Naukowcy byli przekonani, że neurony w mózgu komunikują się za pośrednictwem fizycznych połączeń zwanych synapsami. Jednakże finansowani ze środków unijnych neuronaukowcy odkryli solidny dowód na to, że neurony komunikują się również ze sobą za pomocą słabych pól elektrycznych, a odkrycie to może pomóc nam zrozumieć, w jaki sposób biofizyka daje początek poznaniu.

Badania, których wyniki ukazały się w czasopiśmie Nature Neuroscience, zostały częściowo dofinansowane z projektu EUSYNAPSE (Od molekuł do sieci - poznawanie fizjologii i patologii synaptycznej w mózgu na podstawie modeli myszy), który otrzymał 8 mln EUR z tematu "Nauki o życiu, genomika i biotechnologia na rzecz zdrowia" Szóstego Programu Ramowego (6PR).

Naczelny autor, dr Costas Anastassiou, naukowiec z Kalifornijskiego Instytutu Technologii (Caltech) w USA, wraz z kolegami wyjaśnia, że mózg jest złożoną siecią pojedynczych komórek nerwowych czy neuronów, które wykorzystują sygnały elektryczne i chemiczne do komunikowania się ze sobą.

Za każdym razem kiedy impuls elektryczny przebiega przez wypustkę neuronu, niewielkie pole elektryczne otacza tę komórkę. Grupę kilku neuronów można porównać od grupy osób zwracających się do siebie i prowadzących rozmowy towarzyskie. Ale kiedy aktywują się one razem, przypomina to ryk tłumu na zawodach sportowych.

Ten "ryk" stanowi sumę wszystkich niewielkich pól elektrycznych, które powstały w efekcie zorganizowanej aktywności neuronalnej w mózgu. Chociaż już dawno dostrzeżono, że mózg wytwarza słabe pola elektryczne obok aktywności elektrycznej wzbudzanych komórek nerwowych, jednak pola te uznano za epifenomen - zbędny skutek uboczny.

Nic nie było wiadomo na temat tych słabych pól, ponieważ tak naprawdę są one zazwyczaj zbyt nikłe, by je zmierzyć na poziomie poszczególnych neuronów - ich zasięg mierzy się w milionowych metra (mikronach). Naukowcy postanowili jednak ustalić, czy te słabe pola mają jakikolwiek wpływ na neurony.

Pomiar tak nikłych pól emitowanych przez niewielką liczbę komórek mózgowych lub wpływających na nie był doświadczalnie trudnym zadaniem. W pobliżu klastra neuronów szczura umieszczono mikroskopijne elektrody, aby poszukać "lokalnych potencjałów pola", tj. pól elektrycznych generowanych przez aktywność neuronów. Wynik? Naukowcom udało się zmierzyć słabe pola rzędu jednego miliwolta (jednej tysięcznej wolta).

Wypowiadając się na temat wyników dr Anastassiou powiedział: "Zważywszy na niezwykłą trudność umieszczenia wielu elektrod w tkance mózgowej o tak małej objętości, nasze odkrycia są naprawdę nowatorskie. Nikt nie był w stanie do tej pory osiągnąć takiego poziomu rozdzielczości przestrzennej i czasowej".

Odkrycia naukowców okazały się zaskakujące. "Zaobserwowaliśmy, że pola o wartości zaledwie jednego miliwolta na milimetr zdecydowanie zmieniają wzbudzanie poszczególnych neuronów oraz wzrost tak zwanej 'koherencji impuls-pole' - synchroniczności wzbudzania neuronów w powiązaniu z polem" - wyjaśnia.

Na przykład w czasie gwałtownych napadów epilepsji partie mózgu wytwarzają bardzo silne pola elektryczne rzędu 100 miliwoltów na milimetr. Jednakże wyniki ostatnich badań pokazały, że nawet znacznie słabsza energia pola - skierowana na reaktywny obszar neuronów - wytwarza to, co naukowcy nazywają połączeniem efaptycznym.

To "połączenie" pól energetycznych może być innym sposobem koordynacji w mózgu - odmiennym od zwykłych kanałów neuron-synapsa. Dr Anastassiou sugeruje, że "podwyższona koherencja impuls-pole może znacznie zwiększać zarówno ilość informacji przekazywanych między neuronami, jak również ich niezawodność."

Te prace wpisują się w nurt badań naukowych poszukujących odpowiedzi na pytanie, w jaki sposób "myślenie" zależy od skoordynowanej aktywności różnych regionów mózgu. Wielu neuronaukowców jest przekonanych, że stosunkowo powolna i niemal nieskończenie zależna od siebie aktywność neuronów i synaps nie zwiększa szybkości ani sprawności myśli.

"Jestem głęboko przekonany, że poznanie pochodzenia i funkcjonalności endogennych pól mózgowych doprowadzi do kilku rewelacji na temat przetwarzania informacji na poziomie układu, który w mojej opinii jest poziomem, na którym powstają percepcje i pojęcia" - mówi dr Anastassiou.

"To z kolei pozwoli nam zająć się sposobem, w jaki biofizyka daje początek poznaniu w ujęciu mechanistycznym, a to jak sądzę jest świętym Graalem neuronauki".

© Unia Europejska 2005-2011

Źródło: CORDIS

Referencje dokumentu: Anastassiou, C. A., et al. (2011) Ephaptic coupling of cortical neurons, Nature Neuroscience, published on January 16. DOI:10.1038/nn.2727.

EUSynapse