Od autorki

Biologia to, bardzo ogólnie oczywiście, życie - wiadomo! Biologia - jako nauka, dziedzina, gałąź wiedzy - stała się też chyba moim życiem. Wszystko zaczęło się od małoletnich fascynacji zabawkowymi mikroskopami, nie do końca zrozumiałymi dla mnie wtedy książkami i hasłami w Wikipedii (odpalanymi na komputerze z Windowsem, którego numeru nawet już nie pamiętam). Potem te fascynacje przekształciły się w ścieżkę edukacji, pracę naukową i zamiłowanie do popularyzacji wiedzy. A teraz? Teraz właśnie piszę wstęp do książki, na dodatek mojej własnej - i wciąż nie mogę w to uwierzyć.

W pamięci widzę siebie: małą dziewczynkę czekającą w pokoju na powrót taty z zakupów w mieście, z nadzieją że przywiezie mi kolejną książkę o biologii. Moja radość była jeszcze większa, gdy pozycja ta przeznaczona była dla starszych ode mnie dzieci - albo nawet dla dorosłych. Przeważnie nie rozumiałam wszystkiego: pojawiały się trudne słowa, niezrozumiałe ryciny i zdjęcia, ale kto by się tym przejmował - i tak było super!

W podstawówce niemal nikt nie wie, co chce robić w życiu. I nie inaczej było ze mną. W szkole średniej jest to może już nieco bardziej klarowne, choć u mnie na tapecie był wtedy buncik wobec rodziców, Rage Against The Machine na mp3 oraz pierwsze próby deskorolkowe. O nauce chyba zupełnie nie myślałam. Jednak wybór klasy o profilu biologiczno-chemicznym w liceum i wielka miłość do biologii (z chemią kumplowałyśmy się nieco słabiej) przesądziły o tym, w którą stronę popchnę swoje życie. Tak naprawdę fascynowało mnie właściwie wszystko, co żywe albo związane z kosmosem - no bo z niego wywodzi się to, co żywe. Ale im dalej w las, tym bardziej utwierdzałam się w przekonaniu, że najbardziej ciągnie mnie do skali mikro, molekularnej, związanej z cząsteczkami i biochemią (ech, czyli jednak ta chemia...).

Kiedy studiowałam, byłam przekonana, że chcę zostać nauczycielką biologii. Marzenie to minęło mi jednak, gdy pojawiła się zajawka na biotechnologię medyczną i pierwsze myśli o pracy naukowej. Kierunek neurobiologiczny przyszedł do mnie sam, zupełnie przypadkiem. Gdy wybierałam temat pracy doktorskiej, ten związany z chorobą Alzheimera wydał mi się szczególnie fascynujący, ale też bliski ze względu na cierpiącą na nią moją ukochaną babcię. Chociaż naprawdę nie sądziłam, że aż tak bardzo zakocham się w tym wszystkim, co dotyczy neuronów, a tym bardziej że tak wkręcę się w neurochemię!

Jeśli chodzi o biologię, neurobiologia i zagadnienia związane z układem nerwowym zawsze wydawały mi się (i wciąż wydają!) tymi najmocniej skomplikowanymi. Trudno odnaleźć przecież twór bardziej złożony od ludzkiego mózgu. I paradoksalnie - mimo że dotyczy poznania - twór najmniej poznany. Zwłaszcza gdy myślimy o świadomości i umyśle - jeżeli rzeczywiście drzemią one pod czaszką. Próba zrozumienia działania mózgu od lat plącze się i przenika pomiędzy podejściami: humanistycznym (dusza, duch, jaźń), kognitywistycznym i związanym z myśleniem (świadomość) oraz ścisłym podejściem naukowym (biologiczna aktywność mózgu, wypadkowa zmieszania się chemii, działanie struktur).

Być może trudno w to uwierzyć, gdy myślimy o człowieku w kategoriach humanistycznych, ale jesteśmy całkowicie zależni od tej nieco ponadkilogramowej galaretki w naszej głowie. Nastroje, pragnienia, emocje, świadomość, zdolności intelektualne - za to wszystko odpowiada mózg i jego określone struktury wraz z powstającym w układzie nerwowym szeregiem neuroprzekaźników i zmianami zachodzącymi w biochemicznej zupie. Organ ten funkcjonuje nieustannie, nawet gdy śpimy, a jego praca leży u podstaw... wszystkiego.

