W książce “Załamanie chaosu” matematyk Ian Stewart stwierdził, że gdyby nasze umysły były wystarczająco proste, abyśmy mogli je zrozumieć, my bylibyśmy na to zbyt głupi. Nawet jeżeli brytyjski naukowiec miał rację, badania jego rodaków z Laboratorium Biologii Molekularnej MRC w Cambridge przybliżyły nas o krok do poznania znaczenia poszczególnych synaps nerwowych. Grupa pod kierownictwem doktora Williama Schafera dokonała właśnie kontrolowanej modyfikacji połączeń nerwowych nicienia Caenorhabditis elegans.

Układ nerwowy zarówno u ludzi, jak i nicieni, stanowią neurony tworzące sieć połączeń, czyli synaps, które w zależności od sposobu przekazywania sygnału można podzielić na elektryczne i chemiczne. Podczas gdy w skład synapsy chemicznej wchodzą setki białkowych komponentów, elektryczne złącza nerwowe są stosunkowo proste – to kanały znajdujące się na styku dwóch komórek nerwowych, zbudowane z jednego rodzaju białka. Sieć neuronów ma wysoce zdefiniowaną strukturę, a to, które neurony połączone są synapsami decyduje o prawidłowym przekazie sygnału w obrębie organizmu.

Grupa doktora Schafera opracowała technikę, która pozwala na wprowadzenie zmian w tym uporządkowanym układzie. Ze względu na ich mniej skomplikowaną budowę, naukowcy wzięli na cel złącza elektryczne. Doprowadzili oni do wytworzenia synapsy pomiędzy dwoma neuronami biorącymi udział w reakcji na podwyższone stężenie soli w środowisku, które nie są ze sobą naturalnie połączone. W normalnej sytuacji, wzrost stężenia soli wzmaga aktywność elektryczną jednego z neuronów i obniża drugiego. Jednak sztuczne wprowadzenie złącza nerwowego doprowadziło do zsynchronizowania odpowiedzi komórek nerwowych, w konsekwencji obniżając wrażliwość nicienia na zmiany zasolenia. Nowe połączenie nerwowe powstało w wyniku nastrzyknięcia gonad Caenorhabditis elegans fragmentami DNA kodującymi białko odpowiedzialne za formację synaps. Naukowcy wykorzystali fakt, że kanały tworzące synapsy elektryczne są u nicieni zbudowane z białka innego niż u kręgowców, a podjednostki złożone z różnych białek nie mogą ze sobą oddziaływać. Transgeny wprowadzone do organizmu nicienia kodowały mysią wersję koneksyny 36 pod kontrolą promotorów genowych specyficznych dla targetowanych neuronów, co zapewniło pełną specyficzność powstałego kontaktu. Oprócz tworzenia zupełnie nowych połączeń, ten sam system może być wykorzystywany do zastępowania jednych synaps innymi. Tym samym badaczom udało się wprowadzić złącze elektryczne pomiędzy dwie komórki normalnie połączone synapsą chemiczną. Ta para neuronów odpowiada z kolei za chemotaksję u nicienia, czyli przemieszczanie się w odpowiedzi na gradient stężenia związków chemicznych. Modyfikacja kontaktu doprowadziła do zmiany charakteru przekazywanego sygnału i zniesienia reakcji zwierzęcia na obecność benzaldehydu.

Metoda opublikowana przez grupę z Cambidge w czasopiśmie Nature Communications oferuje szansę na wyjaśnienie wielu zagadek związanych z działaniem układu nerwowego, jak na przykład które konkretne połączenia odpowiadają za poszczególne funkcje organizmu. Może ona także umożliwić tworzenie nowych odruchów poprzez kontrolowane włączanie do sieci neuronów “syntetycznych obwodów”. Zaprezentowane modyfikacje przypominają łączenie i rozłączanie pojedynczych kabli w obwodzie elektrycznym w celu zmiany przepływu ładunku. Jak twierdzą autorzy badań, opracowanie precyzyjnej mapy połączeń nerwowych i poznanie ich dokładnego znaczenia to pierwszy krok ku nowym terapiom. Poprzez przekierowywanie sygnału pomiędzy komórkami mózgu moglibyśmy pomóc między innymi ludziom, których neurony uległy zniszczeniu w wyniku urazów.

Do tej pory badania grupy Williama Schafera skupione były wyłącznie na C. elegans, który posiada zaledwie kilkaset neuronów i nie ma zcentralizowanego organu, takiego jak mózg u ssaków. Jednak przynajmniej w teorii, podobne metody mogłyby być zastosowane u bardziej skomplikowanych organizmów. Przy obecnym stanie naszej wiedzy, nadal możemy się wiele nauczyć obserwując najprostsze modelowe układy nerwowe. Oczywiście trwają również intensywne badania nad działaniem ludzkiego mózgu. W 2009 roku amerykański instytut NIH zainicjował Human Connectome Project, przedsięwziecie mające na celu stworzenie mapy anatomicznych i funkcjonalnych połączeń w obrębie zdrowego ludzkiego mózgu. Taki szczegółowy zestaw danych będzie stanowił bazę wyjściową niezbedną do wyjaśnienia przyczyn zaburzeń takich jak autyzm, choroba Alzheimera czy schizofrenia. W projekt zaangażowane są dwa konsorcja. Pierwsze, pod wodzą Washington University w Saint Louis oraz University of Minnesota, skupia się na wykorzystaniu zaawansowanych technik obrazowania do zmapowania konektomów, czyli sieci połączeń nerwowych pomiędzy poszczególnymi obszarami mózgu u 1200 dorosłych osób, w tym bliźniąt oraz ich braci i sióstr z 300 rodzin. Badania są skorelowane z testami behawioralnymi. W czerwcu 2014 opublikowano zestaw danych dla 500 przebadanych dotąd osób. Drugie z konsorcjów jest prowadzone przez Harvard University, Massachusetts General Hospital oraz University of California Los Angeles. Ich badania również bazują na technice obrazowania MRI i mają na celu poprawę rozdzielczości, jakości i szybkości obecnie dostępnych technologii. Oba konsorcja pozostają we współpracy, dzieląc między sobą uzyskane wyniki.

Nie ma wątpliwości, że ludzki umysł pozostaje najbardziej fascynującym i tajemniczym organem. Jest on również bardzo skomplikowanym układem, dlatego możliwe jest, iż nigdy nie wyjaśnimy dokładnych zależności pomiędzy jego budową anatomiczną i funkcjami, a przynajmniej nie z dokładnością do pojedynczej synapsy. Ponieważ jednak komórki nerwowe często działają w zespołach, może się okazać, że nawet mniej szczegółowa wiedza pozwoli nam wyjaśnić niektóre z tajemnic umysłu i da nadzieję na nowe sposoby leczenia urazów mózgu.