Φως στα μυστικά του εγκεφάλου

Από τα λεπτομερή σκίτσα των νευρικών κυττάρων που παρατηρούσε στο μικροσκόπιο ο εμβληματικός ισπανός παθολογοανατόμος Ραμόν ι Καχάλ (Ramon y Cahal, 1852-1934 ) μέχρι τις εικόνες που λαμβάνονται με τις σύγχρονες απεικονιστικές τεχνικές και την εφαρμογή εξελιγμένων τεχνικών μοριακής βιολογίας, οι επιστήμονες συνεχίζουν να αναζητούν τα μυστικά της δομής και της λειτουργίας του ανθρώπινου εγκεφάλου. Σταχυολογήσαμε σήμερα μερικά από τα πλέον πρόσφατα (όλα μέσα στο 2018) που αποδεικνύουν πόσο δρόμο έχουμε διανύσει, αλλά ταυτόχρονα και πόσα ακόμη έχουμε να μάθουμε για το πολυπλοκότερο όργανο που δημιούργησε η εξέλιξη.

Δεν χρειάζεται να είναι κανείς επιστήμονας για να γνωρίζει ότι ο εγκέφαλός μας έχει όψη που παραπέμπει σε καρύδι: διαθέτει δύο ημισφαίρια και η επιφάνειά του δεν είναι λεία, αλλά αυλακώνεται από μικρές χαράδρες οι οποίες δημιουργούνται κατά τη διάρκεια της εμβρυογένεσης. Το πόση σημασία έχουν οι αυλακώσεις του εγκεφάλου στη λειτουργικότητά του αποδεικνύεται από το γεγονός ότι τα μωρά που γεννιούνται χωρίς αυτές πάσχουν από βαριές αναπτυξιακές βλάβες και έχουν περιορισμένο χρόνο ζωής. Υπάρχει μάλιστα και ονομασία αυτής της γενετικής ασθένειας που εμφανίζεται με συχνότητα μία φορά ανά τριάντα χιλιάδες γεννήσεις, ονομάζεται «σύνδρομο του λείου εγκεφάλου».

Το γονίδιο στου οποίου τις μεταλλάξεις οφείλεται το σύνδρομο του λείου εγκεφάλου ονομάζεται LIS1 και εντοπίστηκε από ισραηλινούς ερευνητές του Ινστιτούτου Weizman το 1993. Από τότε, η ερευνητική ομάδα του καθηγητή Orly Reiner που το ανακάλυψε μελετά (μεταξύ άλλων) τη δράση του γονιδίου αυτού. Από τη δουλειά τους γνωρίζουμε σήμερα ότι το γονίδιο εμπλέκεται στη μετανάστευση των νευρικών κυττάρων κατά τη διάρκεια της εμβρυογένεσης, αλλά και στη ρύθμιση του κυτταροσκελετού (ο οποίος είναι υπεύθυνος για τη διατήρηση, αλλά και τις μεταβολές του σχήματος των κυττάρων).

Πώς όμως σχηματίζονται οι αύλακες του εγκεφάλου; Και πώς συμβάλλει σε αυτή τη διαδικασία το γονίδιο LIS1; Προκειμένου να απαντήσουν σε αυτά τα ερωτήματα, οι ισραηλινοί ερευνητές κατέφυγαν σε μια πολύ πρωτοποριακή τεχνική η οποία ονομάζεται brain on a chip (εγκέφαλος σε ένα τσιπάκι). Η τεχνική αυτή συνίσταται στην καλλιέργεια βλαστικών κυττάρων υπό συνθήκες τέτοιες που να δημιουργούνται δομές που προσομοιάζουν στον ανθρώπινο εγκέφαλο και έχει πρωτοαναπτυχθεί από ιάπωνες και αυστριακούς ερευνητές. Βελτιστοποιώντας την τεχνική αυτή, οι ισραηλινοί επιστήμονες μπόρεσαν να δημιουργήσουν εγκεφαλικό ιστό ο οποίος θύμιζε λιγάκι τις γνωστές μας αραβικές πίτες, με δύο λεπτά κυτταρικά στρώματα πάνω και κάτω και ένα κενό στη μέση. Η λεπτότητα της κατασκευής ήταν καθοριστικής σημασίας για τον πειραματισμό τους καθώς επέτρεπε την παρατήρηση της ανάπτυξης του ιστού σε πραγματικό χρόνο, αλλά και τη μέτρηση των φυσικών ιδιοτήτων μεμονωμένων κυττάρων. Ετσι διαπιστώθηκε ότι ο ιστός άρχισε από τη δεύτερη εβδομάδα της καλλιέργειας να αναπτύσσει αύλακες, οι οποίες στη συνέχεια βάθαιναν. Οπως εξηγούν οι ισραηλινοί επιστήμονες στο άρθρο τους, που δημοσιεύτηκε στην επιθεώρηση «Nature Physics», οι αύλακες είναι προϊόντα μηχανικής πίεσης η οποία ασκείται αφενός από τις συσπάσεις του κυτταροσκελετού των εσωτερικών κυττάρων (και εδώ εμπλέκεται το γονίδιο LIS1) και αφετέρου από την αύξηση των πυρήνων των εξωτερικών κυττάρων της «πίτας». Με άλλα λόγια, οι αυλακώσεις δημιουργούνται επειδή το εξωτερικό της πίτας εκτείνεται με μεγαλύτερη ταχύτητα από το εσωτερικό της.