Mózg odpowiada bowiem nie tylko za percepcję bodźców z zewnątrz czy wymyślanie mniej lub bardziej genialnych konceptów, ale też sprawuje pieczę nad wszystkimi funkcjami organizmu, takimi jak bicie serca, oddychanie czy trawienie. Ktoś mądry (chciałoby się powiedzieć - z dużym mózgiem, choć wiemy przecież, że wielkość mózgu nie warunkuje inteligencji) stwierdził kiedyś, że zaczynamy interesować się działaniem umysłu dopiero wtedy, gdy pojawiają się zaburzenia w jego prawidłowym funkcjonowaniu. Bo przecież mózg po prostu jest i działa - w końcu myślimy, czujemy, żyjemy. Pisał o tym Eric Kandel w swojej świetnej książce Zaburzony umysł. Dlatego właśnie prowadzenie badań nad pacjentami z uszkodzeniami mózgu, i zgłębianie jego nieprawidłowości na poziomie strukturalnym i molekularnym, stanowi jedno z najbardziej fascynujących zadań medycyny i neuropsychologii. Prawidłowo działająca struktura mózgu i równowaga neurochemiczna definiują nasze zachowanie i możliwości umysłu. I to, co oddziałuje na nasz mózg, z czym codziennie się styka - kształtuje to, jacy jesteśmy.

Długo zbierałam się do napisania czegoś od siebie, do stworzenia większego tekstu, łączącego moje zainteresowania mózgiem i neuronauką osadzoną w życiu, a co dopiero do napisania książki. Zawsze pojawiała się myśl, że pisanie o mózgu i układzie nerwowym, z jakiejkolwiek perspektywy, będzie niewystarczające, niepełne - w końcu jeszcze tylu rzeczy nie wiemy, a zarazem obszar nauk związanych z mózgiem wydaje się nie kończyć. W moim odczuciu bowiem neurobiologia dotyczy także każdego układu żywego organizmu. To wiąże się również z próbą pojęcia i zrozumienia świadomości, która sama w sobie jest czymś tak bardzo niezidentyfikowanym, eterycznym, a zarazem mocno łączonym z mózgiem.

Napotykanie prac naukowych, które jasno podkreślały możliwość braku istotnych dla funkcjonowania struktur mózgu, również pozostawiało w mojej głowie wiele wątpliwości - no bo o czym ja w zasadzie mówię, jeśli człowiek jest w stanie rozwijać się bez 80% móżdżku, z cienką warstwą komórek pod czaszką, czy świetnie posługiwać się językiem mimo braku kluczowych dla niego obszarów? Nie zawsze wiadomo nawet, czego się można spodziewać, gdy mózg zostanie uszkodzony. Co ciekawe, narząd, od którego przecież zależy odczuwanie bólu w ciele, sam pozbawiony jest receptorów bólowych. Mózg umożliwia czucie wszystkiego - z wyjątkiem samego siebie. Podobnie jak oko, które nie jest w stanie zobaczyć samo siebie.

Ostatnie dekady w neuronauce dostarczyły ogromu informacji, które dziś traktujemy już jako twarde fakty - aksjomaty biologiczne, które pozwalają nam choć w pewnym stopniu zrozumieć fenomen funkcjonowania mózgu. W tej książce próbowałam przedstawić - możliwie zrozumiałym językiem - zarys neurochemii oraz działanie komórek nerwowych, a także tych określonych struktur mózgu, których obecność i aktywność realnie odbijają się na naszym codziennym życiu. Najważniejsze jednak było dla mnie podkreślenie, jak bardzo działanie mózgu zależne jest od czynników związanych z naszymi nawykami, jak istotnie elementy codzienności mogą wpływać na jego funkcjonowanie. Organizm ludzki posiada bowiem nie tylko takie możliwości, jakie daje mu w prezencie genetyka, ale - jak się okazuje - równie cenny jest tu także wpływ stylu naszego życia oraz środowiska, w jakim przebywamy. Mózg jest bowiem tak podatny na zmiany, nowości i utrwalenia jak żaden inny narząd i - jak się szczęśliwie okazuje - może ulegać modyfikacjom przez całe życie. To od nas, od tego, czym - dosłownie i w przenośni - karmimy go codziennie, w ogromnej mierze zależy to, jak funkcjonuje.

Aby w pełni korzystać z mocy urządzeń, musimy choć trochę zrozumieć ich działanie. Podobnie jest z wykonywaniem czynności, w których chcemy być dobrzy - zawsze trzeba zacząć od podstaw. Aby nauczyć się jeździć autem, musimy wiedzieć, jak przyspieszyć i jak skutecznie zahamować. Rozumiemy też, że bez odpowiedniego paliwa nie ruszy ono z miejsca. Dbanie o zdrowie i efektywną pracę mózgu zaczyna się od elementarnego zrozumienia, w jaki sposób działa mózg i jakim zmianom podlega w trakcie życia człowieka.

