Nokauto paslaptis: kaip veikia mechaninės smegenys

Vienas iš pirmųjų dalykų, kuriuos Williamas „Jamie`is“ Tyleris padarė mums susitikus, tai parodė vaizdo įrašą „vieno iš smarkiausių nokautų bokso istorijoje“. 1990 m. vykusioje dvikovoje, amerikiečių boksininkas Julianas Jacksonas pasiuntė anglų kovotoją Herolą Grahamą į nokautą dešiniu kabliu. H. Grahamas sąmonės neteko dar prieš parkrisdamas ant grindų.

W. Tyleris yra bokso fanas, anksčiau treniravęsis Harvardo Bokso klube. Bet šį įrašą jis man rodo ne dėl to. Kaip Virginia Tech neurologas, W. Tyleris naudoja jį problemos išryškinimui: tokie nokautai mūsų priimtame supratime apie smegenis šiek tiek paslaptingi. Mąstome apie smegenis kaip apie biocheminį ir elektrinį organą, tai kaip toks mechaninis poveikis, kaip smūgis į veidą, sukelia sąmonės praradimą? „Tikrai žinome, kad iš boksininko odinės pirštinės į to žmogaus veidą elektra netekėjo. Tai mechaninio impulso banga ir [štai,] jis be sąmonės,“ sako W. Tyleris. „Žinoma, tai ekstremalus atvejis, bet jis demonstruoja, kokios jautrios smegenys mechaniniam poveikiui.“

Nors niekam nekyla abejonių, kad smegenų ląstelės tarpusavio bendravimui naudoja elektrinius ir biocheminius signalus, W. Tyleris ir kiti mano, kad tai tik dalis paveikslo. Atrodo, neuronai susieti į mechaninį tinklą, panašiai, kaip dantračiai darniai veikiančiame laikrodyje. Tarp jų perduodamos jėgos gali būti mūsų smegenų dar nežinomas būdas saugoti atsiminimus ir greitai prisitaikyti prie naujų aplinkybių – užtikrinant, kad jie visada veiks kaip gerai sutepti mechanizmai.

Tai ne tik galėtų padėti ištirti amžių senumo klausimus, kas verčia mūsų mintis vis eiti ratu, bet ir iš karto siūlo praktinį panaudojimą. Pavyzdžiui, šių mechaninių procesų trikdžių supratimas galėtų padėti išspręsti tam tikrus smegenų pažeidimus. Netgi gali būti įmanoma paderinti smegenų mechaniką garso bangomis, kas leidžia tikėtis neinvazinio tokių sutrikimams, kaip epilepsija gydymo.

Mechaninių smegenų suvokimo šaknys glūdi klaidingose II a. graikų gydytojo Galeno idėjose. Jis iškėlė mintį, kad smegenų skilveliai pumpuoja skysčius per nervus ir taip kontroliuoja kūno funkcijas. Netgi jau XVII a. René Descartes pasiūlė panašią smegenų veiklos teoriją. Tik XVIII ir XIX a. išaiškėjo, kad nervai perduoda elektrinius signalus. Kulminacija įvyko šeštame XX a. dešimtmetyje, kai Alanas Hodgkinas ir Andrew Huxley`is parodė, kaip šie elektriniai signalai, vadinami veikimo potencialai, perduodami nervų gijomis.

Bet maždaug tuo laiku, kai A. Hodgkinas ir A. Huxley`is atlikinėjo savo Nobelio premija įvertintą darbą, ėmė rastis užuominų, kad visgi čia gali būti įsipainioję ir mechaniniai procesai. Pirmoji užuomina radosi iš sepijos nervų stebėjimo, kurie, stimuliuojami silpna elektros srove, susitraukdavo ir išsipūsdavo. Šis atradimas dešimtmečius nepatraukė dėmesio, kol 1980-aisiais, Ichiji Tasaki iš Protinės sveikatos nacionalinio instituto Betesdoje, Merilendo valstijoje su kolegomis išvydo kažką panašaus iš mėlynojo krabo žnyplių išimtame nerve: veikimo potencialui keliaujant nervu, tą patį atliko ir mechaninė banga (Science, vol 210, p 338).

