Smegenys yra tampomi. Vartiklis

Nauji tyrimai atskleidžia, kaip formuojasi smegenų raukšlės – tai gali padėti diagnozuoti ir gydyti autizmą, šizofreniją ir kitas psichines ligas.

Smegenų žievė yra plona (2-4 mm), raukšlėta, panašių į želė audinių, prikimšta neuronų (kartais vadinamų „pilkąja medžiaga). Ji susijusi su mūsų jutimų, minčių, emocijų ir veiksmų apdorojimu. Raukšlės suteikia galimybę turėti didesnį smegenų paviršių ribotoje erdvėje. Nustatyta, kad mechaninė neuronų įtampa sukuria iškilimus ir įdubimus smegenų žievėje. Ir žievės forma skiriasi pas sveikus ir sergančius žmones. Tie skirtumai leidžia spėti, kad ryšiai tarp kitų smegenų sričių irgi nukrypsta nuo normos [apie smegenų struktūrą žr. >>>>>].

Smegenų raukšlės nėra atsitiktinai susidariusios – taip, kaip kad suglamžytas popieriaus lapas. Tyrimai rodo, kad jos susidaro žmogui vystantis, kai nervai tempia žievę suteikdami jai reikiamą formą – o tada tokia išsilaiko visą gyvenimą. Trikdžiai žmogui vystantis ar vėliau (dėl sutrenkimų ar pažeidimų) gali turėti toli siekiančias pasekmes suformuojant skirtingą smegenų žievės formą.

Mokslininkai jau ištisus amžius suko galvas dėl smegenų formos. 19 a. pradžioje vokiečių mokslininkas Francas Jozefas Galas¹⁾ teigė, kad asmens smegenys ir kaukolė liudija apie žmogaus protą ir asmenybę – tai frenologijos sritis. Ši įtakinga, tačiau moksliškai nepagrįsta teorija skatino kaupti ir tirti „kriminalų", „degeneratų" ir „genijų" smegenis.
Populiari 19-me amžiuje, frenologija bandė spręsti apie asmenybę pagal kaukolės formą. Buvo tikima, kad gumbai ir įdubos kaukolėje priklauso nuo smegenų formos, o kiekviena smegenų sritis atitinka tam tikrą psichinę veiklą.

Vėliau tame pačiame 19 a. šveicarų anatomas Vilhelmas Hisas²⁾ teigė, kad smegenys vystosi kaip fizinių jėgų sukeliamų įvykių seka. O britas D'Arcy Thompson'as⁴⁾, tuo pasiremdamas, parodė, kad daugelio struktūrų, biologinių ir negyvųjų, forma susidaro fizinės saviorganizacijos pasėkoje.

Su laiku tie ankstyvieji spėliojimai nublanko, frenologija imta vadinti pseudo-mokslu, įsigalėjo šiuolaikinės genetikos teorijos. Tačiau dabar vėl tenka atsigręžti į tas ankstyvąsias 19 a. idėjas. 1997 m. „Nature" žurnale neurobiologas David'as van Essen'as išdėstė hipotezę, kad nervų skaidulos, jungiančios skirtingas nervų sritis, sudaro tam tikrą žievės tempimą. Žmonių vaisiaus smegenų užuomazga yra lygi ir tokia būna pirmuosius 6 mėn. Tuo metu susidarę neuronai išleidžia savo šakotas ataugas arba aksonus, kad susijungtų su receptorių komponentėmis (dendritais) kitose smegenų žievės srityse. Aksonai susikabina su dendritais. Smegenų žievei plečiantis, aksonai ištįsta dar labiau išsitempdami tarsi gumytės. Žievė pradeda raukšlėtis ir gimstant kūdikiui ji būna daugiau ar mažiau susiformavusi.

