3.2 Komórki układu nerwowego

Struktura neuronów

Neurony to główny element układu nerwowego. W chwili narodzin mamy ich około 100 miliardów. Podobnie jak inne komórki, neurony także składają się z wielu różnych części, a każda ma swoje zadania (Ilustracja 3.8). Zewnętrzna powierzchnia komórki nerwowej to błona półprzepuszczalna (ang. semipermeable membrane). Pozwala ona przechodzić do wnętrza małym i pozbawionym ładunku elektrycznego cząsteczkom, ale zatrzymuje większe lub silnie naładowane elektrycznie molekuły i jony.

Ilustracja 3.8 Na rysunku pokazany jest wzorcowy neuron, który ulega mielinizacji.

Jądro komórki nerwowej znajduje się w ciele komórki (łac. soma), perikarionie, czyli neurocycie. Każdy perikarion ma wypustki zwane dendrytami (ang. dendrite). Neuron to pojedyncza jednostka przetwarzania informacji, dendryty zaś służą jako wejścia, przez które docierają sygnały z innych neuronów. Sygnały te w postaci impulsów elektrycznych przechodzą przez perikarion i biegną dalej głównym „wyjściem” komórki, czyli aksonem (ang. axon, zwany również neurytem lub wypustką osiową), który kończy się licznymi kolbkami synaptycznymi (ang. terminal buttons). Każda z nich zawiera pęcherzyki synaptyczne (ang. synaptic vesicles), w których znajdują się neuroprzekaźniki (ang. neurotransmitters), związki chemiczne przekazujące informacje w układzie nerwowym.

Długość aksonów waha się od kilku milimetrów do ponad metra. Niektóre z nich pokryte są tłuszczową substancją, zwaną osłonką mielinową (inaczej: mieliną lub otoczką mielinową) (ang. myelin sheath), którą tworzą komórki glejowe. Mielina pokrywa akson i działa jak izolator, zwiększając szybkość, z jaką przepływa impuls elektryczny. Osłonka mielinowa nie jest jednolita. Ma małe, poprzeczne do osi aksonu, przerwy występujące na całej jego długości, zwane przewężeniami Ranviera. Impuls elektryczny przemieszcza się wzdłuż takiego aksonu skokowo – od jednego przewężenia do następnego, dzięki czemu porusza się znacznie szybciej niż w aksonie bez osłonki mielinowej (nawet 100 razy). Osłonka mielinowa ma kluczowe znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania neuronów w układzie nerwowym: jej utrata może zaburzać ich prawidłowe działanie.

By to zrozumieć, posłużmy się przykładem. Fenyloketonuria, omawiana poprzednio choroba o podłożu genetycznym, powoduje ubytek mieliny i zaburzenia w istocie białej struktur korowych i podkorowych. Choroba ta objawia się różnymi symptomami, takimi jak upośledzenie funkcji poznawczych, występowanie ruchów mimowolnych i napady padaczkowe (Anderson i Leuzzi 2010, Huttenlocher, 2000). Z kolei w stwardnieniu rozsianym (SM), chorobie autoimmunologicznej, dochodzi do masowej utraty osłonek mielinowych okrywających aksony w całym układzie nerwowym. Prowadzi to do zaburzeń szybkości transmisji informacji między neuronami, co w rezultacie daje szereg takich objawów, jak zawroty głowy, zaburzenia równowagi, utrata kontroli ruchowej i zaburzenia w sferze seksualnej. Choć niektóre terapie mogą nieco zmienić przebieg choroby i łagodzić pewne objawy, do tej pory nie ma sposobu jej wyleczenia.

U osób zdrowych sygnał z neuronu szybko przemieszcza się wzdłuż aksonu do zakończeń synaptycznych, gdzie z pęcherzyków synaptycznych uwalniane są neuroprzekaźniki do szczeliny synaptycznej pokazane na Ilustracji 3.9. Szczelina synaptyczna (ang. synaptic cleft) to maleńka szczelina między dwoma neuronami, a zarazem miejsce, w którym zachodzi komunikacja międzyneuronalna. Gdy neuroprzekaźniki zostają uwolnione z kolbki synaptycznej (przez tzw. błonę presynaptyczną) do szczeliny, przechodzą przez nią i wiążą się z odpowiednimi receptorami znajdującymi się na błonie postsynaptycznej dendrytu kolejnego neuronu. Receptory (ang. receptor), białka na powierzchni komórki, z którymi wiążą się neuroprzekaźniki, różnią się kształtem, a różne kształty odpowiadają różnym neuroprzekaźnikom.