Modyfikacja naszej diety, zachowania oraz rutyny - i w związku z tym pracy mózgu - ma podstawowe znaczenie dla profilaktyki wielu chorób oraz dla lepszego codziennego funkcjonowania. W ostatnich latach neuronauka cieszy się coraz większą popularnością, podobnie jak jej przełożenie na nasze życie. I chociaż z impetem wkracza w nie sztuczna inteligencja, to jednocześnie coraz bardziej interesuje nas wszystko, co jest związane z optymalizacją pracy ludzkiego mózgu. Jednak przy tak ogromnym napływie informacji, danych, poglądów i często sprzecznych ze sobą nowinek wyciąganie wniosków, które będą rzeczywiście pomocne i zgodne z najnowszymi konkluzjami samych badaczy, może okazać się dość trudne. Dlatego mam nieśmiałą, a zarazem wielką nadzieję, że treści zawarte w tej książce naprawdę okażą się przydatne - dla lepszego poznania mózgu, a tym samym pokochania go i zadbania o niego jeszcze bardziej. W końcu tak naprawdę możemy zrobić o wiele więcej dla poprawienia sprawności mózgu niż jakiegokolwiek innego narządu naszego ciała.

Zacznijmy zatem opowieść - jak to się wszystko z tym mózgiem i w tym mózgu odbywa.

Rozdział I. Neurobiologia

Przyjemność płynąca z poznania to wspaniała sprawa.

Jerzy Vetulani, Ćwiczenia duszy, rozciąganie mózgu

Układ nerwowy - co tam drzemie pod czaszką?

Połączenia, koneksje, prąd i chemia - najistotniejszą cechą układu nerwowego jest zdolność do odbierania i przesyłania bodźców. Co ważne, odbiera on wspomniane sygnały nie tylko ze środowiska zewnętrznego (tutaj pierwsze skrzypce grają zmysły, o których nieco więcej w dalszej części tego rozdziału), a więc jest niejako łącznikiem pomiędzy środowiskiem zewnętrznym a organizmem, ale też z naszego wnętrza (mowa tutaj o sygnałach endogennych i tzw. interocepcji) - układ nerwowy odbiera je od innych narządów czy układów, po czym rozsyła dalej, komunikując, jak się czujemy, czy jesteśmy zmęczeni mięśniowo, czy odczuwamy ból, co dzieje się w trzewiach. Układ ten to również - a może przede wszystkim - mózg, a więc koordynacja wszystkich czynności fizjologicznych, procesów myślowych, stanowienie o naturze człowieka, emocje, równowaga pomiędzy pobudzeniem a uspokojeniem organizmu.

Jak zbudowany jest układ nerwowy? Pod względem wykonywanych czynności i tego, jak odczuwa to organizm, dzieli się go na część somatyczną oraz autonomiczną.

Somatyczna część to ta, której działanie jest zależne od naszej woli. Za jej pośrednictwem odbierane są sygnały zewnętrzne, ze środowiska, i wyzwolona zostaje reakcja na bodziec (na przykład skurcz mięśni).

W części somatycznej znajduje się:

- centralny układ nerwowy (rdzeń kręgowy i mózgowie - mózg, móżdżek i rdzeń przedłużony)

- obwodowy układ nerwowy (usieciowienie nerwowe rozprzestrzeniające się od czaszki, wzdłuż rdzenia do wszystkich narządów). To, co opisałam powyżej, jest podziałem anatomicznym na centralny układ nerwowy oraz obwodowy układ nerwowy. Z kolei część autonomiczna to taka, która odbiera sygnały wewnętrzne z naszych narządów i przede wszystkim działa bez udziału naszej woli (choć oddech szczęśliwie możemy jednak regulować, o czym opowiem później).

Do niektórych funkcji regulowanych przez autonomiczny układ nerwowy należą:

- regulacja skurczów mięśni gładkich (głównie za sprawą acetylocholiny)

- bicie serca

- rozszerzanie i zwężanie się źrenic

- kurczenie się i rozszerzanie naczyń krwionośnych

- tempo i głębokość oddechu

- trawienie

- oczyszczanie wątroby i nerek

- mruganie

- otwieranie i zamykanie gruczołów potowych

- wytwarzanie śliny i łez

- podniecenie seksualne

- oddawanie moczu.

W części autonomicznej układu nerwowego wyróżniamy dwa, niejako przeciwstawne, komponenty:

- współczulny układ nerwowy mobilizujący do działania, pobudzający (sympatyczny - niech nie zmyli nas nazwa, nie ma ona nic wspólnego z sympatycznością i przyjacielskością, tzw. fight or flight or freeze - walcz albo uciekaj, albo zastygnij)

- przywspółczulny układ nerwowy związany z relaksacją i hamowaniem (parasympatyczny, tzw. rest and digest - odpoczywanie i trawienie).