Vėliau tyrimai parodė, kad dauguma neuronų sujungimų yra tiesūs arba nežymiai lenkti. Ir kuo tankesnės tos neuroninės jungtys, tuo neuronai tiesesni. Neuroninių jungčių įtaka ypač pastebima skirtingose smegenų žievės formose tarp kalbos sričių kairiajame ir dešiniajame smegenų pusrutuliuose. Imkim, pvz., šoninį plyšį (Sylviano perskyrimą), garsiąją įdubą, skiriančią priekio ir užpakalinę kalbos sritis. Perskyra kairiojoje smegenų pusėje kiek žemesnė nei dešiniojoje. Atrodo, kad toji asimetrija yra susijusi su stambia skaidulų gniūžte, vadinamą lenktu pluoštu (arcuate fasciculus), pereinančią per perskyrą ir sujungiančią abi sritis. Kadangi kairysis pusrutulis daugiausia atsakingas už kalbą, jame esantis lenktasis kuokštas turėtų būti tankesnis už dešinįjį – ir tai patvirtina smegenų vaizdai. Tačiau tankesnis kuokštas turėtų stipriau traukti ir todėl būti tiesesnis už dešinįjį (tai reikia patikrinti).

Mechaninės tempimo jėgos ne tik formuoja smegenų žievės formą bet ir veikia jos sluoksnių struktūrą. Žievė yra sudaryta iš horizontalių ląstelių sluoksnių – tarsi koks sluoksniuotas pyragas. Tų sluoksnių storis skiriasi skirtingose srityse. Pavyzdžiui, priekinėje dalyje esančios srities, atsakingos už

Žmonės ir kiti stambūs žinduoliai (pvz., delfinai) turi labai raukšlėtą smegenų žievę. Tačiau kitų stuburinių smegenų žievė mažiau raukšlėta (kengūra) arba net visai lygi (ančiasnapis).

Dauguma smegenų sričių turi 6 smegenų žievės sluoksnius, kurių storis skiriasi iškilimuose ir įdubimuose. Smegenų žievė ties iškilimu (išsirietimu, gyri) yra storesnė nei įduboje (sulci). Be to, neuronai, esantys gilesniuose iškilimų sluoksniuose yra spaudžiami iš šonų ir yra pailgi, o esantys raukšlės įduboje, yra traukiami ir yra plokšti. Ar tokie nervų ląstelių formos skirtumai turi įtakos jų funkcijos, dar reikia nustatyti.

pagrindinius jutimus, labai storas 4-sis sluoksnis, o atsakingos už judėjimo motoriką srities – 5-sis sluoksnis (dar prieš šimtmetį smegenų srities smegenis į atskiras sritis suskirstė K. Brodmann'as³⁾ – ir tas suskirstymas tebenaudojamas iki šiol).

Raukšlės keičia santykinį sluoksnių storį. Iškilimuose viršutiniai sluoksniai plonesni ir labiau įtempti, o įdubose storesni ir spaudžiami. Priešingai – su giliaisiais sluoksniais. Dalis mokslininkų spėja, kad bendras neuronų kiekis srityje nesikeičia. Todėl storesniuose sluoksniuose turėtų būti mažiau neuronų nei plonuose. Tačiau tyrimai parodė, kad tankis yra vienodas.

Ir neuronų forma priklauso nuo to, kur tie neuronai randasi. Neuronai giliuose išskilimų sluoksniuose yra spaudžiami iš šonų ir todėl ištįsta, tuo tarpu neuronai giliuose įdubų sluoksniuose yra tempiami ir suplokštėja. Kompiuterinis modeliavimas rodo, kad toks jų formų skirtumas turi įtakos jų funkcionavimui – pvz., iškilimų dugne signalai turi keliauti ilgesnį kelią nei įdubose.

Atsirado galimybė gauti žmogaus smegenų vaizdą panaudojant tokias technikas, kaip struktūrinis magnetinis rezonansas. Gautų duomenų analizė atskleidė, kad neabejotinai skiriasi sveikų žmonių ir sergančių psichikos ligomis smegenų forma. Pastebėta, kad šizofrenikų žievės raukšlingumo lygis yra mažesnis. Tie vertinimai yra prieštaringi, nes tų nukrypimų vietos ir pobūdis skiriasi kiekvienam individui. Nauji tyrimai leidžia spėti, kad šizofrenikų smegenų komunikacijos sistemoje yra sutrikimų, tačiau jų prigimtis dar nėra aiški.

