Rewolucja w anatomii mózgu

Jeden z najwybitniejszych współczesnych neurobiologów, były prezes American Neuroscience Society, przewodniczący komisji bioetyki przy prezydencie USA, Michael Gazzaniga, w swojej książce Human: The Science Behind What Makes Us Unique (Człowiek: Nauka o tym, co czyni nas wyjątkowymi), wydanej w Nowym Jorku w 2008 roku, udowadniając niezwykłość biologiczną człowieka stwierdza: “mamy mózgi większe, niż można tego oczekiwać od małp, mamy korę nową trzykrotnie większą, niż wynika to z naszej masy ciała, mamy więcej istoty białej…” i taka wyliczanka ciągnie się długo. Zdanie Gazzanigi podziela wielu ekspertów.

Obrazek w pełnej rozdzielczości

Oczywiście nasz mózg nie jest największym mózgiem na Ziemi. Ważąc około 1500 g jest mniejszy od mózgu słonia (4800 g) i wielu waleni, takich jak delfina (1600 g), orki (5600 g), płetwala (6900 g), czy kaszalota (7800 g) (http://faculty.washington.edu/chudler/facts.html). Wprawdzie mało wiemy o życiu umysłowym waleni, ale wydaje się, iż posługują się mową posiadającą składnię. O słoniach zaś z całą pewnością możemy powiedzieć, że chociaż bardzo inteligentne, są jednak mniej zaawansowane poznawczo niż ludzie — to my oswajamy słonie i zmuszamy je do pracy, nie one nas. Tak więc ewidentnie nie sama wielkość mózgu świadczy o jego sprawności intelektualnej. Naszą wyższość intelektualną próbuje się więc wyjaśnić stosunkiem masy mózgu do masy ciała (współczynnik encefalizacji), różnicami genetycznymi, oraz osobliwościami na poziomie komórkowym, takimi jak obecność neuronów von Economo (ale okazało się, że występują one również w mózgach słoni i waleni i są prawdopodobnie zaangażowane w życiu społecznym).

Aby uznać mózg ludzki za wyjątkowy, należy wykazać, że przynajmniej pod jednym względem jest wyjątkiem od jakiejś prawidłowości. Wydaje się jednak, że fakt, iż jakieś z praw rozwoju naczelnych nie stosuje się do nas, nie miałby ewolucyjnego uzasadnienia. Wnioskowanie o niezwykłości jest trudne, ponieważ nie mamy pełnej wiedzy o tym, z czego nasz mózg jest złożony, i jak wyglądamy w porównaniu ze słoniami i waleniami. Coraz bardziej wydaje się jednak, że nasz mózg jest fantastycznie sprawny, ale nie różni się w zasadniczy sposób w swoim planie budowy od mózgów innych najinteligentniejszych zwierząt.