Układ współczulny dominuje w trakcie dnia, w sytuacjach, gdy jesteśmy aktywni. Mobilizuje organizm do zwiększonej aktywności fizycznej, a w sytuacji stresowej - do walki lub ucieczki, stąd jego inne określenie - fight or flight. Zwiększa aktywność mózgu - wpływa na wytwarzanie dopaminy oraz adrenaliny i noradrenaliny. Podnosi także poziom hormonu stresu - kortyzolu. Zwiększa ukrwienie narządów oraz napływ substratów energetycznych do krwi i mięśni (tlen i glukoza). Pobudza czynność wydzielniczą gruczołów potowych i ślinowych, wyostrza zmysły, a jednocześnie zmniejsza intensywność procesów związanych z trawieniem, wydalaniem i pracą nerek. Wszystko po to, aby organizm był maksymalnie gotowy do podjęcia działania, do walki z zagrożeniem. Musi nastąpić pełna mobilizacja energii do przeżycia.

Układ przywspółczulny uspokaja. Zmniejsza aktywność narządów pobudzonych przez nerwy układu współczulnego. Pobudza procesy trawienia i wchłaniania składników pokarmowych do krwi (stąd - rest and digest), stymuluje wchłanianie glukozy z krwi i gromadzenie jej zapasów w postaci glikogenu w wątrobie i mięśniach (glikogenogeneza). Umożliwia uspokojenie organizmu, relaks i jego regenerację. Ma magazynować, budować rezerwy do walki. Jest aktywny, głównie gdy śpimy i odpoczywamy oraz po posiłku. Związany jest z nerwem błędnym, który wędruje po organizmie, unerwiając narządy wewnętrzne. W zakończeniach neuronów układu przywspółczulnego wydzielana jest acetylocholina (również przez nerw błędny). Układ ten reguluje głównie czynności niezależne od naszej woli i jest związany z neuroprzekaźnikami - GABA, acetylocholiną i serotoniną.

Nie sposób mówić o układzie przywspółczulnym, nie wspominając nieco więcej o nerwie błędnym, czyli rozpoczynającym się w pniu mózgu, dziesiątym, najdłuższym nerwie czaszkowym. Prowadzi on włókna czuciowe, ruchowe i przywspółczulne. To jedyny nerw, który wychodzi z pnia mózgu i biegnie przez całe ciało. Jego działanie jest naprawdę fascynujące i niezwykle rozległe (jak sama nazwa wskazuje - błądzi on po naszych trzewiach, komunikując ciało z układem nerwowym). Odpowiada za komunikację impulsów nerwowych z narządami ciała i reprezentuje większość całego układu przywspółczulnego. Nerw błędny (właściwie nerwy błędne, ponieważ są to dwie sparowane struktury, każda po jednej stronie ciała) odpowiedzialny jest za regulowanie kontroli nad sercem, płucami, mięśniami gardła i dróg oddechowych, wątrobą, żołądkiem, pęcherzykiem żółciowym, śledzioną, nerkami, jelitem cienkim oraz częścią jelita grubego. Obecnie dużo mówi się na temat mikrobioty jelitowej, kondycji naszych jelit w związku z całościowym zdrowiem organizmu (zarówno na poziomie psychicznym, jak i fizycznym) - to właściwie nerw błędny jest bezpośrednim połączeniem pomiędzy mózgiem a mikrobiomem jelit i jelitowym układem nerwowym. Stanowi kluczową ścieżkę komunikacji - informuje układ nerwowy na temat trawienia, statusu substancji odżywczych i nieustannie zmieniającej się populacji bywalców naszego przewodu pokarmowego (bakterii, wirusów, pasożytów).

Wewnątrz pnia mózgu znajdują się różne skupiska ciał komórek nerwowych, zwane jądrami. Tutaj neurony otrzymują informacje od innych komórek ciała. Istnieją dwa główne typy neuronów, które wysyłają informacje w dwóch różnych kierunkach, trochę jak operator techniczny. Pierwszy typ to tzw. neurony aferentne, które otrzymują informacje o tym, co dzieje się w ciele i wokół niego - przesyłają po prostu komunikaty z ciała do mózgu, a informacje te nazywane są informacjami aferentnymi. Drugi rodzaj to neurony eferentne, wysyłające - jak sama nazwa wskazuje - informacje eferentne (związane z ruchem) z mózgu do ciała: do różnych organów i struktur w organizmie. Nerw błędny połączony jest z czterema różnymi jądrami w pniu mózgu. Aż 80% informacji przekazywanej przez ten najdłuższy nerw czaszkowy to informacje aferentne, co oznacza, że najczęstszym kierunkiem przepływających w nim informacji jest kierunek z narządów ciała do mózgu.

