Rewolucyjne odkrycia neurobiologii: jak naprawdę funkcjonuje ludzki mózg i co nowego wiedzą naukowcy?

Jednym z najtrwalszych mitów popkulturowych jest przekonanie, że przeciętny człowiek wykorzystuje zaledwie 10% potencjału swojego mózgu. Badania z użyciem funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI) oraz pozytonowej tomografii emisyjnej (PET) jednoznacznie obaliły tę tezę. Nawet podczas wykonywania prostych czynności czy w stanie spoczynku (tzw. sieć wzbudzenia podstawowego – Default Mode Network, DMN) aktywne są niemal wszystkie obszary kory mózgowej i struktur podkorowych, a w ciągu doby wykorzystujemy 100% anatomicznych rezerw mózgu.

Z ewolucyjnego i energetycznego punktu widzenia utrzymywanie w organizmie w 90% bezużytecznego narządu, który pochłania jedną piątą całej energii z pożywienia (ok. 350–450 kcal glukozy na dobę), byłoby niemożliwe. Co więcej, w neurologii klinicznej nawet niewielkie ogniskowe uszkodzenie dowolnego obszaru mózgu przez udar niedokrwienny lub uraz zawsze wywołuje mierzalne deficyty ruchowe, czuciowe lub poznawcze.

Choć wyizolowane kannabinoidy (takie jak kannabidiol CBD w lekoopornych padaczkach dziecięcych) znajdują ściśle określone zastosowania medyczne, neuroobrazowanie wykonywane u osób regularnie palących marihuanę bogatą w Δ9-tetrahydrokannabinol (THC) ujawniło istotne zmiany strukturalne w obrębie jądra półleżącego, ciała migdałowatego oraz hipokampa.

Mózg człowieka przechodzi proces intensywnej przebudowy synaptycznej (tzw. synaptic pruning) oraz mielinizacji kory przedczołowej aż do około 25. roku życia. Fizjologiczny układ endokannabinoidowy (receptory CB1 i anandamid) steruje tym dojrzewaniem. Regularna ekspozycja młodego mózgu na egzogenne THC zaburza ten proces, osłabia pamięć roboczą, obniża funkcje wykonawcze oraz istotnie zwiększa ryzyko wywołania epizodów psychotycznych u osób z predyspozycją genetyczną.

Odkrycie przez zespół prof. Maiken Nedergaard tzw. układu glimfatycznego zrewolucjonizowało rozumienie biologicznej funkcji snu. Podczas głębokiego snu wolnofalowego (NREM) komórki glejowe (astrocyty) kurczą się, zwiększając przestrzeń śródmiąższową mózgu o około 60%. Pozwala to na intensywny przepływ płynu mózgowo-rdzeniowego przez kanały wodne akwaporyny-4 (AQP4) i wypłukiwanie neurotoksycznych metabolitów gromadzących się w ciągu dnia – przede wszystkim beta-amyloidu oraz białka tau.

Jak niszczycielski dla neuronów jest całkowity brak snu, pokazuje rzadka choroba prionowa – śmiertelna bezsenność rodzinna (Fatal Familial Insomnia, FFI), wywołana mutacją w genie PRNP prowadzącą do gromadzenia nieprawidłowego białka prionowego w wzgórzu. Zniszczenie ośrodków snu we wzgórzu uniemożliwia wejście w sen głęboki, co prowadzi do postępującej demencji, dysfunkcji autonomicznej i zgonu.

Przez dziesięciolecia neurobiolodzy poszukiwali materialnego śladu pamięciowego – tzw. engramu. Przełom nastąpił dzięki opracowaniu optogenetyki – technologii polegającej na wprowadzeniu do wybranych neuronów genów kodujących światłoczułe kanały jonowe (rodopsynę kanałową z alg), co pozwala z milisekundową precyzją włączać lub wyłączać pojedyncze obwody neuronalne za pomocą impulsu światła laserowego.

Zespół noblisty prof. Susumu Tonegawy z MIT udowodnił na modelach zwierzęcych, że wspomnienia nie są trwałymi, niezmiennymi zapisami jak na dysku twardym, lecz dynamiczną rekonstrukcją sieci synaptycznych w zakręcie zębatym hipokampa i ciele migdałowatym. Odkrycia te tłumaczą, dlaczego ludzka pamięć ulega modyfikacjom emocjonalnym przy każdym jej przywołaniu (tzw. rekonsolidacja pamięci), co jest dziś wykorzystywane w terapii zespołu stresu pourazowego (PTSD).

Jednym z największych wyzwań w leczeniu choroby Alzheimera, choroby Parkinsona oraz stwardnienia zanikowego bocznego (ALS) jest fakt, że ponad 98% drobnocząsteczkowych leków oraz niemal 100% dużych cząsteczek biologicznych (przeciwciał monoklonalnych, enzymów, czynników neurotroficznych) nie jest w stanie przeniknąć przez ścisłą barierę krew–mózg (BBB) utworzoną przez komórki śródbłonka naczyń mózgowych, perycyty i wypustki astrocytów.

Nowoczesna neurofarmakologia rozwija dwie przełomowe metody pokonywania tej przeszkody: wykorzystanie tzw. molekularnych „koni trojańskich” (transport receptorowy za pośrednictwem receptora transferyny lub insuliny, który przenosi lek przez śródbłonek na drodze transcytozy) oraz zogniskowane ultradźwięki (Focused Ultrasound, FUS) z mikropęcherzykami, które na kilka godzin bezpiecznie i odwracalnie otwierają barierę krew–mózg w wybranym obszarze mózgu.

Badania prowadzone na Uniwersytecie Harvarda i Uniwersytecie Stanforda wykazały, że stan naczyń krwionośnych oraz skład krążącego osocza bezpośrednio regulują dorosłą neurogenezę (powstawanie nowych neuronów w zakręcie zębatym hipokampa) oraz plastyczność synaptyczną. Wyizolowano specyficzne białka osoczowe (m.in. TIMP2 oraz iryzynę uwalnianą przez pracujące mięśnie szkieletowe) oraz neurotroficzny czynnik pochodzenia mózgowego (BDNF), które stymulują angiogenezę mózgową i chronią neurony przed starzeniem.

Co najważniejsze z perspektywy klinicznej, każdy człowiek może codziennie stymulować wydzielanie BDNF i chronić naczynia mózgowe poprzez: regularny wysiłek aerobowy i siłowy, dietę typu MIND (bogatą w kwas DHA budujący błony neuronalne, polifenole z owoców jagodowych, zielone warzywa liściaste bogate w foliany i luteinę, oliwę z oliwek extra virgin oraz orzechy włoskie) oraz utrzymywanie głębokiego, nieprzerwanego snu.