Η σύγκριση των ιστών που δημιουργούνται από υγιή βλαστικά κύτταρα και βλαστικά κύτταρα που φέρουν μεταλλαγμένο LIS1 έπεισε τους ερευνητές ότι η μηχανική πίεση που ασκείται στον αναπτυσσόμενο εγκέφαλο και η οποία επιτυγχάνεται μέσω του ελέγχου του κυτταροσκελετού συγκεκριμένων κυττάρων εξασφαλίζει τη δημιουργία των αυλακώσεων που είναι ζωτικής σημασίας για τη λειτουργικότητά του. Οι ερευνητές εκτιμούν ότι η βελτιωμένη τεχνική τους για δημιουργία εγκεφαλικού ιστού στο εργαστήριο θα τους επιτρέψει να διερευνήσουν αντίστοιχες παραμέτρους που σχετίζονται με την επιληψία, τη μικροεγκεφαλία και τη σχιζοφρένεια.

Δεν χωρεί αμφιβολία ότι η ανάπτυξη της γλωσσικής επικοινωνίας υπήρξε το εφαλτήριο της ανθρώπινης κυριαρχίας πάνω στον πλανήτη Γη. Είναι άλλο να μπαίνεις στη σπηλιά και να λες «μια αγέλη λύκων φάνηκε στην κορυφή του λόφου» και άλλο να προσπαθείς να επικοινωνήσεις την ίδια πληροφορία με νοήματα και κραυγές. Οι ειδικοί λένε ότι σε μια καθημερινή συζήτηση ένας άνθρωπος αρθρώνει περί τις 120-200 λέξεις το λεπτό, πράγμα που αυτομάτως σημαίνει ότι ένας ακροατής είναι σε θέση να αντιλαμβάνεται στον ίδιο χρόνο το νόημα αυτών των λέξεων. Και αν σε αυτό προσθέσουμε το γεγονός ότι πολλές φορές η ίδια λέξη έχει διαφορετικό νόημα, γίνεται φανερό το πόσο αξιοθαύμαστο «εργαλείο» είναι ο ανθρώπινος εγκέφαλος!

Αλλά πώς φέρει εις πέρας ο εγκέφαλός μας αυτό το αξιοθαύμαστο έργο; Στην προσπάθειά τους να απαντήσουν στο ερώτημα αυτό ερευνητές από το Κολέγιο Trinity του Δουβλίνου κατέφυγαν αρχικά στην τεχνητή ευφυΐα, στην εκπαίδευση δηλαδή μηχανών να μαθαίνουν. Σε αντίθεση με τα ανθρώπινα μωρά που γεννιούνται εφοδιασμένα να μιλήσουν, οι μηχανές δεν έχουν την ικανότητα κατανόησης γλώσσας. Απαιτείται λοιπόν άλλου είδους εκπαίδευση, η οποία, όπως διαπίστωσαν οι ερευνητές, περιλαμβάνει ένα στάδιο συσχέτισης της κάθε λέξης με αυτές που προηγήθηκαν.

