Neuronaukowcy, zainteresowani działaniem mózgu, w naturalny sposób skupiają się na neuronach, komórkach, które mogą przekazywać sobie nawzajem elementy sensu i myśli za pomocą impulsów elektrycznych. Ale równie warta badań jest substancja znajdująca się między nimi — lepka powłoka na zewnątrz tych neuronów. Z grubsza podobne do chrząstki w naszych nosach i stawach, przylegają one jak sieć rybacka do niektórych naszych neuronów, inspirując nazwę sieci okołonerwowych (PNN). Składają się z długich łańcuchów cząsteczek cukru przymocowanych do rusztowania białkowego i utrzymują neurony na miejscu, zapobiegając ich kiełkowaniu i tworzeniu nowych połączeń.
Biorąc pod uwagę tę zdolność, ta mało znana powłoka neuronowa dostarcza odpowiedzi na niektóre z najbardziej zagadkowych pytań dotyczących mózgu: Dlaczego młode mózgi tak łatwo przyswajają nowe informacje? Dlaczego straszne wspomnienia towarzyszące zaburzeniu stresu pourazowego (PTSD) są tak trudne do zapomnienia? Dlaczego tak trudno jest przestać pić po uzależnieniu od alkoholu? I zgodnie z nowe badania od neurobiologa Arkadego Khoutorsky'ego i jego współpracowników z McGill University wiemy teraz, że PNN wyjaśniają również, dlaczego ból może rozwijać się i utrzymywać tak długo po uszkodzeniu nerwu.
Plastyczność neuronalna to zdolność sieci neuronowych do zmiany w odpowiedzi na doświadczenia życiowe lub do samonaprawy po uszkodzeniu mózgu. Takie okazje do bezwysiłkowej zmiany są znane jako krytyczne okresy, kiedy pojawiają się we wczesnym okresie życia. Zastanów się, jak łatwo dzieci przyswajają język, ale jak trudno jest nauczyć się języka obcego jako dorosły. W pewnym sensie tego właśnie byśmy chcieli: po utworzeniu skomplikowanych sieci neuronowych, które pozwalają nam zrozumieć nasz język ojczysty, ważne jest, aby zostały one zablokowane, aby sieci pozostały względnie niezakłócone przez resztę naszego życia.
Oznacza to, że po krytycznym okresie sieci neuronowe stają się odporne na zmiany, a PNN są tego głównym powodem. Tworzą się nad neuronami i pod koniec krytycznego okresu blokują okablowanie sieci neuronowej. Zdarza się to najczęściej między 2 a 8 rokiem życia, ale PNN tworzą się również na neuronach w wieku dorosłym w związku z zachowaniami, które są trudne do złamania lub w tworzeniu długotrwałych wspomnień. Gdybyśmy mogli opóźnić zamknięcie krytycznych okresów lub jakoś ponownie je otworzyć w późniejszym życiu, przywróciłoby to młodzieńczą plastyczność neuronalną, sprzyjałoby wyzdrowieniu po urazach i cofnięciu trudnych zaburzeń neurologicznych, które są odporne na zmiany.
Ostatnie badania pokazują, że rzeczywiście można to zrobić, po prostu manipulując PNN. Na przykład trzymanie zwierzęcia w całkowitej ciemności spowalnia rozwój PNN na neuronach wzroku, znacznie dłużej utrzymując otwarty okres krytyczny dla plastyczności neuronalnej w celu korygowania problemów ze wzrokiem. Czynniki chemiczne i manipulacje genetyczne mogą również degradować PNN i ponownie otwierać krytyczne okresy, a naukowcy zrobili to, aby myszy zapomniały o wspomnieniach, które spowodowały u nich PTSD (w ich przypadku wspomnienia wstrząsu elektrycznego zastosowanego zaraz po usłyszeniu sygnału).
