REKLAMA


 

REKLAMA


 

Grupa neuronów otoczonych sieciami perineuronalnymi w korze mózgowej myszy Grupa neuronów otoczonych sieciami perineuronalnymi w korze mózgowej myszy

Jedną z możliwych funkcji sieci perineuronalnych jest ochrona komórek nerwowych


Nowicka_Dorota

Autorką tekstu jest Dorota Nowicka
Instytut Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego, Polska Akademia Nauk, Warszawa
e-mail: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.  

 

Dr Dorota Nowicka pracuje w Pracowni Molekularnych Podstaw Neuroplastyczności Mózgu, bada wpływ sieci perineuronalnych na plastyczność. 

 


Odkrycie sieci perineuronalnych przypisuje się ojcu współczesnej neuroanatomii Camillo Golgiemu. Ten włoski lekarz i uczony w 1873 roku w maleńkim laboratorium urządzonym w kuchni opracował metodę barwienia tkanki nerwowej solami srebra, co umożliwiło zaobserwowanie wielu dotychczas nieznanych struktur komórkowych. Między innymi uwidoczniło delikatną siateczkę na powierzchni niektórych neuronów otaczającą ich ciała i początkowe odcinki wypustek nerwowych. To odkrycie początkowo nie spotkało się z wielkim zainteresowaniem. Wybitny hiszpański neuroanatom Santiago Ramón y Cahal, rywal Golgiego, zaliczył je wręcz do artefaktów metody i na wiele lat zahamował rozwój badań. Dopiero w latach 50. XX wieku rozwój technik histologicznych i mikroskopii elektronowej pozwolił potwierdzić istnienie takich struktur w mózgu.

 

Heksagonalna struktura

 

Obecnie uważa się sieci perineuronalne za ustrukturalizowaną formę macierzy zewnątrzkomórkowej, czyli substancji wypełniającej przestrzenie między komórkami nerwowymi i ich wypustkami. Macierz zewnątrzkomórkowa mózgu zawiera głównie wielocukier ‒ kwas hialuronowy, oraz proteoglikany ‒ białka, niosące na swojej powierzchni krótsze łańcuchy innego wielocukru, siarczanu chondroityny. Nie zawiera natomiast kolagenu i elastyny, co wyróżnia tkankę mózgową wśród innych tkanek. Sieć perineuronalna jest siateczką o heksagonalnych oczkach, położoną po zewnętrznej stronie błony komórkowej neuronu, zbudowaną z kwasu hialuronowego, którego długie łańcuchy stanowią zrąb siateczki i podstawę, z którą wiążą się proteoglikany. Specyficzną heksagonalną strukturę sieci utrzymują białka łączące, które kotwiczą cząsteczki proteoglikanów do kwasu hialuronowego, oraz tenascyna R, łącząca poszczególne cząsteczki proteoglikanów między sobą (Ryc. 1). Ze względu na dużą zawartość grup karboksylowych i siarczanowych w łańcuchach cukrowych sieci perineuronalnr mają silny ładunek ujemny. Proteoglikanem, który występuje w sieciach perineuronalnych najobficiej, jest agrekan. Spośród tkanek organizmu agrekan występuje jeszcze w tkance chrzęstnej i razem z kwasem hialuronowym stanowi jej podstawę. Podobieństwo macierzy zewnątrzkomórkowej mózgu i macierzy tkanki chrzęstnej pod względem składu chemicznego jest wyraźne i zaskakujące.

 

Białka do wykrywania

 

Liczba gatunków zwierząt przebadanych pod kątem występowania w ich mózgach sieci perineuronalnych nie jest imponująca. Najdokładniej zostały opisane sieci perineuronalne w mózgach gryzoni – myszy i szczurów. Wiadomo, że są obecne w mózgu myszoskoczków, świnki morskiej, kota, psa, owcy, północnoamerykańskiego bizona, szopa pracza. Znaleziono je również w mózgach tak egzotycznych zwierząt jak madagaskarski tenrek (Echinops telfairi) i oposy Monodelphis domestica i Thylamys elegans. Również w mózgach naczelnych i człowieka jest wiele komórek otoczonych sieciami perineuronalnymi. U innych niż ssaki kręgowców ‒ ptaków i gadów. Zbliżone wyglądem do sieci struktury zauważono u żaby wodnej Rana esculenta. Jest więc prawdopodobne, że sieci perineuronalne występują powszechnie u kręgowców. Nie ma jak dotąd żadnych danych o występowaniu sieci u zwierząt bezkręgowych.