Asmenų, sergančių autizmu, smegenų formoje irgi yra nukrypimų – būtent, kai kurios įdubos žiemėje yra gilesnės ir kiek pasislinkusios nei sveikų žmonių. Todėl imta spėti, kad autizmas išsivysto esant sutrikimams neuronų sujungimuose – ir tai patvirtinai tyrimai, rodantys, kad komunikacija tarp artimų sričių yra spartesnė, o taro tolimų, atvirkščiai, lėtesnė. Kaip pasekmė, tokie pacientai turi sunkumų, kai reikia nekreipti dėmesio į nesvarbius dalykus ir perkelti dėmesį į juos, kai tai tampa reikalinga.

Psichiniai ir mokymosi sutrikimai gali būti susiję ir su žievės sluoksnių nukrypimais. Pvz., 8 dešimtm. neurologas A. Galaburda nustatė, kad piramidinių neuronų, sudarančių pagrindinę komunikacijos sistemą žievėje, disleksija priekinės smegenų srities sluoksniuose yra pasislinkusi. Šizofrenija taipogi gali turėti savo įspaudus žievės architektūroje – tų asmenų kai kuriose srityse neuronų tankis mažesnis. Tie skirtumai gali sutrikdyti įprastą komunikaciją smegenyse. Tų principų suvokimas gali paveikti psichinių ligų diagnozę ir gydymą, pvz., skatinant pacientų veiklą, kurios metu daugiau panaudojamos kitos smegenų sritys.

Šiuolaikiniai smegenų vaizdų gavimo metodai gali leisti patikrinti frenologinius teiginius, kad skirtumai smegenų žievėje ar pilkosios medžiagos kiekiai tam tikrose smegenų srityse gali atskleisti asmens talentus. Tačiau susieti smegenų formą ir jų funkcionavimą nėra lengva. Tas ryšis aiškiausias tarp asmenų, kurie nuolat užsiima ta pačia mentaline veikla. Vieni tokių – profesionalūs muzikantai. Jie smegenų žievės motorinė sritis skiriasi nuo nemuzikuojančių.

Dar daug ką reikia atskleisti. Kol kas nežinoma, kaip konkretus išsirietimas įgauna savo dydį ir formą, visai kaip tai, kaip išsivysto konkretaus asmens ausies ar nosies forma. Variacijos yra labai sudėtinga problema, kurią paaiškinti galės kompiuteriniai modeliai. Kurie kol kas labai išankstiniai dėl neuronų sąveikos sudėtingumo ir nepakankamo duomenų kiekio.

Svarbu sužinoti ir kaip vystosi smegenų žievė, kada formuojasi skirtingi neuronų sujungimai. Tai gali padėti suprasti, kas sukelia nukrypimus, psichinės ligas, kurių simptomai labai skirtingi, gali kilti skirtingu vaisiaus vystymosi periodu.

Ir be abejo, mechaninės jėgos nėra vienintelės, kurios formuoja smegenis. Smegenų formos palyginimai rodo, kad artimai susijusių žmonių smegenys yra panašesni nei nesusijusių, o tai rodo, kad įtakoja ir genai. Galbūt, genetiniai procesai valdo smegenų vystymosi periodus, o paprastos fizinės jėgos formuoja smegenų formą, kai atsiranda naujos nervų ląstelės. Toks derinys galėtų paaiškinti pagrindinius smegenų žievės išsirangymus, o taip pat skirtumus, kuriuos turi netgi dvyniai.

Ir vis tik net išsamios smegenų kraštovaizdžio analizės dar neleidžia atskirti genijaus smegenų žievės nuo nusikaltėlio. Tačiau ateityje apie smegenis žinosime daugiau.

Smegenų imuniniai elektrikai

Smegenys kažkuo primena elektros laidų kamuolį. Tie „laidai“ susipina į pluoštus, jungiasi tarpusavyje, išsiskirsto į įvairias puses. Tai neuronų ataugos; neuronas – tai kūnas ir vienas ilgas aksonas bei trumpučiai, tačiau smarkiai išsišakojantys dendritai. Aksonas siunčia signalus kitiems neuronams, o dendritai, atvirkščiai, priima signalus iš kitų neuronų (nors kai kurie dendritai veikia į abi puses).

