neurologa Van Harrevelda. „Ten prokázal, že mezi buňkami jsou široké kanály. Van Harreveld hovořil už tehdy o asi 16 procentech objemu mozkové tkáně. Ale přímo o mimosynaptickém přenosu nepsal,“ vysvětluje Eva Syková. Ovšem teorie vyvolaly vlnu zájmu.
Vědci se pokoušeli najít způsob, jak nahradit zjištěné nedostatky v zobrazení mozku. Teprve Charlesi Nicholsonovi z univerzity v New Yorku se podařilo vymyslet metodu, jak změřit skutečnou velikost mimobuněčného prostoru v živé tkáni, a to u pokusných zvířat i lidí.
„Metodu začalo využívat naše pracoviště, které od 70. let vynikalo měřením pomocí miniaturních iontově-selektivních mikroelektrod,“ říká Eva Syková. Čeští vědci dokázali měřit velikost mimobuněčného prostoru a zákonitosti pohybu neuroaktivních látek a léčiv v mozkové tkáni během celé řady mozkových onemocnění.
Pomocí již zmíněných mikroelektrod, ale i magnetické rezonance ukázali, jak látky zprostředkovávají signální přenos mezi mozkovými buňkami bez synapsí. Mohli tak měřit, jak a v jakém směru je difuze rychlá a v kterých částech mozku je během onemocnění tento způsob komunikace poškozen. První výsledky poskytly základ dlouhodobému výzkumu, jehož výstupem je za posledních 20 let řada špičkových prací v oboru.
Rychlé kabely, pomalé ostřikovače Při komunikaci pomocí synapsí využívají neurony celé škály chemických signálních látek, které „přeskočí“ malou mezeru mezi oběma buňkami. V případě extrasynpatického přenosu se používají stejné látky. Ovšem neuvolňují se cíleně v jenom místě spoje. Buňka ostřikuje své okolí účinnými látkami a ty pak putují ke všem receptorům, které jsou přímo na těle jejích sousedů.
Rozdíl v podstatě obou typů „domluvy“ je zřejmý: „U synaptického přenosu jde o komunikaci jeden s jedním, v případě komunikace bez synapsí promlouvá jeden k mnoha,“ vysvětluje Eva Syková. Extrasynaptický přenos může tedy najednou „oslovit“ celou řadu buněk.
„Jeho účinek je masivnější, ale také méně specifický - není tak přesný a řízený jako v případě signálu, který například řídí pohyb vaší ruky,“ říká Eva Syková. Proto také extrasynaptický přenos zajišťuje funkce, které vyžadují pomalejší komunikaci, ale zato masivní odezvu mozkových buněk.
Příkladem je třeba pocit hladu, žízně nebo stresu. Významnou roli hraje také při depresi či vytváření paměťových stop a učení. „Dobrým příkladem je i období kojení, kdy v těle matky musí proběhnout celá řada hormonálních změn,“ popisuje Eva Syková.
Další důležitá odlišnost je v rychlosti šíření obou typů signálu. Základním mechanismem šíření mimosynaptických signálů je difuze, tedy šíření látek z prostředí kde se látka uvolňuje, do prostředí s nižší koncentrací - tedy od buňky, která látky uvolňuje, směrem do okolí.
„Celý proces je proto pomalý,“ říká Eva Syková. Difuze není nijak rychlá ani v kapalném prostředí, ale v mozku ji ještě komplikuje jeho složitá struktura. Většinu objemu mozku totiž samozřejmě zabírají právě mozkové buňky a jejich výběžky. Navíc se v mezibuněčné tekutině nachází spousta makromolekul, které také difuzi brání.
Hlas mlčící většiny Zato má ale jinou výhodu. Dokáže oslovit širší publikum. Neurony tvoří jenom část buněk mozku, asi 20 procent . Zbytek jsou „podpůrné“, tzv. gliové buňky. Jejich poměr se v mozku místo od místa liší. Například v šedé kůře mozkové je přibližně o polovinu více „podpůrných“ buněk.