Nerw błędny dzieli się na dwie części: brzuszną oraz grzbietową. Gałąź grzbietowa jest filogenetycznie (rozwojowo) starsza i obecna już u wczesnych kręgowców. Otrzymuje oraz przekazuje informacje z trzewi. Uruchamia strategię obronną w postaci zamarcia i zamknięcia się (zamrożenia) - immobilizacji systemu nerwowego. Warto wspomnieć, że zamrożenie jest również jedną ze strategii przeżycia oraz efektem otrzymania przez układ nerwowy ogromnego bodźca stresowego. Część brzuszna nerwu błędnego to system charakterystyczny wyłącznie dla ssaków, rozwinął się około 80 milionów lat temu i osiągnął najwyższą doskonałość u naczelnych. Okazało się także, że część grzbietowa i część brzuszna nerwu błędnego biorą swój początek w innych częściach mózgu i rdzenia przedłużonego, biegną innymi drogami i pełnią różne funkcje. Co więcej, część brzuszna posiada izolację w postaci osłonki mielinowej, co usprawnia szybsze przewodzenie impulsów, podczas gdy część grzbietowa, ewolucyjnie starsza, jest niezmielinizowana.

Prawidłowe funkcjonowanie nerwu błędnego ma duży wpływ na utrzymanie równowagi emocjonalnej, funkcji społecznych i wyrażanie emocji. Równowaga pomiędzy dwiema gałęziami autonomicznego układu nerwowego jest niezbędna do zdrowego życia, a nadmierna aktywność jednej z gałęzi może prowadzić do znaczącej utraty funkcji w drugiej gałęzi. Ponadto nerw błędny odgrywa niejako rolę bardzo ważnego pośrednika pomiędzy układem odpornościowym a nerwowym. Taki alternatywny mechanizm pobudzania OUN przez układ odpornościowy zaproponowała w 1995 roku Linda Watkins wraz ze swoimi współpracownikami. Dziś wiadomo już, że na obwodowych zakończeniach nerwu błędnego ma miejsce ekspresja receptorów dla mediatorów odpowiedzi zapalnej, na przykład interleukiny IL-1?, zaś obwodowe podanie IL-1? powoduje indukcję ważnego dla odpowiedzi immunologicznej białka c-Fos w neuronach nerwu błędnego. Przypuszcza się także, że mediatory stanu zapalnego przedostają się do krwi i pośrednio, oddziałując na komórki śródbłonka naczyń włosowatych mózgu, przekazują do nich sygnał o zagrożeniu. W odpowiedzi na sygnał chemiczny komórki te uwalniają prostaglandyny mające zdolność do przekraczania bariery mózgowej i aktywowania ośrodkowego układu nerwowego. Udział nerwu błędnego w procesie komunikacji układu odpornościowego z układem nerwowym wydaje się po prostu niezaprzeczalny. Hipotezę tę wzmacnia fakt, że część efektów fizjologicznych - hormonalnych i neurochemicznych - wywołanych infekcją lub stanem zapalnym, jest w znacznym stopniu zahamowana po przeprowadzeniu wagotomii podprzeponowej (przecięcia włókien nerwu błędnego). Wspomniane efekty są także nieodłącznymi składowymi aktywacji układu odpornościowego w sytuacji toczącego się procesu chorobowego. Co ważne, nie jest to jednak tak proste, jak mogłoby się wydawać - wagotomia nie jest w stanie całkowicie zablokować efektów pobudzenia układu odpornościowego. Przerwanie nerwu błędnego nie zapobiega także całkowicie wzrostowi stężenia glikokortykoidów (do których należy kortyzol - hormon stresu) w surowicy krwi, a jedynie w znacznym stopniu je obniża. Wiemy bowiem, że relacje pomiędzy stresem a układem odpornościowym są po prostu niepodważalne (psychoneuroimmunologia). Dlatego środowiska naukowe podkreślają, że nerw błędny jest, choć bardzo ważną, to tylko jedną z wielu dróg umożliwiających łączność pomiędzy układem odpornościowym i układem nerwowym.

Nerwy części współczulnej i przywspółczulnej układu wegetatywnego unerwiają te same narządy, ale działają względem siebie antagonistycznie! I właśnie równowaga pomiędzy działaniem tych układów jest KLUCZEM do utrzymania zdrowego balansu, tzw. homeostazy organizmu, warunkującego zdrowie emocjonalne i fizyczne (psychofizyczne). Trzeba być gotowym do boju i przywrócić potem wewnętrzny spokój, aby znów prawidłowo zareagować na bodziec. Musi się to równoważyć. Jak yin i yang. Organizmy wszystkich istot żywych dążą do takiego stanu biologicznego.

Neurony, czyli kilka zdań o skali molekularnej

Dojrzały mózg to około 90 miliardów neuronów. A to dopiero początek, ponieważ wszystkie mogą tworzyć połączenia (synapsy) z ogromną liczbą innych komórek nerwowych. Każdy neuron styka się bowiem z 10-50 tysiącami innych neuronów, tworząc w ten sposób niewyobrażalne liczby sieci połączeń, które powstają przede wszystkim wskutek uczenia się, poznawania i doświadczania. W związku z tym w ludzkim mózgu istnieją biliony synaps, które umożliwiają codzienne pojawianie się tysiąca myśli i konsolidowanie setek megabajtów danych. Można zatem śmiało stwierdzić, że jesteśmy w pewnym stopniu kreatorami naszego mózgu, jego funkcjonalności - w zależności od tego, jak będziemy o niego dbać i ćwiczyć, tyle połączeń neuronalnych będzie miało szansę się wytworzyć (lub niepotrzebnych - zniknąć).