Εφοδιασμένοι με αυτό το εύρημα, οι επιστήμονες εφήρμοσαν σε εθελοντές μια τεχνική που ονομάζεται ηλεκτροεγκεφαλογραφία και η οποία επιτρέπει την παρακολούθηση της ενεργότητας του εγκεφάλου σε πραγματικό χρόνο. Διαπίστωσαν ότι υπάρχει μια περιοχή του εγκεφάλου η οποία ενεργοποιείται όταν μια λέξη ταιριάζει σε αυτές που προηγήθηκαν. Επιπροσθέτως, η εν λόγω περιοχή παραμένει «σβηστή» τόσο όταν δεν ακούει κανείς τη λέξη όσο και όταν δεν την αντιλαμβάνεται (όπως διαπιστώθηκε όταν στα ηχητικά αρχεία που άκουγαν οι εθελοντές παρεμβαλλόταν θόρυβος ή αυτά παίζονταν με αντίστροφη φορά και δεν παρήγαν νόημα).

Σύμφωνα με τους ερευνητές, οι οποίοι δημοσίευσαν την εργασία τους στην επιθεώρηση «Current Biology», ο εντοπισμός της περιοχής αυτής θα μπορούσε να αποβεί πολύ χρήσιμος σε πολλά πεδία, από την εκτίμηση της γνωστικής ανάπτυξης των παιδιών μέχρι την ικανότητα κατανόησης των οδηγιών σε άτομα με θέσεις ευθύνης (όπως παραδείγματος χάριν, οι ελεγκτές εναέριας κυκλοφορίας και οι πιλότοι), αλλά και για την εκτίμηση της νοητικής κατάστασης των ηλικιωμένων.

Μια αγγλική παροιμία λέει πως δεν μπορείς να διδάξεις νέα κόλπα σε ένα γέρικο σκυλί. Εμείς όμως ξέρουμε ότι είμαστε σε θέση να μάθουμε νέα πράγματα ακόμη και σε μεγαλύτερες ηλικίες (έστω και αν η ταχύτητα με την οποία μαθαίνουμε δεν είναι αυτή του νεότερου εαυτού μας). Γνωρίζουμε επίσης ότι ακόμη και αν δεν εξασκήσουμε κάτι που κάναμε συχνά στο παρελθόν, όπως παραδείγματος χάριν την ποδηλασία ή το παίξιμο ενός οργάνου, αν ξαναπροσπαθήσουμε ύστερα από χρόνια, γρήγορα θα το ξαναθυμηθούμε. Το πού οφείλουμε αυτές τις ικανότητές μας ανακάλυψαν πρόσφατα και μάλιστα κατά λάθος αμερικανοί ερευνητές του Ινστιτούτου Gladstone στην Καλιφόρνια.

Οι αμερικανοί επιστήμονες ήθελαν να διερευνήσουν αν το αίτιο κινητικών διαταραχών όπως το σύνδρομο Τουρέτ οφειλόταν στη δράση των βασικών γαγγλίων, μιας ομάδας διασυνδεδεμένων νευρώνων οι οποίοι σχετίζονται όχι μόνο με την κίνηση αλλά και με τη λήψη αποφάσεων και την επιλογή δράσεων. Μόλις το 1% από αυτούς τους νευρώνες έχει αυξημένη ταχύτητα μετάδοσης του ηλεκτρικού σήματος και οι αμερικανοί επιστήμονες θεωρούσαν ότι ήταν οι ύποπτοι για τα κινητικά σύνδρομα. Επειτα από διετή πειραματισμό που τους έπεισε ότι άδικα υποπτεύονταν αυτό το μικρό ποσοστό διασυνδεδεμένων νευρώνων, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι αυτοί σχετίζονταν περισσότερο με τη μάθηση (και πιθανόν με ψυχιατρικά νοσήματα) παρά με την κίνηση.

Με άρθρο τους στην έγκριτη επιστημονική επιθεώρηση «Cell», οι ερευνητές κατέδειξαν ότι τα κύτταρα αυτά ελέγχουν την πλαστικότητα του εγκεφάλου. Ετσι εξασφαλίζουν ότι και μπορούμε να μάθουμε νέα πράγματα, αλλά και να μην ξεχάσουμε τα παλιά.