Skąd neuroprzekaźnik wie, z którym receptorem się związać? Oba mają coś, co można nazwać mechanizmem klucza i zamka. Każdy neuroprzekaźnik pasuje do określonego receptora niczym klucz do zamka. Oznacza to, że zwiąże się z każdym receptorem, do którego będzie pasować.

Ilustracja 3.9 (a) Szczelina synaptyczna znajduje się między zakończeniem jednego neuronu a dendrytem drugiego neuronu. (b) Obraz ze skaningowego mikroskopu elektronowego pokazuje sztucznie wybarwione zakończenie aksonu (zielony) i pęcherzyki synaptyczne (pomarańczowy i niebieski). Każdy z pęcherzyków zawiera około 10 tys. cząsteczek neuroprzekaźnika. (Źródło (b): modyfikacja pracy Tiny Carvalho, NIH-NIGMS; dane skali za: Matt Russel).

Komunikacja między neuronami

Skoro już wiemy, jak wygląda budowa neuronu, jakie są jego składowe i jaką rolę odgrywają one w komunikacji między neuronami, przyjrzyjmy się bliżej samemu sygnałowi; temu, jak biegnie w neuronie, a potem przeskakuje do następnego i kolejnych neuronów.

Zacznijmy od błony. Neuron znajduje się w środowisku płynnym – jest otoczony płynem zewnątrzkomórkowym, a sam zawiera płyn wewnątrzkomórkowy (cytoplazmę). Błona neuronu oddziela od siebie te dwie przestrzenie płynowe – to ważne zadanie, bo impuls elektryczny biegnący w neuronie jest zależny od różnicy potencjałów elektrycznych płynu wewnątrz- i zewnątrzkomórkowego. Energię dla impulsu zapewnia właśnie różnica ładunków po obu stronach błony, nazywana potencjałem błonowym (ang. membrane potential).

Ładunek elektryczny płynów wynika z obecności rozpuszczonych w nich naładowanych cząstek (jonów). Półprzepuszczalność błony komórek nerwowych w pewnej mierze hamuje ruch tych naładowanych cząstek; w rezultacie niektóre z nich gromadzą się na zewnątrz, a inne wewnątrz neuronów.

Pomiędzy impulsami potencjał błonowy utrzymuje komórkę w stanie gotowości – to tzw. potencjał spoczynkowy (ang. resting potential). Jony leżą po obu stronach błony komórkowej trochę jak naciągnięte gumki, które czekają na to, by z nich strzelić. Gnają na drugą stronę błony, gdy tylko neuron się uaktywnia i błona otwiera swoje kanały (takie jak napięciowo-zależne kanały jonowe), które pozwalają na ruch jonów przez błonę. Jony przepływają z miejsc o większym gradiencie stężeń w tzw. transporcie biernym, ale mogą też przechodzić przez błonę komórkową wbrew gradientowi stężeń; taką sytuację nazywamy transportem aktywnym.

Gdy neuron jest w spoczynku, stężenie jonów sodowych (Na⁺) jest wyższe na zewnątrz komórki, więc „chcą” one dostać się do środka. Z kolei jonów potasu (K⁺) jest więcej we wnętrzu neuronu, więc „chciałyby” one przedostać się na zewnątrz (Ilustracja 3.10). Dodatkowo wnętrze komórki nerwowej ma ładunek ujemny w przeciwieństwie do przestrzeni na zewnątrz. Zapewnia to dodatkową siłę pomagającą jonom sodowym przechodzić do wnętrza komórki.

Ilustracja 3.10 W stanie spoczynku jony Na⁺ (niebieskie pięciokąty) osiągają wyższe stężenie na zewnątrz komórki, w płynie zewnątrzkomórkowym (oznaczonym na niebiesko), podczas gdy jonów K⁺ (fioletowe kwadraty) jest więcej blisko błony komórkowej, ale w cytoplazmie, czyli płynie wewnątrzkomórkowym. Inne cząstki, jak jony chlorkowe (żółte kółka) i ujemnie naładowane białka (brązowe kwadraty), przyczyniają się do tego, że na zewnątrz neuronu wypadkowy ładunek jest dodatni, a w jego cytoplazmie – ujemny.