Hipotetyczna struktura sieci perineuronalnej 

Obecnie w użyciu jest wiele metod, dzięki którym możemy obserwować sieci perineuronalne. Możemy wykryć je za pomocą specyficznych lektyn, tzn. białek roślinnych, mających zdolność do rozpoznawania i wiązania cząsteczek cukrów. Znakujemy je również za pomocą przeciwciał rozpoznających konkretne białka lub epitopy cukrowe. Takie lektyny lub przeciwciała, sprzężone ze markerem fluorescencyjnym, po naświetleniu światłem UV świecą i można je zobaczyć pod mikroskopem (Ryc. 2). Kiedy spojrzymy przez okular mikroskopu na skrawek tkanki mózgowej wykąpany wcześniej w płynie zawierającym wyżej wspomniane znaczniki, zauważymy, że sieci perineuronalne są obecne na powierzchni tylko niektórych neuronów (Ryc. 3). Wydaje się, że są to głównie neurony hamujące (gabaergiczne), wydzielające kwas gamma-aminomasłowy (GABA) jako neuroprzekaźnik. Neurony te, mimo że stanowią niewielką (10-20%) część całkowitej liczby neuronów w mózgu, spełniają ważną funkcję w utrzymaniu pobudzenia mózgu na właściwym poziomie. Poznano wiele typów tych komórek i ‒ co ciekawe ‒ tylko niektóre z nich są otoczone sieciami. A co jeszcze ciekawsze, nawet w obrębie danego typu jedne komórki są otoczone siecią, inne nie. Dlaczego tak się dzieje? Tego na razie nie wiemy. Pewne badania wskazują, że również niektóre neurony pobudzające wydzielające glutaminian jako neuroprzekaźnik mogą być otoczone sieciami perineuronalnymi. Dane na ten temat są skąpe, ponieważ w przypadku neuronów glutamatergicznych nie dysponujemy wiarygodnymi metodami ich identyfikacji histochemicznej i opieramy się jedynie na obserwacjach morfologicznych.

 

Komórki otoczone sieciami perineuronalnymi nie są w mózgu rozmieszczone równomiernie. W największym zagęszczeniu występują w obszarach kory mózgowej, do których dociera informacja ze środowiska zewnętrznego, a więc np. w korach wzrokowej, słuchowej czy czuciowej. Możemy je znaleźć również np. w hipokampie, wzgórzu, móżdżku i rdzeniu kręgowym.

 

Po co neuronom sieci?

 

Nie znaleziono dotychczas jednoznacznej odpowiedzi na to pytanie. Wydaje się, że komponent cukrowy sieci perineuronalnych, w szczególności wchodzący w skład proteoglikanów, ze względu na swój polianionowy charakter jest niezwykle istotny i determinuje jej właściwości biofizyczne. Ujemne ładunki zgromadzone na powierzchni sieci sprzyjają zatrzymywaniu wody i kationów. W przypadku neuronów, które są komórkami o szybko zmieniającym się potencjale błonowym, zachowanie właściwego stężenia jonów w pobliżu błony komórkowej ma szczególne znaczenie. Sieć perineuronalna może być magazynem, w którym przechowywane są jony potrzebne do wytwarzania potencjału błonowego, ale również może działać jako bufor pochłaniający ich nadmiar. Hipotezę tę potwierdza obserwacja, że sieci perineuronalne bardzo często są związane z gabaergicznymi neuronami szybko wyładowującymi się (ang. fast-spiking neurons). Badania in vitro wykazują, że również inne cząsteczki mogą wiązać się ze składnikami sieci perineuronalnej, np. czynniki troficzne, białka sygnałowe, zewnątrzkomórkowe proteazy, chemokiny, cytokiny itd. Sieci perineuronalne mogłyby stanowić rezerwuar tych substancji, z którego po zadziałaniu odpowiedniego bodźca byłyby uwalniane.