Nie znaczy to jednak, że nie warto mózgu stale badać, a także weryfikować pewne ustalone poglądy. W biologii istniały często wierzenia oparte na powtarzaniu niedokładnych spostrzeżeń wielkich autorytetów albo ich mylnej interpretacji. Ciekawie napisała o tym Katrin Weigman w artykule Konsekwencje błędów: Od molekuł pamięci do kryminalnych chromosomów, błędne wnioski wciąż korodują badania naukowe [The consequence of errors. From memory molecules to the criminal chromosome, erroneous conclusions continue to blight scientific research. EMBO Rep. 2005; 6:306], sama jednak nie unikając popularnego błędu: oskarża Arystotelesa o nieprawidłowe obserwacje świata, twierdząc, że z jego winy przez ponad 1000 lat podręczniki zoologii powtarzały, że muchy mają cztery nogi. Ale Arystoteles w De Partibus Animalium wyraźnie pisze, że owady mają sześć nóg, a cztery nogi według niego ma tylko jętka jednodniówka (której samiec faktycznie chodzi na czterech nogach, ponieważ dwie przednie są wyspecjalizowanymi narządami do trzymania samicy w czasie kopulacji, która jest zresztą jedyną czynnością motywującą go do życia, gdyż nie może się odżywiać i ginie w ciągu dnia po wyjściu z poczwarki). Faktem jednak jest, iż powołując się na Arystotelesa, bez liczenia, wierzono przez długi czas, że muchy są czworonożne. Podobnie uczono mnie w szkole, że człowiek posiada zespól 24 par chromosomów. Tak ustalił w roku 1923 amerykański zoolog Theophilus Painter (1889–1969), licząc pod mikroskopem chromosomy w ludzkich spermatocytach i dopiero po ponad 30 latach Joe Hin Tjio (1919–2001), urodzony na Jawie Chińczyk, który po wojnie otrzymał stypendium w Holandii, w czasie zagranicznego pobytu naukowego w Lund na trzy dni przed Bożym Narodzeniem 1955 roku policzył jeszcze raz chromosomy w ludzkiej komórce (w hodowli z płodowej tkanki płucnej) i stwierdził, że jest ich tylko 46. Przy publikacji tego rewelacyjnego wyniku nastąpiła ciekawa kontrowersja: w owych czasach szef laboratorium zawsze wpisywał się do pracy jako pierwszy autor, ale w czasie pobytu Tjio w Lund, dyrektor Instytutu Genetyki, Artur Levan, był na urlopie. Kiedy po powrocie zażyczył sobie należnego mu miejsca, Tjio stanął okoniem: “Jeżeli chcesz być autorem, to sam wykonuj doświadczenia”, powiedział. Były więzień japońskich obozów koncentracyjnych postawił na swoim i został pierwszym autorem doniesienia, cytowanego obecnie: Tjio TH, Levan A.: The chromosome number of man. Hereditas 1956;42:1. (Uwaga: w bardzo instruktywnym tekście seminarium dr Magdaleny Mayer o cytogenetyce, http://test.provide.pl/uploads/media/Cytogenetyka-seminarium.pdf jest literówka w nazwisku: Trio zamiast Tjio — do czego prowadzi korekta automatyczna — co dość poważnie utrudnia poszukiwanie autora w sieci).

Podobną wieczną prawdą było oszacowanie liczby neuronów i komórek glejowych w ludzkim mózgu. Do tej pory powszechnie wierzy się, że mózg ludzki zawiera około 100 miliardów neuronów i dziesięciokrotnie więcej komórek glejowych. Tak podają wszystkie najważniejsze podręczniki neuroscience, w tym biblia neurologów i neurobiologów, podręcznik pod redakcją noblisty, Erica Kandela, Principles of Neural Science i wszystkie jego unowocześnione mutacje.

Tak też przez 18 lat, do kwietnia tego roku, uczyłem amerykańskich studentów na kursie neuroscience, a także wielu moich studentów na Uniwersytecie Jagiellońskim, Uniwersytecie JP2, czy mojej macierzystej szkole wyższej im. J. Dietla, która przyjęła mnie na pełny etat, kiedy polskie przepisy emerytalne zmusiły mnie do poszukiwania niepaństwowego pracodawcy mogącego zaoferować takie zatrudnienie.

Nie mam się czego wstydzić — wszyscy poważni neurobiolodzy do niedawna wierzyli, że liczba neuronów w mózgu jest znana i wynosi te magiczne sto miliardów, i że stanowią one tylko około 10% komórek w naszym mózgu. Ta ostatnia ocena wynikała z histologicznych badań w jądrach podkorowych: we wzgórzu Pakkenberg i Gundersen wykazali, że na jeden neuron przypada 17 komórek glejowych, a w gałce bladej — 12. Dopiero najnowsze badania, w latach 2006 i 2008, sugerowały, że komórek glejowych w istocie szarej w korze mózgowej jest niewiele więcej niż neuronów, a w móżdżku jest więcej neuronów niż komórek glejowych.