Αλλο χέρια, άλλο πόδια

Μπορεί να είναι γνωστά με τον συλλογικό όρο «άκρα», αλλά τα χέρια και τα πόδια μας έχουν σχεδιαστεί εξελικτικά για διαφορετικού τύπου λειτουργίες. Ετσι, ενώ τα πόδια κάνουν κυρίως επαναλαμβανόμενες κινήσεις (όπως το περπάτημα και το τρέξιμο) που εξασφαλίζουν τη μετακίνησή μας στον χώρο, τα χέρια διαθέτουν αφενός μεγαλύτερο εύρος κινήσεων και αφετέρου πολύ περισσότερο εξειδικευμένων κινήσεων, όπως παραδείγματος χάριν το πέρασμα μια κλωστής από μια βελόνα, το κράτημα του μολυβιού και το γράψιμο, το παίξιμο ενός μουσικού οργάνου. Με δεδομένο ότι η κίνηση τόσο των χεριών όσο και των ποδιών ελέγχεται από τον νωτιαίο μυελό, το καίριο ερώτημα του πώς ο εγκέφαλος «ξεχωρίζει» τα χέρια από τα πόδια προκειμένου να δώσει τις κατάλληλες εντολές ζητούσε επιμόνως απάντηση. Με άλλα λόγια, αν μέσα στην σπονδυλική στήλη ο νωτιαίος μυελός είναι μια ομοιογενής κολόνα νευρικών κυττάρων, πώς επιτυγχάνεται η διαφοροποίηση των εντολών που δίνονται από την αυχενική μοίρα (η οποία ελέγχει την κίνηση των χεριών) από εκείνες που δίνονται από την οσφυϊκή (η οποία ελέγχει την κίνηση των ποδιών).

Την ομοιογένεια (ή μη) των νευρικών κυττάρων του νωτιαίου μυελού αποφάσισαν να ελέγξουν αμερικανοί ερευνητές του ινστιτούτου Salk στην Καλιφόρνια. Βασισμένοι σε πρότερα ευρήματα σχετικά με τα κύτταρα που εμπλέκονται στην κίνηση, οι επιστήμονες εστίασαν σε μια υποομάδα νευρικών κυττάρων τα οποία ονομάζονται V2a και τα οποία εκφράζουν μεταξύ άλλων και το γονίδιο CHX10. Αξιοποιώντας μια σειρά από μοριακές τεχνικές οι οποίες επιτρέπουν μετρήσεις και σε επίπεδο μεμονωμένων κυττάρων, οι αμερικανοί επιστήμονες διαπίστωσαν τα εξής: πρώτον, τα επίπεδα έκφρασης του γονιδίου CHX10 ήταν αυξημένα στα V2a κύτταρα της οσφυϊκής μοίρας σε σχέση με τα αντίστοιχα της αυχενικής, όπου μάλιστα τα μισά κύτταρα δεν εξέφραζαν καθόλου το εν λόγω γονίδιο. Δεύτερον, τα V2a κύτταρα της οσφυϊκής μοίρας συνδέονταν στενά με άλλους κινητικούς νευρώνες, και μεταξύ τους, αλλά όχι απευθείας με τον εγκέφαλο. Αντιθέτως, η πλειονότητα των V2a νευρώνων της αυχενικής μοίρας που δεν εξέφραζε το γονίδιο CHX10 ήταν σε απευθείας σύνδεση με τον εγκέφαλο. Οπως εξηγούν οι ερευνητές στο άρθρο τους στην επιθεώρηση «Neuron», τα παραπάνω συνάδουν με το γεγονός ότι απαιτείται μεγαλύτερος έλεγχος από τον εγκέφαλο για την κίνηση των χεριών, ενώ η κίνηση των ποδιών είναι εν πολλοίς αυτοματοποιημένη.

Η αρχική αυτή ανατροπή της υπόθεσης της ομοιογένειας των νευρικών κυττάρων του νωτιαίου μυελού ώθησε τους αμερικανούς επιστήμονες να διερευνήσουν την ύπαρξη περισσότερων υποομάδων V2a νευρώνων και πράγματι μπόρεσαν να τους κατηγοριοποιήσουν σε 11 διαφορετικές. Το τι μπορούμε να περιμένουμε από τις έρευνές τους το εξέφρασε με τον καλύτερο τρόπο ο επικεφαλής της ομάδας, καθηγητής Samuel Pfaff, λέγοντας: «Σήμερα, όταν προσπαθούμε να επιδιορθώσουμε βλάβες της σπονδυλικής στήλης χρησιμοποιώντας βλαστικά κύτταρα, είναι σαν να ανοίγουμε το καπό ενός αυτοκινήτου με χαλασμένα ηλεκτρικά και να πετάμε μέσα μια χούφτα καλώδια. Με τη δουλειά μας, ελπίζουμε να ανακαλύψουμε ποιο καλώδιο πάει σε ποια θέση».