Możliwe jest również stymulowanie wzrostu sieci PNN. Dzieje się tak, gdy ktoś pije alkohol w nadmiarze, co powoduje powstawanie tych sieci na neuronach zaangażowanych w uzależnienie. Uważa się, że powłoka chroni neurony przed chemiczną toksycznością alkoholu, ale blokuje również proces myślowy, który wyzwala przytłaczającą potrzebę picia.
Podczas gdy neuronaukowcy dowiedzieli się o tych aspektach PNN w ciągu ostatnich kilku dekad, wpływ PNN na przewlekły ból był nieoczekiwanym niedawnym odkryciem. Ta praca, która jeszcze bardziej rozszerza wpływ sieci poza krytyczne okresy, nie tylko poprawia nasze zrozumienie podstawowej nauki o bólu, ale także daje lepszy obraz samych PNN.
Przewlekły ból, który utrzymuje się długo po urazie, odzwierciedla zmiany w obwodach neuronalnych, które mogą być trudne do przezwyciężenia. Kiedy coś boli, angażuje się całe nasze ciało. Wyspecjalizowane neurony bólu w całym ciele przekazują impulsy nerwowe do rdzenia kręgowego, skąd są przekazywane do mózgu. Oznacza to, że rdzeń kręgowy odgrywa główną rolę w odczuwaniu bólu; w rzeczywistości lekarze często radzą sobie z bólem porodowym, podając znieczulenie zewnątrzoponowe, które polega na wstrzykiwaniu środków znieczulających do przestrzeni otaczającej rdzeń kręgowy lędźwiowy, blokując impulsy nerwowe przed dotarciem do mózgu.
Teraz wyobraź sobie, że zamiast tłumić transmisję nerwową w tym momencie, uszkodzenie nerwu spowodowało nadwrażliwość tych neuronów. Nawet delikatny dotyk w dotkniętym obszarze spowodowałby zaporę impulsów neuronowych przemieszczających się w górę rdzenia kręgowego, rejestrując jako intensywny ból. Wcześniejsze badania zidentyfikowały kilka mechanizmów, które mogą powodować takie nadwrażliwość, ale nikt nie spodziewał się, że w grę wchodzą PNN.
Jednak kilka lat temu Khoutorsky zobaczył artykuł donoszący, że PNN pokrywają pewne małe neurony w obszarze mózgu, w którym przekazywane są informacje o bólu. Te „interneurony hamujące” tworzą synapsy na neuronach bólu, tłumiąc ich zdolność do przekazywania sygnałów bólowych. Khoutorsky zastanawiał się, czy PNN mogą robić coś podobnego w krytycznym punkcie przekaźnikowym bólu w rdzeniu kręgowym, i poprosił swoją studentkę Shannon Tansley, aby się temu przyjrzała. „W tym czasie nic nie było wiadome” – powiedział Khoutorsky.
Tansley rzeczywiście odkrył, że PNN otaczają pewne neurony w rdzeniu kręgowym, gdzie przekazują sygnały bólu do mózgu. Neurony mają długie aksony („ogon”, który wysyła sygnały do następnej komórki w linii), które kierują rdzeń kręgowy do mózgu. Mają też zestaw hamujących interneuronów przyłączonych do nich przez małe otwory w PNN, a hamujące neurony mogą tłumić odpalanie długich neuronów projekcyjnych, zmniejszając sygnał docierający do mózgu i osłabiając odczuwanie bólu. Tansley odkryła, ku jej zaskoczeniu, że tylko te hamujące neurony w punkcie przekaźnikowym rdzenia kręgowego były pokryte PNN.
To odkrycie zainspirowało zespół Khoutorsky'ego do przeprowadzenia eksperymentów na myszach laboratoryjnych w celu ustalenia, czy sieci te w jakiś sposób są zaangażowane w przewlekły ból po uszkodzeniu nerwów obwodowych. Przecinali gałęzie nerwu tylnej nogi myszy, znanego jako rwa kulszowa, gdy była pod znieczuleniem ogólnym. To naśladuje urazy kulszowe u ludzi, o których wiadomo, że powodują uporczywy ból. Kilka dni później zespół Khoutorsky'ego zmierzył próg bólu myszy za pomocą nieszkodliwych testów, takich jak określenie, jak szybko odsuwa się od nagrzanej powierzchni. Zgodnie z oczekiwaniami zespół zauważył, że mysz wykazuje znacznie zwiększoną wrażliwość na ból – ale zauważyli również, że PNN wokół wystających neuronów uległy rozpuszczeniu. Tak jak zmiany w mózgu w krytycznych okresach wpływają na PNN, tak nagłe zmiany po uszkodzeniu nerwu u myszy zmodyfikowały PNN w obwodzie bólu rdzenia kręgowego.