 

Sieciom perineuronalnym przypisuje się również funkcję neuroprotekcyjną, ochronną dla neuronów. Hodowane in vitro neurony, które wytwarzają sieci, są wybiórczo odporne na wolne rodniki, nadmierne pobudzenie, wywołane podaniem do hodowli neuroprzekaźnika pobudzającego ‒ glutaminianu. U ludzi neurony otoczone sieciami perineuronalnymi nie ulegają neurodegeneracji w chorobie Alzheimera, kiedy wiele innych neuronów obumiera. Badania in vitro również potwierdzają odporność neuronów otoczonych sieciami na obecność beta-amyloidu i białka tau, czyli białek wiązanych z patologią Alzheimera.

 

Sieć i uczenie się

 

Mózg ma zdolność modyfikacji swojej funkcji pod wpływem bodźców środowiska, uczenia się lub uszkodzenia. Zjawisko to nazywamy plastycznością neuronalną lub neuroplastycznością. Wydaje się, że ma ono bardzo złożony charakter, regulowany na różnych poziomach, od genów do struktury. Podstawą neuroplastyczności jest zmiana właściwości, liczby i położenia synaps, a w efekcie przebudowa sieci połączeń synaptycznych. Obecność sieci perineuronalnych na powierzchni neuronów utrudnia dostęp nowym synapsom do powierzchni błony neuronu, a siatkowata struktura stabilizuje te istniejące i utrudnia lub wręcz uniemożliwia neuroplastyczność.

 

Pierwszych dowodów na prawdziwość hipotezy o udziale sieci w neuroplastyczności dostarczyły badania plastyczności rozwojowej kory wzrokowej u szczurów. Wiadomo, że rozwój kory wzrokowej przebiega etapami. U młodych zwierząt, na pewnym ściśle określonym etapie rozwoju, kora wzrokowa jest niezwykle plastyczna. Objawia się to m.in. tym, że możemy wpływać na jej funkcjonowanie i strukturę np. poprzez ograniczenie dopływu bodźca wzrokowego do jednego oka (tzw. deprywacja jednooczna). Po kilku dniach takiej deprywacji kora przestaje odpowiadać na bodźce wzrokowe płynące z zamkniętego oka (nawet po jego otwarciu), natomiast reaguje silniej na sygnał z oka niedeprywowanego. Przedział czasu, w którym takich zmian możemy dokonać, nazywamy okresem krytycznym. Po upływie okresu krytycznego kora wzrokowa staje się niewrażliwa na nasze manipulacje bodźcem wzrokowym. Okazuje się, że zamknięcie okresu krytycznego ściśle zbiega się w czasie z pojawieniem się i dojrzewaniem sieci perneuronalnych w korze wzrokowej. Ich obecność stabilizuje utworzoną prawidłową sieć połączeń i późniejsza deprywacja wzrokowa nie jest w stanie jej naruszyć.

 