Wcześniej powszechnie uważano, że mózgowie człowieka zawiera około 100 miliardów neuronów i co najmniej dziesięć razy więcej komórek glejowych. Liczbę neuronów przyjmowano zwykle jako miernik "mocy obliczeniowej", stąd także mózgowie człowieka było uznawane za najbardziej zdolne poznawczo wśród mózgów ssaków. Okazało się jednak, że liczby komórek nie znaczą wcale tak dużo, jak mogłoby się wydawać. Mózg dorosłego człowieka zawiera średnio 86,1 ? 8,1 miliardów neuronów oraz bardzo zbliżoną liczbę komórek glejowych. Zaskakujące było także odkrycie, że chociaż 82% masy mózgu człowieka stanowi kora (łącznie istota szara i biała), to 16 miliardów neuronów kory stanowi tylko 19% wszystkich neuronów w mózgu. Z kolei w móżdżku, który stanowi tylko 10% masy mózgu, zawarte jest aż 69 miliardów neuronów (80% wszystkich neuronów mózgu).

Ważne - neurony nie dzielą się w ciągu swojego życia, są tzw. komórkami postmitotycznymi (ale mogą wejść w tzw. fazę G0, będącą formą "stanu spoczynku", w którym komórki przebywają, dopóki nie otrzymają odpowiednich sygnałów - na przykład od czynników wzrostu). W przeciwieństwie do komórek glejowych, które ulegają podziałom i niestety mogą podlegać nieprawidłowościom podziałowym, gdy maszyneria komórkowa ulega dysfunkcji, może dojść do nowotworzenia. Glejaki, czyli guzy mózgu, mają właśnie pochodzenie glejowe. To, jaki los spotka komórkę neuronalną wytworzoną z komórki macierzystej, w dużej mierze zależy od ekspresji określonych białek, sygnalizacji chemicznej wydzielanej przez sąsiednie komórki. Do narodzin neuronów i ich kształtowania się wrócimy jeszcze przy okazji neuroplastyczności i neurogenezy.

Komórka nerwowa składa się z ciała komórki (tzw. perikarionu) oraz wypustek cytoplazmatycznych odpowiedzialnych za połączenia z innymi neuronami. Miejsce stykania się tych wypustek nazywamy synapsami (w tej książce skupiam się na synapsach chemicznych), wypustki to zaś aksony i dendryty. Dendryty/drzewka dendrytyczne i wyrastające na nich tzw. kolce dendrytyczne (opisane po raz pierwszy przez Santiago Ramón y Cajala w 1898 roku) umożliwiają neuronom komunikację i odpowiadają za formowanie się pamięci. To wypustki, które odbierają sygnały pobudzające od innych neuronów przez synapsy znajdujące się na ich szczycie. Kolce dendrytyczne są niezwykle plastyczne. Ich liczba, rozmiar i kształt zmieniają się w krótkim czasie, co jest związane z procesem uczenia się, zapamiętywania i poznawania nowych środowisk. Ponad 90% synaps pobudzających w układzie nerwowym znajduje się właśnie na kolcach dendrytycznych.

Wiadomo, że mózgi osób dotkniętych chorobą Alzheimera i depresją cechuje znacznie mniejsza liczba dendrytów. Ich deprywacja pojawia się także w wyniku ograniczania bodźców, kontaktów społecznych, aktywności intelektualnej oraz przewlekłej samotności. Po prostu zmniejsza się pole odbioru sygnału nerwowego. Mózg przestaje się ze sobą prawidłowo komunikować. Co ciekawe, u osób ze spektrum autyzmu również obserwuje się nieprawidłowe wykształcanie synaps (dochodzi do zaburzonego cięcia synaptycznego i po prostu mamy do czynienia z nadmiarem połączeń neuronalnych siejących chaos). Stąd obserwuje się tutaj zaburzoną komunikację neuronalną i zaburzenia w neuroprzekaźnictwie.

Bardzo ciekawą cechą molekularną neuronów jest występowanie w ich wnętrzu tzw. ziarnistości Nissla, czyli struktur gęsto pokrytych rybosomami (dzięki nim dochodzi do produkcji białek w komórkach). Ich obecność odzwierciedla zdolność neuronów do utrzymywania bardzo szybkiego tempa syntezy białek - i tego, jak dużo się w nich dzieje.