„Gliové buňky vůbec nemají synapse,“ říká Eva Syková, „takže pokud s nimi mají neurony komunikovat, může se to dít jenom bez zprostředkování synapsemi. Ze vzájemného poměru množství obou typů buněk plyne, že dlouho přehlížený mimosynaptický přenos je v mozku dokonce častější než přenos přes synapse.“
Tento druh komunikace také umožňuje „podpůrným“ buňkám, aby mohly výrazně promluvit do chodu mozku. „Mají na svém těle výběžky, kterými dokážou separovat synapse a bránit průchodu signálů, dokážou měnit velikost prostoru mezi mozkovými buňkami tím, že zmenšují a zvětšují svůj objem během neuronální aktivity,“ říká Eva Syková. Výběžky mohou fungovat jako jakési propusti, které v „uzavřené“ poloze stěžují a v „otevřené“ naopak zjednodušují šíření účinných látek mozkem a tím regulují účinnost extrasynaptického přenosu.
Tento mechanismus dál přispívá k pružnosti extrasynaptického přenosu. „Právě kvůli této plasticitě hraje tento druh komunikace významnou roli při vytváření nových spojů. Ty mohou například nahradit ty nějakým způsobem poškozené nebo přispět k rychlému vytváření paměťových stop,“ doplňuje Eva Syková.
Mozek, české rodinné stříbro Od prvního překvapivého objevu neurovědci postupně a s námahou doplňují jednotlivé střípky složitého obrazu. „Objevily se už desítky studií, které popisují například rychlost šíření mimosynaptických signálů, jaké buňky a účinné látky se ho účastní, ve kterých částech mozku a tak podobně.“
Například maďarský tým z univerzity v Segedínu se svou studií popisující uvolňování inhibičního neutransmiteru GABA buňkami v mozkové kůře uspěl v minulém čísle časopisu Nature. Jeho redakce studii ocenila jako „hrdinský výkon“ - slovy jednoho z redaktorů časopisu. Zkoumání pomalého mimosynaptického signálu totiž klade mimořádné nároky na technickou přípravu experimentů.
Čeští vědci ovšem v tomto ohledu nijak nezaostávají. Byli také průkopníky ve využití magnetické rezonance, kterou lze extrasynaptický přenos do jisté míry také sledovat, a to i u pacientů v lékařské praxi. „Díky tomu jsme mohli zkoumat poruchy přenosu přímo v mozku pacientů s různými onemocněními,“ oceňuje Eva Syková.
Nepřesnosti v „bezdrátovém vysílání“ uvnitř mozku totiž doprovází celou řadu onemocnění, jako je Alzheimerova choroba, Parkinsonova choroba, roztroušená skleróza, nádory mozku, mrtvice či poranění mozku nebo míchy.
Odborníci z Ústavu experimentální medicíny AV ČR publikovali v prestižních vědeckých časopisech celou řadu studií provedených pomocí této techniky. Kolektiv autorů vedený Evou Sykovou byl také letos na podzim za soubor prací (především v oblasti extrasynaptického přenosu) oceněn Cenou České lékařské společnosti Jana Evangelisty Purkyně za nejlepší vědeckou práci v lékařském výzkumu v minulém roce.
Jeden na všechny a všichni na jednoho
Jak si všichni dobře pamatujeme z učebnic, rozhovory neuronů probíhají většinou „po drátě“. Z jednoho neuronu se jeho výběžky šíří informace k dalším kolegům. Tento přenos je rychlý a přesný a využíváme ho třeba při řízení pohybu těla. Ovšem naše mozkové buňky nejsou vázány jenom na pevnou síť. Některé využívají také přenosu extrasynaptického (tedy mimosynaptického). Jeho princip není nijak subtilní: buňky při něm „kropí“ své okolí dávkou signálních molekul, tzv. neurotransmiterů. Tento způsob rozhovoru, který připomíná víc než co jiného buněčné hulákání z plných plic (i když sílu křiku lze regulovat podle množství uvolněných neurotransmiterů), přichází ke slovu například při tvorbě pocitu hladu.