Funkcję sieci perineuronalnych w ograniczeniu plastyczności kory wzrokowej jednoznacznie potwierdziły eksperymenty deprywacyjne u starszych zwierząt, którym do kory wzrokowej wstrzyknięto bakteryjny enzym, chondroitynazę ABC, trawiącą reszty chondroitynosiarczanowe proteoglikanów wchodzących w skład sieci. Zniszczenie sieci umożliwiło zmiany w funkcjonowaniu kory, takie jakie obserwowano w okresie krytycznym. Znaczenie sieci perineuronalnych w plastyczności potwierdzono także w modelach opartych na badaniu pamięci, np. w tzw. warunkowaniu strachu, które polega na wytworzeniu asocjacji między bodźem obojętnym a awersyjnym, zwykle bólowym. U młodych zwierząt ta reakcja jest możliwa do odwrócenia (tzw. wygaszanie reakcji), ponieważ obszary mózgu zaangażowane w ten proces (ciało migdałowate) są jeszcze plastyczne. U dorosłych reakcja jest bardzo trwała. Zniszczenie sieci perineuronalnych u dorosłych zwierząt za pomocą chondroitynazy ABC pozwoliło na wygaszenie reakcji, a więc przywrócenie neuroplastyczności. Udział sieci w plastyczności rozwojowej wydają się również potwierdzać badania na ptakach, u których wykazano zaangażowanie sieci perineuronalnych w proces uczenia się śpiewu przez młode osobniki.

 

Sieć i pamięć

 

Mózgi zwierząt dorosłych, a nawet starych, zachowują pewną zdolność do neuroplastyczności. Sieci perineuronalne nie są dane raz na zawsze i mogą być modyfikowane przez różne czynniki. Jednym z nich jest np. aktywność neuronalna, czyli poziom pobudzenia neuronów w danym obszarze mózgu.

 

Przetrzymywanie myszy w tzw. wzbogaconym środowisku, dostarczającym większej liczby bodźców (np. trzymanie ich w klatkach z dużą liczbą zabawek), powoduje spadek liczby sieci w móżdżku, a także w korze wzrokowej. Zaobserwowano również spadek liczby sieci w obszarach graniczących z uszkodzoną ‒ np. w wyniku udaru lub urazu ‒ tkanką. W naszych badaniach wykazaliśmy, że w obszarach kory mózgowej przyległych do miejsca udaru, liczba sieci perineuronalnych znacznie spada (nawet o 80%). Uważamy, że to zjawisko może być mechanizmem umożliwiającym reorganizację sieci synaptycznej i np. przejęcie funkcji obszarów uszkodzonych przez ocalałą korę. Z drugiej jednak strony rehabilitacja uszkodzonego rdzenia kręgowego (czyli stymulacja określonej grupy neuronów) powoduje zwiększenie liczby sieci perineuronalnych w pobliżu lezji. Wydaje się więc, że natura zależnych od aktywności neuronalnej zmian w liczbie i/lub strukturze sieci zależy od tego, w jakim obszarze mózgu te zmiany badamy, prawdopodobnie też od wieku zwierzęcia i konkretnego układu neuronalnego.

 

Neuron z kory czuciowej szczura otoczony siecią perineuronalną, wyznakowaną fluorescencyjnie

 

Nie zmienia to jednak faktu, że sieci podlegają modyfikacjom. Czynnikami mającymi wpływ na ich liczbę i strukturę są enzymy proteolityczne, np. zewnątrzkomórkowe metaloproteazy z rodziny MMP, oraz glikolityczne, np. hialuronidazy, trawiące kwas hialuronowy. O ile wiedza na temat roli proteolizy w procesie degradacji macierzy zewnątrzkomórkowej i sieci perineuronalnych w szczególności jest udokumentowana, niezwykle mało wiadomo na temat enzymów, które mają zdolność trawienia składników cukrowych nadających sieciom ich charakterystyczne właściwości. To otwiera nowe pole do badań nad regulacją sieci. Wspomniane eksperymenty z zastosowaniem chondroitynazy ABC jednoznacznie wskazują, że usunięcie cukrowych elementów sieci skutkuje przywróceniem mózgowi młodzieńczej plastyczności. Nasze badania sugerują, że z wiekiem liczba sieci perineuronalnych, przynajmniej w niektórych obszarach mózgu, wzrasta. Być może ten wzrost jest odpowiedzialny za pogorszenie naszych zdolności poznawczych, które obserwujemy już po czterdziestce. Możliwość wpływania na sieci perineuronalne i poprawy zdolności uczenia się, pamięci u starszych ludzi jest kuszącą perspektywą. Chondroitynaza ABC podana do uszkodzonego rdzenia kręgowego u szczura umożliwia reorganizację połączeń synaptycznych i znacząco poprawia efekty rehabilitacji. Metody te jako zbyt inwazyjne są jednak trudne do zastosowania u ludzi. Zidentyfikowanie endogennych czynników modyfikujących sieci perineuronalne (np. enzymów glikolitycznych), a następnie substancji wpływających na ich aktywność w sposób wybiórczy i kontrolowany, które można by podawać np. w postaci tabletki, zrewolucjonizowałoby leczenie mózgu.

