Drží nohu na plynu, ale zároveň brzdí. Zhruba tak se prý mají chovat buňky mozku při vzájemném předávání informací. Vypadá to trošku neefektivně? Fyziologové už sedm desetiletí předpokládají, že během toku dat mozkem dochází k poměrně velkým ztrátám energie. Efektivita transportu informací se má pohybovat jen někde mezi 25 až 30 procenty, což odpovídá účinnosti motoru v autě.
Tenhle údaj ale nedal spát neurologovi Henriku Allemu z Institutu Maxe Plancka pro výzkum mozku v německém Frankfurtu. „Nemohl jsem uvěřit, že by příroda takovým způsobem plýtvala energií,“ vysvětluje Alle, proč se začal problémem podrobně zabývat. S blízkým spolupracovníkem Jörgem Geigerem a s Arndem Rothem z University College v Londýně začal efektivitu přenosu informací testovat.
Britsko-německý tým nakonec dospěl k mnohem povzbudivějšímu závěru. Jeho práce, kterou minulý týden zveřejnil vědecký časopis Science, ukázala, že efektivita přenosu dat u savců ve skutečnosti dosahuje 70 až 80 procent.
Chvost v roli vysílače V lidském mozku najdeme skoro sto miliard neuronů, které většinou vypadají trochu jako komety. Z jejich těla totiž vychází mnoho dendritů - kratších nitkovitých výběžků, které se dále větví. Ty slouží jako přijímače. Roli chvostu komety pak plní axon - delší výběžek, jenž slouží jako vysílač.
Vlastní výměna informací probíhá většinou prostřednictvím synapsí - specializovaných míst, kde se k sobě výběžky jednotlivých neuronů přiblíží. Aby se data dostala na místo určení, vznikají rozsáhlé komunikační sítě. O jejich spletitosti svědčí, že v lidském mozku najdeme sto bilionů nebo i více synapsí.
Mnohonásobně více než neuronů máme v mozku gliových buněk. Také se zapojují do komunikace a plní řadu dalších důležitých funkcí. Podporují činnost neuronů, vytvářejí pro ni vhodné prostředí. Opravují tkáně v mozku a podílejí se i na metabolismu neurotransmiterů, chemických látek zajišťujících přenos dat.
Ajak si tedy nervové buňky povídají? Různé iontové poměry uvnitř a vně buňky umožňují vznik akčního potenciálu, tedy elektrického vzruchu. Ten pak putuje axonem až k jeho zakončení. „Tam zajistí, aby se neurotransmiter uskladněný ve speciálních váčcích začal vylévat do synaptické štěrbiny,“ vysvětluje profesor Pavel Mareš z Fyziologického ústavu Akademie věd ČR.
Receptory druhého neuronu transmiter „přitáhnou“ a ovlivní iontové kanály, jakési trubičky ohraničené bílkovinnými molekulami. Tím změní iontové poměrů a opět vzniká elektrický děj, jeho prostřednictvím putuje informace tělem druhého neuronu dál - v závislosti na tom, kam až se má dostat.
Jako sklenice přisátá na puse Před sedmdesáti lety změřili fyziologové Alan Hodgkin a Andrew Huxley, co se děje s akčním potenciálem uvnitř nervové buňky. Spočítali, že přenos informací v těle živočichů „spolyká“ tři- až čtyřikrát více energie, než by bylo potřeba za situace, kdy by nedocházelo k žádným ztrátám. (Podrobněji viz text Cesta ... )A tento údaj o malé efektivitě transportu dat badatelé po desetiletí od Hodgkina a Huxleyho přebírali. Domnívali se, že stejná hodnota platí pro všechny živočišné druhy. Až nyní ověřil dávné poznatky tým vedený Henrikem Allem.
Vědci si vybrali neurony hipokampu (odpovídá za ukládání informací do paměti) potkanů. Pro svá měření využili metodou terčíkového zámku, která byla pro Hodgkina a Huxleyho nedostupná. Funguje podobně, jako když člověk „vcucne“ vzduch z prázdné sklenice, a ta mu zůstane přisátá na ústech. Mikropipetou s roztokem vodivých solí se vědec pod mikroskopem přiblíží k membráně buňky. Vsátý kousek membrány pak vytvoří terčík o rozměru několika čtverečních mikrometrů, na němž lze měřit proudové změny vyvolané otevíráním a zavíráním iontových kanálů.