Istnieją potężne różnice w rozmiarach różnych typów komórek nerwowych u rozmaitych gatunków zwierząt. Ciało komórkowe typowego neuronu człowieka ma średnicę około 20 ?m. Jednak pojawia się tutaj znaczna różnorodność - najmniejsze neurony mają średnicę około 5 ?m, a te największe - około 120 ?m. Ludzkie aksony (czyli włókna nerwowe) mają średnicę w granicach od 0,2 do 20 ?m (u bezkręgowców nawet do 1 mm), a ich długość waha się od kilku ?m do kilku... metrów. Różnice w długości aksonu stały się z kolei podstawą wyodrębnienia dwóch typów komórek nerwowych, tzw. neuronów projekcyjnych oraz interneuronów (neuronów wstawkowych). Pierwsze mają długie aksony pozwalające na przekazywanie informacji na znaczne odległości. Drugie charakteryzują się krótkimi aksonami, umożliwiającymi przesyłanie impulsów nerwowych tylko w obrębie tej samej struktury (głównymi interneuronami w układzie nerwowym są neurony związane z hamowaniem, z działaniem neuroprzekaźnika GABA).

Transmisja - słowo klucz

Najważniejszą cechą neuronu jest zdolność do wytwarzania i przetwarzania następujących po sobie impulsów nerwowych, czyli powiadamiania innych komórek nerwowych, że "coś się dzieje". Bardzo często w tej książce podkreślam istotę i rolę błony komórkowej neuronu, czyli dwuwarstwy lipidowej, która jest absolutnie niezbędna do wspomnianego przesyłania informacji pomiędzy komórkami nerwowymi. Do samego powstania impulsu niezbędne jest wytworzenie tzw. potencjału czynnościowego (zmiana umiejscowienia jonów na zewnątrz i wewnątrz komórki). W przypadku pobudzenia komórki nerwowej odpowiednim bodźcem (elektrycznym, chemicznym lub mechanicznym) inicjuje się proces depolaryzacji, co prowadzi do powstania impulsów.

Polaryzacja umożliwia zatem pobudliwość i działanie komórek, czyli zdolność do reakcji na bodźce. Jak to się dzieje? Między zewnętrzną a wewnętrzną powierzchnią spolaryzowanej błony występuje nierównomierne rozmieszczenie jonów, czyli cząstek obdarzonych ładunkami: na zewnątrz komórki jest więcej jonów dodatnich (na przykład Na+), wewnątrz - ujemnych (na przykład Cl-). Bodziec chemiczny, elektryczny lub mechaniczny może powodować przemieszczenie jonów i wyrównanie stężeń (proces depolaryzacji błony, powstanie potencjału czynnościowego). Co ważne, jak zwykle kluczowa jest tu równowaga. Przywrócenie wartości potencjału stacjonarnego - nierównego rozkładu jonów (na przykład sodu i potasu lub chloru), jest możliwe dzięki stałemu działaniu pompy sodowo-potasowej, która transportuje jony sodu na zewnątrz, a jony potasu K+ do wnętrza komórki (następuje wtedy tzw. repolaryzacja).

Synapsa chemiczna

Impuls, docierając do zakończenia aksonu (i ostatecznie do miejsca komunikacji komórek - do synapsy), powoduje otwarcie kanałów jonowych i następuje uwolnienie neuroprzekaźników z tzw. pęcherzyków synaptycznych, znajdujących się w błonie komórkowej (nazywanej tutaj presynaptyczną, ponieważ znajduje się przed synapsą), do przestrzeni synaptycznej. Gdy ich cząsteczki dotrą do błony postsynaptycznej (i określonych dla danego związku receptorów), otwierają się kanały jonowe w drugiej komórce nerwowej i wytwarza się kolejny potencjał czynnościowy (po przekroczeniu wartości progowej, dlatego ta depolaryzacja musi być odpowiednio silna).

Depolaryzacja błony komórkowej

Zmiana potencjału z -80 mV do +10 mV spowodowana napływem jonów sodowych do komórki, co prowadzi do jej pobudzenia.

Hiperpolaryzacja błony komórkowej

Krótkotrwały stan nadmiernej polaryzacji błony komórkowej; błona osiąga wtedy potencjał ok. -80 mV i nie jest zdolna do przewodzenia impulsu.

To proste: aby zaszła polaryzacja, musi zajść depolaryzacja. Aby odczuć sygnał, musi być jego chwilowy brak.