Atradimas padėjo išaiškinti veikiančių neuronų energijos mainus. A. Hodgkinas ir A. Huxley`is sumodeliavo veikimo potencialą kaip elektros grandinę. Tokia grandinė išskiria šilumą, bet eksperimentuose to nebuvo stebima: nervo impulsui sklindant, šiluma neprarandama. Tačiau, jei nervų impulsą laikytume mechanine banga, kurioje šiluma tuo pačiu metu išskiriama ir sugeriama (be vidinių nuostolių), energijos apskaita gražiai susibalansuoja.

Tikriausiai dar svarbiau, tai parodė, jog mūsų nervų sistema ūžia nuo judesių – nors ir nanometrų mastelio, – ruošdama sceną mechaniniam smegenų supratimui.

Lygiai, kaip į mechanines bangas, sklindančias išilgai nervų, mokslininkai pažvelgė į jėgas, perduodamas tarp neuronų sinapsėse. Čia signalai keliauja nuo vieno neurono į kitą, išskirdami jonus ir neurotransmiterius. Šios molekulės pereina tarpelį ir pasiekia grybo pavidalo „spygliuką“ ant kito neurono dendrito. Tada jis perduoda žinutę tolyn, pradėdamas naują aktyvumo grandinę.

Svarbu, kad dendritų spygliukai lankstūs – šis faktas sudomino Francis`ą Cricką, vieną iš DNR struktūros atradėjų. Devintojo dešimtmečio pradžioje jis iškėlė hipotezę, kad neuronams keičiantis informacija, spygliukai gali trūkčioti ir jų formos pokyčiai gali kažkaip keisti tarp dviejų neuronų perduodamų signalų stiprumą. Šie judesiai, jo spėjimu, gali netgi vaidinti vaidmenį kaupiant prisiminimus. Tuo laiku nebuvo technologijos pažvelgti į sinapsių veikimą, bet 1998 m. galingais mikroskopais padarytuose filmuose matėsi, kad dendritų spygliukai išties juda ir keičia formą, būtent kaip F. Crickas ir numatė.

Šį judesį sukeliantys dantračiai ir ratai buvo neaiškūs, bet dešimtmetis tyrimų pasiūlė kelias galimybes, kurias W. Tyleris neseniai paskelbė Nature Reviews Neuroscience straipsnyje (vol 13, p 867). Pavyzdžiui, dabar žinome, kad dendrituose pilna baltymo aktino, galinčio susijungti į didelius polimerus arba suirti į smulkesnius gabalėlius, priklausomai nuo aplinkybių. Šis procesas sukelia jėgas, kurios pakankamai stiprios ne tik palenkti dendrito spygliuką, bet ir susitraukti ar išsiplėsti.

Svarbiausia, dendritų spygliukus vienoje sinapsės pusėje, su aksono terminalu kitoje pusėje sieja lipnių baltymų grandinė. Tai reiškia, kad dendrito spygliukui sujudėjus, sujuda ir aksono terminalas – su potencialiai svarbiomis pasekmėmis. Taheris Saifas iš Ilinojaus universiteto su kolegomis pademonstravo, kad kuo didesne jėga paveikiamas aksono terminalas, tuo daugiau neurotransmiterio molekulių, galinčių keliauti per sinapsę išskiriama. Taip judesiai gali keisti signalo stiprumą ir tuo pačiu, sinapsės plastiškumą – pagrindiniai pokyčiai, galintys būti informacijos kaupimo priemonėmis mokantis ir atsimenant.

Tai dar ne viskas. Gali netgi vykti komunikacija tarp gretimų sinapsių. W. Tyleris pažymi, kad gretimi dendritų spygliukai įsitaisę ant to paties pagrindo iš aktino ir mažų stulpelių, vadinamų mikrotubulėmis, galinčių kaupti energiją kaip spyruoklės. Kai stimuliuojamas vienas spygliukas, jis išskiria chemikalus, pradedančius šios struktūros pokyčius, kurie savo ruožtu pastumia ar patraukia gretimus spygliukus, pakeisdamos jėgų balansą jų sinapsėse.

Kol kas dar niekas neišmatavo šio judesio perdavimo praktiškai, bet yra netiesioginių įrodymų, kad aktinas ir mikrotubulės dėl spygliukų aktyvumo juda – ir šių judesių dydžio ir spartos daugiau nei gana kaimynų pritraukimui ar atstūmimui, sako W. Tyleris. Jei taip, šis mechanizmas pridėtų dar viena signalų kelią, galbūt padedantį sinapsėms koordinuoti savo aktyvumą, mums prisitaikant prie situacijos.