Neuronas pats generuoja impulsus, pergrupuodami jonus savo membranoje, jos vidinėje ir išorinėje pusėse. Pretekstu impulsui gali būti bet koks išorinis signalas, pvz., receptoriams – šviesa, temperatūra ar kvapai; arba signalas iš kito neurono. Neuronas pirmiausia „pamąsto“, ką daryti su gautu signalu: priimti kokį gavo, susilpninti ar sustiprinti jį, ar aplamai jį ignoruoti.

Taigi, neuroniniai „laidai“ gana savarankiški – ir dar lengvai persijungia nuo senų kontaktų prie naujų. Tai tarytum elektros laidai imtų keisti savo trasas, o šviesos jungiklis staiga imtų įjunginėti ir išjunginėti šaldytuvą. O su neuronais būtent taip ir vyksta: jiems dingsta senos ataugos, užauga naujos, o tarp ataugų tai atsiranda, tai pradingsta sinapsės – specifiniai tarpląsteliniai sujungimai, leidžiantys perduoti elektrinius signalus ir net keisti jų stiprumą. Tai leidžia smegenims prisitaikyti įvairiausioms užduotims: išmokti užsienio kalbą ar važiuoti dviračiu. Tai vadinama sinapsiniu lankstumu, o nuo jo stipriai priklauso atmintis ir mokymasis.

Vėliau paaiškėjo, kad darbui su sinapsėmis neuronai turi ir pagalbininkų, savotiškų „elektrikų“, aptarnaujančių neuroninį elektros tinklą. Tai mikroglijų ląstelės (iš gr. glia - klijai), kurios laikomos imuninės sistemos dalimi galvos ir nugaros smegenyse. Jos sudaro atskirą nervų sistemos ląstelių grupę ir tarsi „suklijuoja“ neuronus, tačiau iš tikro jų funkcija platesnė – jos atlieka ir imunines funkcijas ir yra labai panašios į makrofagus ir kaip šie „šliaužoja“ po audinius ir „ėda“ viską, kas įtartina – nuo bakterijų iki mirusių ląstelių liekanų bei nereikalingų molekulinių darinių. Tačiau mikroglijos niekada nepalieka smegenų, o iš išorės į smegenis negali patekti jokie makrofagai. Mikroglijos gali dalintis, taip išlaikydamos savo skaičių. Molekulinių signalų pagalba jos aktyviai bendrauja su kitomis ląstelėmis, tame tarpe ir imuninėmis: smegenų ligų atveju į juos iš kraujo praninka T-ląstelės, o toliau viskas priklauso, kaip mikroglijos sąveikaus su T-ląstelėmis.

Neuronas Paskutiniu metu vis daugiau tyrimų nurodo, kad mikroglijos „taiso“ neuroninius tinklus, pvz., vystantis smegenims pradžioje sinapsių kiekis didėja (jų maksimumas yra 2-4 gyvenimo metais), o vėliau vis mažėja viso gyvenimo metu. Tiesa sakant, sinapsių perteklius nieko gero neduoda, nes susidaro perdaug nervinių grandinėlių, sukeliančių tikrą „informacinį triukšmą“. Manoma, kad kai kurios psichinės ligos, tokios kaip autizmas, kyla todėl, kad neatsikratoma nereikalingų sinapsių. O štai 2018-ais „Science“ žurnale išspausdintas straipsnis, kuriame teigiama, kad už perteklinių sinapsių šalinimą atsakingos būtent mikroglijos (pagal bandymus su pelėmis). Beje, su sinapsių mažėjimu susijęs informacijos užmiršimas.

Dar įdomu, kad mikroglijos tampa ypač aktyviomis miegant, mat jos jautrios neuromediatoriui noradrenalinui, kurio pagausėja miegant ir kuris mikroglijas veikia raminančiai ir jos liaujasi „nukandžioti“ sinapses. Kadangi miego metu informacija aktyviai perkeliama iš trumpalaikės į ilgalaikę atmintį, tai ir čia mikroglijos gali vaidinti svarbų vaidmenį (tačiau ne vien tik jos).