Gdy neuron otrzyma sygnał z dendrytów – na skutek związania się neuroprzekaźników z sąsiednich neuronów z receptorami na powierzchni błony postsynaptycznej – gwałtownie zmienia swój stan (Ilustracja 3.11). Otwierają się kanały, czyli „bramki” w błonie komórkowej, pozwalając na napływ do wnętrza jonów sodowych. To efekt zarówno różnicy ładunków, jak i stężeń. Napływ dodatnio naładowanych jonów zmienia ładunek wnętrza neuronu na bardziej dodatni. Po przekroczeniu pewnej wartości potencjału, określanej mianem progu pobudzenia (ang. threshold of excitation), neuron uaktywnia się i rozpoczyna się potencjał czynnościowy: otwiera się o wiele więcej kanałów, co wywołuje ogromny napływ jonów sodowych do wnętrza komórki i gwałtowny dodatni wzrost potencjału czynnościowego aż do osiągnięcia szczytu (maksimum). Na szczycie iglicy potencjału kanały sodowe zamykają się, a otwierają potasowe. Przez odpływ dodatnio naładowanych jonów potasowych komórka zaczyna szybką repolaryzację. Na początku potencjał wchodzi w fazę hiperpolaryzacji i staje się nieco bardziej ujemny od spoczynkowego, potem ładunki wyrównują się, a neuron wraca do stanu spoczynkowego. Powrót stężenia jonów Na⁺ i K⁺ do stanu równowagi następuje w wyniku działania tzw. pompy sodowo-potasowej (ang. sodium-potassium pump).

Ilustracja 3.11 Zmiany napięcia błony komórkowej w czasie wystąpienia potencjału czynnościowego.

Dodatni skok to potencjał czynnościowy (ang. action potential): impuls elektryczny, który najczęściej biegnie od ciała komórki wzdłuż aksonu do jego wypustek końcowych. Impuls elektryczny porusza się wzdłuż aksonu niczym fala; w każdym punkcie część jonów sodowych, które wnikają do wypustki, dyfunduje do następnego odcinka aksonu, zwiększając ładunek powyżej potencjału progowego i wywołując napływ kolejnych jonów sodowych. Potencjał czynnościowy przemieszcza się aż do końcowych wypustek synaptycznych aksonu.

Potencjał czynnościowy działa na zasadzie zjawiska „wszystko albo nic” (ang. all-or-none). Najprościej rzecz ujmując, chodzi o to, że nadchodzący z innego neuronu impuls albo jest wystarczająco silny, by przekroczyć próg pobudzenia, albo nie. Nie ma stanów pośrednich, a potencjału czynnościowego nie sposób wygasić, gdy już się wytworzy. Można to porównać do wysłania SMS-a. Możesz zastanawiać się nad jego wysłaniem, jak długo chcesz, ale wiadomość nie zostanie wysłana, dopóki nie wciśniesz przycisku „wyślij”. A kiedy już to zrobisz, nie można jej cofnąć.

Potencjał czynnościowy ze względu na swoje właściwości przez cały czas, na każdym odcinku aksonu jest odtwarzany i przekazywany w 100%. Trochę jak lont podpalony w baterii sztucznych ogni, tak i impuls elektryczny nie słabnie, biegnąc wzdłuż aksonu. Własność „wszystko albo nic” wyjaśnia fakt, że uderzenie w palec u nogi boli tak samo, jak uderzenie w nos.

Jak już wcześniej mówiliśmy, gdy potencjał czynnościowy dociera do zakończeń aksonu, pęcherzyki synaptyczne uwalniają neuroprzekaźniki do szczeliny synaptycznej. Neuroprzekaźniki wędrują przez szczelinę i wiążą się z receptorami na dendrytach sąsiedniego neuronu. Cały proces powtarza się w sąsiednim neuronie (zakładając, że sygnał będzie dostatecznie silny, by wywołać potencjał czynnościowy) i w kolejnych. Gdy impuls zostanie przekazany, nadmiar neuroprzekaźników odpływa ze szczeliny synaptycznej, rozpada się na nieaktywne pochodne lub zostaje zreabsorbowany w procesie określanym mianem wychwytu zwrotnego (ang. reuptake). Wychwyt zwrotny polega na przepompowaniu neuroprzekaźnika z powrotem do neuronu, z którego został uwolniony, co pozwala na oczyszczenie z niego szczeliny synaptycznej (Ilustracja 3.12). Oczyszczenie szczeliny służy zarówno przygotowaniu synapsy na kolejny sygnał, jak i regulacji produkcji samego neuroprzekaźnika (wypełnione pęcherzyki synaptyczne sygnalizują, że nie trzeba wytwarzać dodatkowych porcji neuroprzekaźnika).

Ilustracja 3.12 Wychwyt zwrotny polega na przeniesieniu neuroprzekaźnika ze szczeliny synaptycznej z powrotem do zakończenia synaptycznego aksonu, skąd został wcześniej uwolniony.

Komunikacja między neuronami często jest określana jako zdarzenie elektrochemiczne. Podróż potencjału czynnościowego wzdłuż aksonu to zdarzenie elektryczne, przechodzenie neuroprzekaźnika przez szczelinę synaptyczną zaś stanowi chemiczną składową procesu.