Tokiu būdu kontroliuodami informaciją, šie mechanizmai gali būti itin svarbūs verčiančių smegenis dirbti nervinių tinklų derinimui. Bet užtikrintas išsiaiškinimas bus itin kruopštus darbas – paprastai jėgos veikia vos didesniu, nei 10 µm atstumu. Taigi, norėdami šiomis struktūromis manipuliuoti, neurologai gręžiasi į naujausias technologijas, tokias, kaip magnetinės dalelės ar lazerio spinduliai, galinčias veikti itin mažomis jėgomis.

Tačiau W. Tyleris labiausiai domisi technikomis, galinčiomis padėti suderinti gyvų smegenų mechaniką. Tai prasidėjo nuo sėkmingo atsitiktinio pastebėjimo po bakalauro studijų. Norėdamas pagyvinti ilgas valandas, W. Tyleris leido garsią muziką, su žemų dažnių garsiakalbiais, padėtais šalia neuronų elektrinį aktyvumą įrašančios įrangos. Jis nustebo, pastebėjęs neuronų aktyvumo padidėjimą, kaskart dunkstelint garsiakalbiui. „Matėsi sinapsių veikla, kuri atrodė koreliuojanti su boso garsais,“ prisimena W. Tyleris. „Tai sakė, „Pažvelk! Smegenų audinio mechaninės vibracijos gali sukelti pokyčius nerviniame aktyvume“.“ Bet tai neatrodė verta publikavimo, tad W. Tyleris paliko viską, kaip buvo.

Vadovaudamas savo laboratorijai Arizonos valstijos universitete, W. Tyleris prisiminė tą atvejį. 2008 m. jo komanda paėmė pelės hipokampo gabalėlius ir paveikė juos mažo intensyvumo, žemo dažnio ultragarso bangomis – slėgio bangomis, turinčiomis judinti smegenų mechanines struktūras. Kaip ir įtarta, tai stimuliavo neuronų veiklą ir padidino sinapsių išskirto neurotransmiterio kiekį.

Ultragarso terapija

Tada komanda ėmėsi gyvų pelių. Stimuliuodami motorinus centrus ultragarso pulsais, jie privertė pelę vikstelėti uodega, pajudinti priekines letenėles ir ūselius. Jie netgi implantavo elektrodus į pelės smegenis, siekdami patvirtinti, kad nervinio aktyvumo pakilimai įvyko po stimuliacijos ultragarsu (Neuron, vol 66, p 681).

Rezultatai, panašu, patvirtina įtarimus, kad išorinės mechaninės jėgos gali sutrikdyti smegenų procesus, galbūt pateikdamos atsakymą į bokso nokautų mįslę. Jei mūsų sinapsės ir neuronai suderintos silpnoms mechaninėms jėgoms, tai smūgis į galvą gali sutrikdyti jų signalų perdavimą, priversdamas atverti jonų kanalus ir aktyvuoti receptorius. „Viena teorija yra tokia, kad tai išsyk atveria visus kalio arba natrio kanalus,“ sako W. Tyleris. „Nuo to galite netekti sąmonės.“

Idėja apie mechanines smegenis ima traukti ir kitų tyrėjų dėmesį. Randy`is Kingas, dabar dirbantis JAV Maisto ir vaistų administracijoje neseniai pakartojo W. Tylerio eksperimentą su pelės stimuliavimu ultragarsu, kol dar dirbo Stanfordo universitete Kalifornijoje. Jis įsitikinęs, kad mažas bangų intensyvumas atmeta galimybę, kad ultragarsas veikia smegenis kitu būdu, tarkime, kaitindamas. Išties, turi vykti tikra mechaninė sąveika. „Tai rodo, kad galime aktyvuoti smegenis neinvaziškai. Ir tai būtų nepaprastai svarbu visai neurologijai,“ pažymi R. Kingas.

Viena tokio susijaudinimo priežastis yra galimybė ultragarsu gydyti smegenų sutrikimus. Kitaip, nei gili smegenų stimuliacija, kai naudojami implantuoti elektrodai Parkinsono ligos ir depresijos gydymui, čia operacijos nereikėtų. Šiuo metodu taip pat galima stimuliuoti gilesnes smegenų sritis, nei kitais neinvaziniais metodais – transkranialiniu megnetiniu stimuliavimu ar transkranialiniu stimuliavimu nuolatinės elektros srove. Taip yra, nes magnetinio ar elektrinio lauko perdavimui jie naudoja elektrodus ant skalpo ir todėl abiem šiais metodais pasiekiamos gana negilios sritys.