Taigi, nesunku spėti, kad ypač aktyvios mikroglijos gali kenkti. Visų pirma, tai vis tik imuninės ląstelės, valdančios tokį sudėtingą ginklą kaip uždegimas, kuris padeda išvengti infekcijų, tačiau kartu ir kenkia sveikoms ląstelėms. Jei uždegimas tampa nevaldomas, jis gali baigtis sunkia chroniška liga. Manoma, kad mikroglijų palaikomi nereikalingi uždegimai prisideda prie psichoneurotinių negalavimų, tokių kaip Alzheimerio ar Parkinsono ligos.

Antra, aktyvios mikroglijos gali „persistengti“ šalindamos sinapses. 2019 m. „Nature Neuroscience“ atspausdintame straipsnyje lygintas mikroglijų elgesys pas sveikus žmones ir sergančius šizofrenija. Kartu išsiaiškinta, kad mikroglijų aktyvumą slopina antibiotikas minociklinas, kurį naudoja prieš spuogus.

Mikroglijų aktyvumas priklauso ir nuo genų, tačiau ne vien tik genai nulemia. Žinoma, kad nutukusiems žmonėms susilpnėja protiniai sugebėjimai; ir senstant jiems didesnė tikimybė susirgti demencija ir turėti kitų negalavimų. Ir čia irgi neapsieinama be mikroglijų – pasirodo, kad tunkant jos „apgraužia“ dendritų spygliukus, taip sumažindamos potencialių neuroninių kontaktų kiekį.

Tačiau mikroglijos ne tik naikina sinapses, bet ir padeda jas sukurti. Mat kūno ląstelės ne visada yra susiglaudusios – neretai tarp jų lieka „laisvas plotas“, kurį užpildo tarpląstelinis matriksas, vandeninga substancija, kurioje yra įvairių medžiagų. Taip yra ir smegenyse, kur matrikso gana gausu (apie 20% smegenų masės). Ir jei neuronai nori susijungti sinapse, jiems reikia kažkaip tą sinapsę „prakišti“ per matriksą.

Ir čia vėl pasireiškia mikroglijų sugebėjimas ėsti supančias daleles, molekules ir pan. Neuronas mikroglijoms pasiunčia specialų signalą, o tos pradeda matrikse graužti tunelį sinapsės „paklojimui“. Tik matrikso savybės metams bėgant keičiasi, kažkurio metu jis tampa gana klampiu, o tai atsiliepia neuronų galėjimui susijungti.

Dar vieną svarbų mikroglijų vaidmenį aptarnaujant neuronų tinklus 2020 m. „Nature Neuroscience“ žurnalo straipsnyje aprašė Kolorado un-to mokslininkai. Daugumai mūsų neuronų atauga aksonas yra padengtas mielino apvalkalu, kuris iš tikro yra dar vienų glijinių ląstelių (oligodendrocitų) membrana. Jos pačiumpa aksoną ir kelis kartus apvynioja jį savo membrana. Tas daugiausia lipidinis dangalas (beje, su nemažu baltymų kiekiu) yra elektroizoliatoriumi ir kartu gerokai paspartina impulsų sklidimą. Tame dangale yra periodiniai trūkiai, kuriuose aksono nedengia mielinas (Ranvjė sąsmaukos), todėl elektros impulsas aksonu juda šuoliais (sąsmaukose jonai persigrupuoja) ir todėl gerokai greičiau nei aksonu be mielino (jei aksonu be mielino impulsas juda 0,5-10 m/sek., tai su mielinu – siekia net 150 m/sek.).

Mielinu apvyniotų aksonų sankaupos atrodo šviesesnėmis, tad smegenų sritys, kur dominuoja aksonų „laidai“, vadinamos baltąja medžiaga; dendritų sankaupos - pilkąja medžiaga.

Be to, mielinas ant neuronų atsiranda ne iš karto, o kai kuriems neuronams jo išvis nereikia, o ir pats dangalas iš mielino gali susigadinti, ir jį reiks atnaujinti (mielino apvalkalo pažeidimas gali sukelti įvairius ir skirtingo sunkumo neurologiniais simptomus; vienas galimų negalavimų – išsėtinė sklerozė). Ir pasirodė, kad mielino izoliacijos būklė gana daug priklauso nuo mikroglinijų: jų ląstelės inspektuoja neuronus palei „perdavimo linijas“, t.y. palei aksonus, tikrindamos mielino dangalo būklę. Jos nukandžioja kai kuriuos mielino gabalėlius –priklausomai nuo to, kiek aktyvus neuronas, t.y. mikroglinijos keičia neurono mielinizaciją pagal jo poreikius.

