Usterka w superkomputerze

Twój mózg to najbardziej zaawansowany superkomputer na świecie. Ale w chorobie Huntingtona (HD) główny procesor tego komputera zaczyna szwankować. Wykorzystując zaawansowane techniki obrazowania, grupa badawcza z UCLA dokładnie zbadała, aby zidentyfikować i zwizualizować konkretne obwody, które działają nieprawidłowo w częściach mózgu najbardziej dotkniętych HD – i jak choroba powoduje, że wyglądają one inaczej. Odkryli, że specyficzne obwody centralnego regionu mózgu (prążkowia), które są dotknięte w HD, zwane neuronami kolczystymi średniej wielkości, są mniej połączone i mniej kolczyste, niż powinny być.

Najbardziej złożony komputer na świecie

Najbardziej złożony komputer na świecie nie jest zbudowany z mikroczipów – znajduje się on w Twojej głowie. Chociaż najszybsze superkomputery dorównują ludzkiemu mózgowi pod względem surowej mocy obliczeniowej, nic nie może dorównać niezwykłej elastyczności i wydajności Twojego mózgu.

Dla porównania, najpotężniejszy superkomputer obecnie, nazwany „El Capitan” w Kalifornii, mieści najnowocześniejszy sprzęt na powierzchni dwóch kortów tenisowych i zużywa energię małego miasteczka. Mózg ma tylko rozmiar grejpfruta i działa na energii słabej żarówki, a jednak cudownie osiąga tę samą zdolność obliczeniową. Nie wspominając o tym, że El Capitan nie potrafi tańczyć, śpiewać, łapać piłki ani wykonywać niezliczonych innych niesamowitych rzeczy, które potrafi Twój mózg!

Warto zrozumieć, jak działa ten niesamowity komputer w Twojej głowie, a także jak szwankuje w HD. Jaka więc część tego komputera jest dotknięta w HD i jak możemy zrozumieć, co idzie nie tak? Najnowocześniejsza grupa badawcza z UCLA zastosowała pomysłowe podejścia, aby odpowiedzieć na te pytania.

Centralna usterka obliczeniowa w HD

Mózg nie jest dokładnie jak komputer zbudowany z mikroczipów, ale istnieją pewne podobieństwa. Po pierwsze, mózg przetwarza informacje poprzez wejścia i wyjścia. To przetwarzanie odbywa się za pomocą wyspecjalizowanych komórek zwanych neuronami, które działają trochę jak obwody w mikroczipie. I podobnie jak komputer, mózg jest zorganizowany w różne części, które przetwarzają różne rzeczy.

Mózg ma niesamowite 86 miliardów neuronów i tyle samo komórek wspomagających, co razem stanowi mniej więcej tyle komórek, ile jest gwiazd w Galaktyce Drogi Mlecznej. Skala tego, co Twój mózg może zrobić z tymi wszystkimi komórkami mózgowymi, jest naprawdę zdumiewająca. El Capitan nawet się do tego nie zbliża.

Jedną z najważniejszych części naszego niesamowitego komputera jest centralny region mózgu zwany prążkowiem, który jest dalej podzielony na jądro ogoniaste i skorupę.

Możesz myśleć o prążkowiu jak o Dworcu Centralnym dla wielu procesów mózgowych – miejscu, do którego łączy się wiele obwodów. Prążkowie jest jedną z najbardziej dotkniętych części mózgu w HD, dlatego objawy HD mogą być tak różnorodne, w tym niekontrolowane ruchy, problemy z nastrojem i trudności w myśleniu. Aby zrozumieć HD, musisz zrozumieć prążkowie.

W HD dotknięty jest specjalny rodzaj obwodu

Niektóre części mózgu mają dziesiątki i dziesiątki różnych rodzajów neuronów, ale na szczęście neurony znalezione w prążkowiu nie są tak zróżnicowane jak w innych częściach mózgu. To sprawia, że prążkowie jest nieco łatwiejsze do zrozumienia.

Możesz myśleć o prążkowiu jak o klastrze przetwarzającym w Twoim komputerze, z wieloma obwodami, które są do siebie podobne. Te obwody w prążkowiu nazywane są neuronami kolczystymi średniej wielkości i stanowią większość neuronów tam występujących. „Neuron kolczysty średniej wielkości” może wydawać się wymyśloną nazwą, ale tak właśnie nazywają je naukowcy, ze względu na ich wygląd! Są średniej wielkości i bardzo kolczyste. Mogłeś również spotkać się z ich skrótem MSNs.

Dlaczego neurony kolczyste średniej wielkości są tak kolczyste? Dzieje się tak, ponieważ każdy neuron kolczysty średniej wielkości odbiera sygnały z wielu innych neuronów w mózgu, a każde z tych wejść odbywa się poprzez mały kolec, który wystaje z neuronu kolczystego średniej wielkości. Neurony kolczyste średniej wielkości mają wiele wejść, dlatego mają wiele kolców. To Dworzec Centralny dla mózgu, pamiętasz?