W. Tyleris kol kas tyrė, ar stimuliavimas ultragarsu gali sustabdyti epileptinius trauklius, kurių metu daug smegenų regionų įsijungia sinchroniškai. Viename iš pirmųjų šios srities eksperimentų W. Tylerio komanda pelėms sukeldavo traukulius prieš ultragarsu paveikdama jų kaukoles. Garso bangos pertraukė sinchronišką sujaudinimą, sustabdydamos traukulius. Jis labai viliasi, kad ši technika galėtų būti panaudota žmonių, patyrusių galvos traumas ir dėl to dažnai kamuojamų traukulių, gydymui. „Kas, jei galėtume sukurti prietaisą, kuris būtų automatinis išorinis defibriliatorius, tiktai smegenims, jų sužeidimo gydymui?“ klausia W. Tyleris. „Tai mano vizija.“

Šis darbas įkvėpė Stuartą Hameroffą išbandyti šią techniką su savimi. Anesteziologas ir sąmoningumo tyrėjas iš Arizonos universiteto Sveikatos mokslų centro Tucsone, S. Hameroffas pirma pasiūlė kolegai, kad jie galėtų išbandyti terapiją chroniško skausmo gydymui. Kolega sutiko, bet su viena sąlyga. „Jis pažvelgė į mane ir tarė, „tavo galvos forma graži, kodėl neišbandžius su tavimi“,“ sako W. Hameroffas.

Nuotaikos pakėliklis

Taip ir padarė. Jie veikė ultragarsu W. Hameroffo smilkinius 15 sekundžių. Iš pradžių nieko nenutiko. „Bet maždaug po minutės pradėjau jausti svaigulį it būčiau išlenkęs taurę martinio, ir jaučiausi tikrai gerai maždaug 2 valandas.“

Tai paskatino pilotines studijas, kuriose 31 žmogui, jautusiam chronišką skausmą, ultragarsu 15 sekundžių buvo veikiama galinė kaktos žievė. Gydymo neskyrė gydytojai, o savanoriai irgi nežinojo ar buvo naudojamas ultragarsas, ar placebas. Veikti ultragarsu pranešė nedidelį skausmo sumažėjimą ir jų nuotaika buvo geresnė 40 minučių po procedūros (Brain Stimulation, vol 6, p 409).

Tačiau netgi ir šiuo atveju W. Tyleris ir R. Kigas sutaria, kad prieš ultragarso naudojimą gydymui, reikia išsiaiškinti saugumo klausimus. R. Kingas mano, kad reikia būti itin atsargiems. „Jei pažeidžiamos smegenys, tai gali būti visam laikui. Tai ne raumuo, kuris po sužeidimo gali sugyti,“ pabrėžia R. Kingas. „Jei kas eisis ne taip, pasekmės būtų liūdnos ir paveiktų visą [tyrimų] sritį.“

W. Tyleris nekantrauja išspręsti šiuos saugumo klausimus kuo sparčiau, kadangi yra įsitikinęs, kad žaidimo su mechaninėmis smegenimis privalumai galėtų plėstis ir už terapinio pritaikymo ribų. Pavyzdžiui, kadangi ultragarsas gali būti tiksliai sufokusuotas, turėtų eiti tyrinėti atskirus mažyčius regionus. Tad, galima paguldyti subjektą į fMRI skenerį ir stimuliuojant kurią nors sritį pamatyti, kaip ji bendrauja su kitomis smegenų dalimis. Tai galėtų pagelbėti kuriant neregėtos raiškos smegenų jungčių ir atskirų regionų funkcijų žemėlapį.

Tačiau kol kas progresas vyko lėtai ir W. Tylerį stabdo didelio projekto finansavimo šaltinių paieškų sunkumai. „Jei nori ką nors pakeisti, gali tai atlikti per 200 metų labai mažais žingsneliais, arba gali per 10 – 15 metų, atlikdamas labai didelius šuolius,“ sako jis. Ir dideli šuoliai yra tai, ko jis siekia. „Gali būti, esame visai šalia technikos, iš naujo aprašysiančios žmogaus neurologijos supratimą.“

Anil Ananthaswamy

New Scientist, №  2932