W układzie nerwowym występują również innego typu połączenia między neuronami. W połączeniach typu elektrycznego, bo o nich mowa, dwa neurony kontaktują się ze sobą przez tzw. synapsę elektryczną (ang. electric synapse), w której następuje przepływ prądu z jednego neuronu do drugiego poprzez złącze szczelinowe (ang. gap junction). Synapsy elektryczne są znacznie szybsze, ale jest ich w mózgu o wiele mniej niż opisanych poprzednio synaps jonowych (Connors i Long, 2004).

Neuroprzekaźniki a leki

Istnieje wiele typów neuroprzekaźników uwalnianych przez różne neurony. Ogólnie rzecz biorąc, możemy mówić o podstawowych funkcjach powiązanych z różnymi neuroprzekaźnikami (Tabela 3.1). Gros wiedzy, jaką mają psychologowie na temat funkcji neuroprzekaźników, pochodzi z badań nad działaniem leków w chorobach psychicznych. Psychologowie, którzy przyjmują perspektywę biologiczną (ang. biological perspective) i skupiają się na fizjologicznych przyczynach zachowań, uważają, że zaburzenia psychiczne takie jak depresja czy schizofrenia są związane z nierównowagą w zakresie jednego lub kilku układów neuroprzekaźników. Z tej perspektywy leki psychotropowe mogą łagodzić objawy związane z tymi schorzeniami. Leki psychotropowe (ang. psychotropic medications) stosuje się w leczeniu zaburzeń psychicznych, przywracając równowagę neuroprzekaźników w mózgu.

Leki psychoaktywne mogą być dla danego neuroprzekaźnika agonistami lub antagonistami. Agonista (ang. agonist) to taka cząsteczka chemiczna, która naśladuje działanie neuroprzekaźnika, łącząc się z odpowiednim receptorem, a zatem nasila jego działanie. Antagonista (ang. antagonist) blokuje lub upośledza prawidłową aktywność neuroprzekaźnika, wypierając go z receptorów lub blokując łączenie się z nimi.

Leki działające agonistycznie lub antagonistycznie są stosowane w celu wyrównania zaburzeń równowagi neuroprzekaźników leżących u podstaw choroby danego człowieka. Na przykład choroba Parkinsona, postępujące schorzenie degeneracyjne układu nerwowego, wiąże się z niedoborem dopaminy. Z tego względu często stosowaną strategią terapeutyczną jest podawanie agonistów dopaminy (ponieważ sama dopamina nie przechodzi przez barierę krew–mózg). Agoniści dopaminy, np. L-dopa, czyli lewodopa – umożliwiają wytworzenie dopaminy w mózgu.

Część objawów schizofrenii można łączyć z nadaktywnością układu przekaźnictwa dopaminy. Leki przeciwpsychotyczne stosowane w leczeniu tych objawów są właśnie antagonistami dopaminy – blokują jej działanie, wiążąc się z receptorami, ale ich nie aktywując. Efekt? Dopamina uwolniona przez jedną komórkę nerwową nie może przekazać informacji neuronom sąsiadującym.

W przeciwieństwie do agonistów i antagonistów, które działają dzięki wiązaniu się z receptorami, inhibitory wychwytu zwrotnego nie pozwalają niewykorzystanym neuroprzekaźnikom wrócić do neuronu wyjściowego. Sprawia to, że więcej cząsteczek neuroprzekaźnika pozostaje w szczelinie synaptycznej na dłużej, wzmacniając działanie danego neuroprzekaźnika. I tak depresję, wiązaną od dawna z obniżeniem stężenia serotoniny, często leczy się selektywnymi inhibitorami wychwytu zwrotnego serotoniny (SSRI). Hamując wychwyt zwrotny, SSRI wzmacniają działanie serotoniny, dając jej więcej czasu na interakcję z receptorami na dendrytach. Do najpopularniejszych SSRI na rynku należą: Prozac, Paxil i Zoloft.

Bardzo podobną budowę do serotoniny ma narkotyk LSD (dietyloamid kwasu lizergowego). Wpływa on na te same neurony i te same receptory, co serotonina. Leki psychotropowe nie stanowią szybkiego rozwiązania problemów osób cierpiących na zaburzenia psychiczne. Często trzeba je przyjmować przez wiele tygodni, zanim zaobserwuje się poprawę, a wiele leków psychoaktywnych ma poważne działania niepożądane. Do tego reakcja na te leki jest bardzo indywidualna. By zwiększyć szanse na sukces, chorzy przyjmujący leki jednocześnie uczęszczają na psychoterapię lub terapię behawioralną. Niektóre badania wskazują, że łączenie różnych form terapii jest bardziej efektywne niż każda z nich z osobna (patrz np. March et al., 2007).