Wciąż jednak brakowało bezpośrednich danych o liczbie wszystkich neuronów i komórek glejowych w całym mózgu, a sprawa ich liczby jest dość istotna. Uważa się bowiem, że liczba neuronów i ich względne rozmieszczenie w poszczególnych częściach mózgu wyznacza sprawność procesów umysłowych i — w konsekwencji — determinuje zachowanie. Wśród ssaków gatunki o dużych mózgach (naczelne, walenie) mają znacznie większe możliwości poznawcze i zdolności do adaptacji niż gatunki o mózgach małych, jak owadożerne. Podobnie wśród ptaków za najinteligentniejsze uważane są krukowate, papugi i sowy, obdarzone stosunkowo wielkimi mózgami.

Badania nad inteligencją ssaków wykazały, że inteligencja danego gatunku jest skorelowana z bezwzględną wielkością mózgu i szybkością przewodzenia sygnałów, ponieważ stanowi to podstawę przetwarzania informacji. Jest to jednak prawda tylko w obrębie danego rzędu. Wielkie małpy mają mózgi nieco mniejsze niż wielkie kopytne (koń — 532 g, krowa — 425–458 g, żyrafa — 680 g, szympans — 420 g, orangutan — 370 g, goryl — 465–540 g), a są od nich znacznie sprawniejsze poznawczo. Nawet makaki z mózgiem ważącym około 87 g są znacznie inteligentniejsze od krów i koni. Ewidentnie mózg naczelnych jest lepiej zorganizowany od mózgu kopytnych.

Podobnie wygląda porównanie naczelnych z gryzoniami. Największy żyjący gryzoń, południowoamerykańska kapibara, mimo tego że ma mózg o wadze 76 g, jest absolutnie głupsza od małpy kapucynki, której mózg waży tylko 53 g.

Obrazek w pełnej rozdzielczości

Dopiero dwa lata temu badania młodej brazylijskiej uczonej, Suzany Herculano-Houzel, pozwoliły na poznanie rzeczywistej liczby komórek nerwowych i glejowych w mózgu człowieka i wielu innych zwierząt. Jak zwykle w nauce postęp osiągnięto dzięki nowej metodzie: badaczka opracowała technikę wyznaczania liczby komórek w całym mózgu. Metoda ta, nazwana frakcjonacją izotropową, polega na przygotowaniu homogennej “zupy” z utrwalonego w całości mózgu. Utrwalony aldehydem mózg homogenizuje się w całości (lub homogenizuje się określoną strukturę), homogenat wiruje, jądra z osadu zawiesza w buforowanym roztworze soli z dodatkiem 1% DAPI (dwuchlorowodorku 4’6-dwuamidyno-2-fenyloindolu), fluorescencyjnego barwnika swoistego dla DNA. Fluoryzujące jądra liczy się w określonej objętości.

Suzana Herculano-Houzel

Po ustaleniu całkowitej liczby jąder komórkowych pobiera się niewielkie próbki i barwi swoiście na jądra neuronalne przy użyciu antygenu jąder neuronalnych NeuN, i tak znalezioną liczbę neuronów odejmuje się od całości, uzyskując wartość gęstości komórek nieneuronalnych, które prawie w całości są komórkami glejowymi [Herculano-Houzel S, Lent L. Isotropic fractionator: a simple, rapid method for the quantification of total cell and neuron numbers in the brain. J Neurosci 2005;25: 2518].

Zastosowanie tej metody pozwoliło zrewidować dotychczasowe poglądy na budowę mózgu ludzkiego. Wyniki przedstawiają się następująco:

Masa mózgu — 1508 g
Całkowita liczba neuronów — 86 miliardów (a nie 100)
Całkowita liczba pozostałych komórek — 85 miliardów (a nie 700)
Masa kory mózgowej — 1233 g
Neuronów w korze mózgowej — 16 miliardów (a nie 23)
Względna wielkość kory mózgowej — 82% masy mózgu
Wzgl. liczba neuronów kory mózgowej — 19% neuronów mózgu
Masa móżdżku — 154 g
Liczba neuronów w móżdżku — 69 miliardów
Względna wielkość móżdżku — 10% masy mózgu