Neurony kolczyste średniej wielkości są oczywiście bardzo ważne, ale nie wiemy dokładnie, jak są indywidualnie połączone z resztą mózgu, wiemy tylko, że mają wiele wejść. To neurony kolczyste średniej wielkości są szczególnie wrażliwe w HD, co, jak sądzą naukowcy, powoduje nieprawidłowe działanie prążkowia i objawy HD.

Mapowanie obwodów w trzech wymiarach

Zaskakująco mało badań przeprowadzono na temat wyglądu neuronów kolczystych średniej wielkości, poza tym, że są kolczyste. Czy wszystkie wyglądają tak samo? Jak wyglądają, gdy są uszkodzone w HD? Renomowana grupa badawcza z UCLA, kierowana przez dr. X. Williama Yanga, postanowiła zmapować, jak wyglądają neurony kolczyste średniej wielkości w mózgu i co się z nimi dzieje w HD.

Aby to zrobić, grupa oznaczyła neurony kolczyste średniej wielkości tak, aby świeciły pod mikroskopem, a także oznaczyła każdy kolec – zwany kolcami dendrytycznymi lub po prostu dendrytami. Nie mogli tego zrobić w ludzkich mózgach, więc zamiast tego zrobili to w mózgach myszy, które również mają prążkowie. Po oznaczeniu neuronów kolczystych średniej wielkości i ich kolców (dendrytów), pokroili prążkowie na plastry i wykonali szczegółowe obrazy każdego plastra, aby zobaczyć, jak wyglądają neurony kolczyste średniej wielkości.

To trochę jak krojenie gęstej galaretki z rozrzuconymi w środku małymi owocami, aby łatwiej było zobaczyć owoce. Pozwoliło to badaczom zobaczyć, jak wyglądają neurony kolczyste średniej wielkości w trzech wymiarach w każdym plastrze. Co ciekawe, to pierwszy raz, kiedy ktoś spojrzał na neurony kolczyste średniej wielkości w ten sposób! Co więc zobaczyli?

Nie wszystkie obwody wyglądają tak samo

Prążkowie jest faktycznie podzielone na dalsze klastry przetwarzające, mimo że wszystkie mają neurony kolczyste średniej wielkości, które są dotknięte w HD. Dlatego badacze postanowili ocenić, jak wyglądają neurony kolczyste średniej wielkości w tych różnych klastrach.

Zmierzyli wszelkiego rodzaju zmienne dotyczące neuronów kolczystych średniej wielkości, takie jak liczba kolców, ich długość i częstotliwość rozgałęziania się kolców na mniejsze kolce. To trochę jak patrzenie na obwody w konkretnej części komputera i badanie, jak długie są poszczególne obwody i dokąd prowadzą.

Co ciekawe, neurony kolczyste średniej wielkości wyglądają nieco inaczej w różnych częściach prążkowia. W niektórych częściach prążkowia kolce są dłuższe niż w innych, w innych są krótsze. W niektórych częściach prążkowia kolce są liczniejsze, a w niektórych są bardziej rozgałęzione. Wyraźnie dzieje się znacznie więcej, jeśli chodzi o sposób okablowania tych neuronów kolczystych średniej wielkości w prążkowiu, niż wcześniej wiedzieliśmy.

W HD mniej połączeń obwodów, niż powinno być

Neurony kolczyste średniej wielkości prążkowia są szczególnie wrażliwe w HD i zaczynają szwankować i zanikać bardzo wcześnie w przebiegu choroby. Co więc naukowcy zaobserwowali na temat kształtu i wyglądu tych różnych obwodów neuronów kolczystych średniej wielkości w HD?

Aby to zbadać, wykonali to samo znakowanie, krojenie mózgu i obrazowanie mikroskopowe, ale tym razem u myszy, która modeluje HD z rozszerzoną powtórką CAG. Co intrygujące, neurony kolczyste średniej wielkości u myszy z HD były mniej złożone i miały mniej rozgałęzień.

Sugestia jest taka, że w HD może być mniej połączeń obwodów, niż powinno być między neuronami kolczystymi średniej wielkości a resztą mózgu. Innymi słowy, nieprawidłowe działanie prążkowia w HD może być związane z niższą łącznością z resztą mózgu, podobnie jak rdzeń przetwarzający tracący połączenia z resztą komputera.

Zrozumienie, jak neurony dotknięte w HD tracą połączenia z resztą mózgu, jest niezwykle ważne dla zrozumienia, jak je naprawić lub zapobiec ich nieprawidłowemu działaniu. Dzięki większej liczbie takich badań możemy w przyszłości opracować lepsze sposoby śledzenia i leczenia przyczyn HD.

Podsumowanie

• Twój mózg to najbardziej złożony komputer na świecie
• HD powoduje nieprawidłowe działanie konkretnej części tego komputera, prążkowia
• W HD wydaje się, że giną specyficzne obwody w prążkowiu, zwane neuronami kolczystymi średniej wielkości
• Badania sugerują, że neurony kolczyste średniej wielkości mają nieco inny wygląd i połączenia w różnych częściach prążkowia
• Neurony kolczyste średniej wielkości wydają się być mniej złożone w HD i mają mniej połączeń