Taigi, „elektrikai“ nėra savivaliai – jie reaguoja į neuronų poreikius, o, be to, įsiklauso ir į kitų pagalbinių (glijinių) ląstelių signalus.

¹⁾ Francas Jozefas Galas (Franz Josef Gall, 1758-1828) – austrų neuroatonomas, fiziologas, frenologijos pradininkas. Išgarsėjo paskaitomis apie kaukolės struktūros teoriją. Įsikūręs Paryžiuje kartu su Špurcgeimu išvystė savo teoriją kūrinyje „Anatomie et physiologie du systeme nerveux en general et du cerveau en particulier“ (4 t., 1810-20). Frenologijos pagalba bandė lokalizuoti dvasinius sugebėjimus atitinkamuose kaukolės ir smegenų dalyse ir tuo pačiu parodyti, kad psichinės funkcijos veikia smegenų vystymąsi ir kaukolės formą. Bet ir Prancūzijoje jam buvo nesaldu. Galas tvirtino, kad Napoleono kaukolės sandara liudija jo nesugebėjimą filosofijai, kas skambėjo įžeidžiančiai. Imperatorius uždraudė Galui skaityti paskaitas valstybinėse Paryžiaus mokymo įstaigose.

²⁾ Vilhelmas Hisas (Wilhelm His Sr., 1831-1904) – šveicarų anatomas, histologas, embriologas. Nuo 1872 m. Leipcigo un-to anatomijos katedros vedėjas, 1882–83 m. – rektorius; Anatomijos instituto Leipcige vienas iš steigėjų (1875). 1865 m. išrado mikrotomą – prietaisą organizmo audinių mikroskopiniams pjūviams atlikti. Tirdamas gyvūnų gemalus, tobulino histogenezės teoriją. 1879-1886 m. tyrė nervų sistemos vystymąsi; 1886 m. paskelbė, kad nervinės ląstelės kūnas ir ataugos formuojasi iš skirtingų embrioninių audinių, 1874 m. paneigė E. Haeckelio embrionų evoliucijos teoriją. Pasiūlė originalių histologijos ir embriologijos terminų (dendritas, neurofilas, neuroblastas, spongioblastas, ...). Taip pat įrodė, kad Leipcigo Šv. Tomo bažnyčioje rasti palaikai yra kompozitoriaus J.S. Bacho, paskelbdamas trimačią jo veido rekonstrukciją pagal tikslius įdubimus audiniams kaukolėje.

³⁾ Korbinianas Brodmanas (Korbinian Brodmann, 1868-1918) – vokiečių neurologas, vienas iš mokymo apie smegenų žievę pradininkų; suskirstė smegenis į 52 (vadinamąsias Brodmano) sritis apie kurias paskelbė „Lyginamojoje lokalizacijoje smegenų žievėje“ (1909). Taip pat redagavo žurnalą „Hypnotismus“, o vėliau „Journal fur Psychologie und Neurologie“.

⁴⁾ Darsis Tomsonas (D'Arcy Wentworth Thompson, 1860-1948) – škotų biologas ir matematikas, matematinės biologijos pradininkas. Buvo Dandžio un-to profesorius (32-ius metus), o vėliau Sent-Endriu un-te (31-ius metus). Dalyvavo ekspedicijoje į Beringo sąsiaurį. Veikale „Apie augimą ir formą“ (1917) stengėsi nustatyti formų pasikeitimą ir vienų rūšių virtimą kitomis pritaikant matematikos formules ir fizikos dėsnius. Joje bandė paaiškinti ir kodėl darvinizmas yra nepakankamas naujų rūšių atsiradimui (nors ir neatmetė natūralios atrankos mechanizmo, tačiau jį laikė antriniu). Taip pat yra išvertęs Aristotelio „Gyvūnų istoriją“ (1910).