Mózg na fali, czyli falowa aktywność mózgu

W jaki sposób możemy zobaczyć przepływający prąd i potencjał czynnościowy pomiędzy neuronami oraz śledzić aktywność mózgu? To właśnie fale mózgowe stanowią obraz tej elektryczności, a ich charakter uzależniony jest od wykonywanej w danej chwili czynności, pory dnia. Stan psychiczny człowieka, intensywność skupienia są niezwykle zależne od ich częstotliwości. Fale te rejestruje się za pomocą aparatu zwanego elektroencefalografem (EEG). Posiada on kilkanaście elektrod, które przyłącza się do skóry, i z jego pomocą mierzy się częstotliwość i amplitudę - liczba impulsów na sekundę i wielkość zmian napięcia w mózgu. Za pomocą EEG sygnały przechodzą do komputera i są analizowane pod kątem amplitudy drgań i ich częstotliwości. Stosuje się tutaj także analizę aktywności elektrycznej mózgu metodą ilościową, tzw. QEEG. Dzięki niej możliwy jest zapis EEG nie tylko jako fal, ale też oddanie ich kształtów oraz amplitud podczas wykonywania konkretnej czynności. Surowy sygnał EEG zostaje przekształcony w sposób ilościowy za pomocą funkcji matematycznej Fouriera (ang. Fast Fourier Transform - FFT), dzięki czemu specjalista diagnozujący znacznie łatwiej może zaobserwować wszelkie odchylenia od normalnej aktywności mózgu.

Do rodzajów fal mózgowych należą: alfa, beta, gamma, theta i delta. Musimy pamiętać, że wraz z wiekiem podlegają one zmianom, a ich charakter nie jest stały. Co bardzo ważne - niezależnie od swej częstotliwości wszystkie fale mózgowe pełnią w organizmie ważną funkcję i współistnieją ze sobą w określonych obszarach mózgu. Dzięki nim możemy wprowadzać się w stan relaksu, spać, a także skupiać na czymś znaczną uwagę. Ich rejestracja umożliwia także efektywne diagnozowanie uszkodzeń i dysfunkcji mózgu, pomaga ustalić stany psychiczne człowieka, które są przypisane do określonych pasm częstotliwości. Obserwowanie fal mózgowych pozwala ocenić, czy mózg jest aktywny, czy znajduje się w stanie kompletnego odpoczynku. Możemy także zdefiniować jego śmierć.

Fale alfa - relaks, ale i czujność

Ich częstotliwość wynosi 7-12 Hz. Fale o tym zakresie są charakterystyczne dla stanu głębokiego relaksu. Obniżoną amplitudę fal alfa odnotowuje się u osób zestresowanych i o podwyższonym stanie niepokoju. Pojawiają się, gdy jeszcze nie śpimy, ale jesteśmy spokojni i odprężeni, na przykład gdy relaksujemy się z zamkniętymi oczami. Sprzyjają kreatywności, ale z kolei ich nadmiar łączony jest z zaburzeniami uwagi. Jeśli natomiast emitowane są w zbyt małym stopniu, obserwuje się obniżenie nastroju i motywacji, taki stan może być także związany z depresją.

Fale beta - skupienie, dzienna aktywność

To najczęściej występująca w ciągu dnia częstotliwość fal mózgowych, która związana jest ze skupieniem i przeżywaniem emocji. Wzrasta podczas logicznego myślenia, gdy uwaga skierowana jest na zadania poznawcze i świat zewnętrzny. Częstotliwość ta wynosi 12-33 Hz. Fale beta pozwalają nam rozwiązywać problemy, wpadać na pomysły, analizować bodźce. Ich zbyt niska emisja związana jest z obniżeniem nastroju i brakiem motywacji, a nadmierna ilość może z kolei wiązać się z odczuwaniem lęku, niepokoju i stresu.

Fale gamma - percepcja, skrajności

Są stosunkowo najmniej zbadane. Ale wiemy, że są najszybszymi z fal mózgowych, ich częstotliwość przekracza 40Hz. Związane są z wydajnym funkcjonowaniem mózgu. Pojawiają się także, gdy odczuwamy skrajne emocje. Fale gamma sprzyjają tworzeniu się skojarzeń i innym procesom poznawczym, a można je znaleźć w każdej części mózgu. Uważa się, że rytm gamma ma związek ze świadomością percepcyjną (dotyczącą wrażeń zmysłowych i ich postrzegania) oraz z tzw. wiązaniem jakości sensorycznych, czyli integracją poszczególnych zmysłów (słuch, dotyk, smak, węch) w jeden postrzegany obiekt (na przykład widzimy i słyszymy mówiącą do nas osobę jako spójną całość). To od nich w dużej mierze zależy styl uczenia się oraz zdolność do przyswajania nowych informacji.

Fale delta - sen głęboki

Są najwolniejsze ze wszystkich fal mózgowych. Charakteryzują się niską częstotliwością, która mieści się w granicach 0,5-4 Hz. Występują podczas głębokiego snu - są niezbędne dla jego głębokości i jakości, stanowią ponad 50% rejestrowanej czynności mózgu. Niemowlęta oraz małe dzieci produkują je w dużej ilości, lecz z wiekiem poziom tych fal w mózgu spada, co wiąże się z obniżoną zdolnością do wypoczynku i krótszym snem. Fale delta mają związek z procesami, które zachodzą w naszym ciele bez udziału świadomości, takimi jak trawienie czy regulacja pracy serca. To pasmo sprzyja regeneracji organizmu. Ich wysoki poziom może jednak świadczyć o uszkodzeniu mózgu.