Następnie zespół odkrył, co powoduje niszczenie sieci: mikroglej, komórki mózgu i rdzenia kręgowego, które inicjują naprawę po chorobie i urazie. Aby przetestować związek między mikroglejem a bólem, zespół zwrócił się do myszy praktycznie bez mikrogleju (co było możliwe dzięki inżynierii genetycznej) i wykonał tę samą operację. U tych myszy PNN pozostały nienaruszone po operacji nerwu kulszowego i, co niezwykłe, myszy nie stały się nadwrażliwe na bolesne bodźce. Aby potwierdzić związek, zespół wykorzystał różne środki do rozpuszczenia sieci, co zwiększyło wrażliwość myszy na ból.
To dowiodło, że PNN bezpośrednio tłumiły wrażliwość na ból. Mierząc transmisję synaptyczną za pomocą elektrod, zespół Khoutorsky'ego odkrył nawet, jak to działa. Degradacja PNN spowodowała reakcję łańcuchową, która spowodowała zwiększoną sygnalizację z wystających neuronów, które wysyłają sygnały bólu do mózgu: kiedy mikroglej reagujący na uszkodzenie nerwu rozpuścił PNN, osłabiło to wpływ hamujących neuronów, które normalnie tłumią odpalanie neurony projekcji mózgu. Utrata hamulców oznaczała niekontrolowane odpalanie neuronów i intensywny ból.
Mikroglej uwalnia wiele substancji, które powodują nadwrażliwość neuronów bólowych po uszkodzeniu nerwów, ale ich nieoczekiwane działanie na PNN ma główną zaletę: specyficzność. „Zazwyczaj sieci okołonerwowe blokują plastyczność, a także chronią komórki” – powiedział Khoutorsky. „Więc dlaczego te sieci są tylko wokół neuronów przekazujących ból, a nie wokół innych typów komórek [w pobliżu]?” Podejrzewa, że to dlatego, że ten punkt przekaźnikowy bólu w rdzeniu kręgowym jest tak ważny, te neurony i ich połączenia potrzebują dodatkowej ochrony, aby ich kontrola transmisji bólu była silna i niezawodna. Tylko coś tak dramatycznego jak uszkodzenie nerwu może zakłócić tę stabilność.
„Piękno tego mechanizmu polega na tym, że jest on selektywny dla określonych typów komórek” – powiedział Khoutorsky. Substancje uwalniane przez mikroglej w celu zwiększenia pobudzenia neuronowego i wywołania bólu po uszkodzeniu nerwów wpływają na wszystkie typy komórek w pobliżu, ale PNN otaczają tylko te neurony dokładnie w krytycznym punkcie przekaźnikowym w rdzeniu kręgowym.
Trwają badania mające na celu lepsze zrozumienie tego nowego mechanizmu przewlekłego bólu. Jeśli naukowcy będą w stanie opracować metody odbudowy PNN na tych neuronach po uszkodzeniu, może to zapewnić nowe leczenie przewlekłego bólu – pilna potrzeba, biorąc pod uwagę, że opiaty, obecne rozwiązanie, z czasem tracą swoją moc i mogą stać się uzależniające lub spowodować śmierć. przedawkować.
To, co dzieje się wewnątrz neuronów, jest fascynujące i ważne do zrozumienia, ale sieci neuronowe są tworzone przez pojedyncze neurony połączone ze sobą, a tutaj ważny jest zaniedbany cement chrzęstny w przestrzeni między nimi.