 

Tabletka poprawiająca pamięć, lecząca skutki demencji, wspomagająca leczenie urazów mózgu i rdzenia kręgowego... Święty Graal? Kto wie, może jednak kiedyś go odnajdziemy?

 

 

Chcesz wiedzieć więcej?

Karetko-Sysa M., Skangiel-Kramska J., Nowicka D. (2011). Disturbance of perineuronal nets in the perilesional area after photothrombosis is not associated with neuronal death. Experimental neurology, 231(1):113-26.

 


© Academia nr 3 (31) 2012

 

 

Oceń artykuł
(0 głosujących)

Tematy

agrofizyka antropologia kultury antropologia społeczna archeologia archeometalurgia architektura arteterapia astrofizyka astronomia badania interdyscyplinarne behawioryzm biochemia biologia biologia antaktyki biologia płci biotechnologia roślin botanika chemia chemia bioorganiczna chemia fizyczna chemia spożywcza cywilizacja demografia edukacja ekologia ekologia morza ekonomia energia odnawialna etnolingwistyka etnomuzykologia etyka ewolucja fale grawitacyjne farmakologia filozofia finansowanie nauki fizyka fizyka jądrowa gender genetyka geochemia środowiska geoekologia geofizyka geologia geologia planetarna geoturystyka grafen historia historia idei historia literatury historia nauki historia sztuki humanistyka hydrogeologia informatyka informatyka teoretyczna internet inżynieria materiałowa język językoznawstwo klimatologia kobieta w nauce komunikacja kosmologia kryptografia kryptologia kulinaria kultoznawstwo kultura lingwistyka literatura matematyka medycyna migracje mikrobiologia mniejszości etniczne mniejszości narodowe modelowanie procesów geologicznych muzykologia mykologia nauka obywatelska neurobiologia neuropsychologia ochrona przyrody orientalistyka ornitologia paleobiologia paleontologia palinologia parazytologia PIASt politologia polityka społeczna polska na biegunach prawo protonoterapia psychologia psychologia zwierząt Puszcza Białowieska robotyka seksualność smog socjologia szczepienia sztuka technologia wieś w obiektywie wulkanologia zastosowania zdrowie zoologia zwierzęta źródła energii żywienie

Komentarze

O serwisie

Serwis naukowy prowadzony przez zespół magazynu Academia PAN.Academia Zapraszamy do przysyłania informacji o badaniach, aktualnie realizowanych projektach naukowych oraz imprezach popularyzujących naukę.

 

Dla użytkowników: Regulamin

Pliki cookies

Informujemy, że używamy ciasteczek (plików cookies) w celu gromadzenia danych statystycznych, emisji reklam oraz prawidłowego funkcjonowania niektórych elementów serwisu. Pliki te mogą być umieszczane na Państwa urządzeniach służących do odczytu stron, a korzystając z naszego serwisu wyrażacie Państwo zgodę na używanie cookies, zgodnie z aktualnymi ustawieniami przeglądarki.

Więcej informacji o celu używania i zmianie ustawień ciasteczek w przeglądarce: TUTAJ

Wydanie elektroniczne

Kontakt

  • pisz:

    Redakcja serwisu online
    Academia. Magazyn Polskiej Akademii Nauk
    PKiN, pl. Defilad 1, pok. 2110
    (XXI piętro)
    00-901 Warszawa

  • dzwoń:

    tel./fax (+48 22) 182 66 61 (62)

  • ślij:

    e-mail: academia@pan.pl