Henrik Alle s kolegy zjistil, že akční potenciál cestuje skrz výběžky neuronů u savců dva- až třikrát efektivněji, než předpokládali Hodgkin a Huxley. Jak vysvětlit tak velký rozdíl? Kladné a záporné ionty, které stojí u zrodu elektrického vzruchu, spolu podle původní představy měly „bojovat“.
„Ve škole jsem se učil, že v momentu, kdy se otevírají sodíkové kanály, začíná také rozevírání těch draslíkových,“ vzpomíná Pavel Mareš. A o tom, že oba typy kanálů zůstávají po určitou dobu otevřené souběžně, byli vědci přesvědčeni až do nynějška. „Je to, jako byste zároveň šlapali na plyn i na brzdu,“ poznamenává Michael Häusser, neurolog z University College v Londýně na webových stránkách časopisu Science.
Otevírání kanálů však ve skutečnosti neprobíhá současně. Z nového výzkumu vyplynulo, že buňky mozku „nejprve jedou na plný plyn, a až potom brzdí“, což je efektivnější. „Když chtěla matka příroda u bezobratlých zrychlit vedení akčního potenciálu, tak se neurony zvětšovaly a měly silnější výběžky,“ vysvětluje profesor Mareš. U obratlovců se však podle něj vývoj vydal trošku jiným směrem: namísto zesilování vlákna došlo k jeho obalení izolačním materiálem. Díky tomu se podařilo vyvinout úspornější model.
Hledání žroutů paliva Nové poznatky změní podle spoluautora studie Jörga Geigera pohled na hospodaření mozku s energetickými zdroji. U člověka představuje tento orgán dvě procenta tělesné hmotnosti. Spolyká však dvacet procent veškeré energie. Nyní budou mít ovšem vědci k dispozici přesnější informace o tom, jaké procesy patří k největším „žroutům paliva“.
„Moderní zobrazovací metody, jako funkční magnetické rezonance a pozitronová emisní tomografie, které se využívají při diagnostice onemocnění mozku, ukazují místa s vyšší metabolickou aktivitou,“ vysvětluje Pavel Mareš. Zatím se předpokládalo, že se na ní vlákna a synapse podílejí zhruba v poměru 1:1. „Jak ale vyplývá z nových zjištění, vedení akčních potenciálů vláknem spotřebuje zhruba 20 procent energie a přenos na synapsích 80 procent,“ upozorňuje profesor Mareš. Zobrazovací metody tedy podle českého neurologa neinformují ani tak o tom, kudy informace procházejí, jako spíše kde se co předává. „A to je výborné,“ oceňuje nový a velmi překvapivý objev Pavel Mareš.
***
I mozek vsadil na zelenou Ač to vypadá překvapivě, s trochou nadsázky můžeme říct, že se také nervové buňky chovají ekologicky. Šetří totiž energií. Při vzájemné komunikaci jí spotřebují mnohem méně, než si badatelé dosud mysleli. Nyní to zjistil britsko-německý vědecký tým vedený Henrikem Allem.
Už v roce 1939 fyziologové Alan Hodgkin a Andrew Huxley změřili, co se děje s akčním potenciálem uvnitř nervové buňky. Při svých experimentech využívali bezobratlé hlavonožce, protože mají í relativně velké neurony. Za svá zjištění í získali v roce 1963 Nobelovu cenu. .
Jak si mozkové buňky povídají Z neuronu vychází řada krátkých výběžků, dendritů, které slouží jako přijímače, a jeden delší výčnělek zvaný axon plnící funkci vysílače.
1 Při přenosu informací v mozku vyšle jeden z neuronů elektrický signál, takzvaný akční potenciál, svým nitkovitým výběžkem - axonem - k druhému neuronu.
2 Místem výměny informací je synapse, přesněji řečeno synaptická štěrbina. Vzniká tak, že se k sobě přiblíží zakončení dvou neuronů, které si budou „povídat“. Jejich komunikaci „moderuje“ gliová čili podpůrná buňka.
3 První z neuronů uvolní neurotransmiter, chemickou látku zajišťující přenos informací. Ta pak putuje synaptickou štěrbinou k druhému neuronu.
4 Iontové kanálky neurotransmiter „vcucnou“ a informace se dostane na místo určení.