[Herculano-Houzel S: The human brain in numbers: a linearly scaled-up primate brain. Frontiers in Human Neuroscience 2009, 3, 31]
Prasę najbardziej zadziwił fakt, że neuronów w mózgu mamy o 14% mniej, niż sądzono. Co więcej — w korze mózgowej jest ich o 30% mniej. Dla mnie jednak rewolucyjnym jest stwierdzenie, że mamy w mózgu tylko 85 miliardów — nie wiele więcej niż jedną dziesiątą tego, co uważaliśmy za wartość rzeczywistą.

Jak wpłynie to na nasza wiedzę o mózgu? Może same takie dane to tylko zabawa dla statystyków. Ale fantastyczne wnioski nasuwają się po przeglądnięciu wyników badań porównawczych. Z badań Herculano-Houzel wynika, że różnice sprawności mózgu owadożernych, gryzoni i ssaków są związane z liczbą neuronów. Omawiana olbrzymia kapibara dysponuje mózgiem zawierającym około 1600 milionów neuronów, a kapucynka w swym o 30% mniejszym mózgu ma ponad dwukrotnie więcej neuronów (3690 milionów). Mózgi gryzoni wydają się mieć słabsze unerwienie nawet w porównaniu z mózgami owadożernych — kret ma mniej więcej tyle samo neuronów w mózgu, co szczur, ale mózg kreta jest o połowę mniejszy.

Odpowiadając na pytanie, czy mózg ludzki jest wyjątkowy, Herculano-Houzel zrobiła jeszcze jedno porównanie: sprowadziła do wspólnej skali mózg standardowego gryzonia i standardowego naczelnego, ustalając ich masę na 1500 g.  Tabela przedstawiająca porównanie standardowych zwierząt i człowieka wygląda następująco:

MÓZG	Gryzoń	Naczelny	Człowiek
Masa mózgu (g)	1500	1500	1508
Liczba neuronów (mld)	12	93	86
Liczba nieneuronów (mld)	46	112	85
KORA MÓZGOWA
Masa kory mózgowej (g)	1154	1412	1233
Liczba neuronów (mld)	2	25	16
Względna masa (% masy mózgu)	77	94	82
Względna liczba neuronów (% wszystkich neuronów)	17	27	19
MÓŻDŻEK
Masa móżdżku (g)	133	121	154
Liczba neuronów (mld)	10	61	69
Względna masa (% masy mózgu)	9	8	10

Według Suzany Herculano-Houzel, te wyniki pokazują, że jedyną rzeczą wyjątkową w naszym mózgu są jego rozmiary — jest on typowo małpi, tylko bardzo duży.

Patrząc na tę tabelkę zastanawiam się, czy piękna Brazylijka ma w pełni rację. W porównaniu ze standardową supermałpą mamy nieco mniejszą i uboższą w neurony korę mózgową, ale za to mamy o 27% większy móżdżek, a w nim o 13% więcej neuronów. A znów wbrew temu, co myślano, móżdżek służy nie tylko do kontroli równowagi i ruchów gałek ocznych, nie tylko do koordynacji i planowania ruchów, ale jego aktywność jest zaangażowana w wiele domen poznawczych, a uszkodzenia mogą skutkować wystąpieniem tzw. poznawczego defektu afektywnego. Móżdżek koordynuje werbalną pamięć roboczą, związany jest z fluencją ruchów, mowy i myśli, a w schizofrenii obserwuje się jego uszkodzenia. Nie sądzę, żeby trzeba było teraz dokładniej rozpisywać się o tej dotychczas niedocenianej części mózgu, ale nasuwa się pytanie, czy fakt, że w rywalizacji o miejsce na Ziemi wyeliminowaliśmy naszego kuzyna, Neandertalczyka, który miał wyraźnie większy mózg niż my, nie mógł się łączyć z tym, że nasz móżdżek był nieco sprawniejszy?

~ - autor: vetulani w dniu 21 Maj, 2012.