Neurogenezės sąmprata

Neurogenezė yra naujų neuronų kūrimo procesas, kuris aktyviausias prenataliniu laikotarpiu, tačiau vyksta ir po organinių centrinės nervų sistemos pažeidimų ir dėl adekvačios treniruotės. Be abejonės, fundamentalūs biologiniai procesai, kurie sąlygoja neuronų funkcionavimą, sirgimą ir mirtį, pavyzdžiui, apoptozė, yra nelengvai valdomi, tačiau priemonės, didinančios centrinės nervų sistemos ilgaamžiškumą ir ypač apsaugančios bei gydančios patologijos akivaizdoje, turi pasižymėti tiek neuroprotekcinėmis, tiek neurogenezinėmis savybėmis, tiek neuroplastiškumu.

Neurogenezė – tai procesas, kurio metu gaminami funkciškai aktyvūs neuronai iš pirminių ląstelių. Ankčiau buvo manyta, kad toks procesas yra įmanomas tik žinduolių embriogenezės metu. Tačiau dabar yra įrodyta, kad tokie procesai yra galimi ir suaugusių žinduolių CNS. Rasta, kad pas žinduolius neurogenezės procesas yra aktyvus visą laiką subvetrikularinėje zonoje (šoninis skilvelis) ir subgranuliacinėje zonoje (hipokampas). Tuo tarpu neurogenezė kitose CNS srityse yra labai ribota arba išvis neįmanoma. Tačiau po patologinės stimuliacijos, pavyzdžiui, smegenų insultas, suaugusiųjų neurogenezė aptinkama kitose srityse, nei jau aprašytos. Per paskutinįjį dešimtmetį mūsų žinios apie suaugusiųjų neurogenezę labai išsiplėtė: tiek proceso eiga, tiek nuo ko tai priklauso. Suaugusiųjų neurogenezės proceso išsiaiškinimas atveria kelius atstatyti suaugusių žmonių funkcijas po centrinės nervų sistemos pažeidimų ar neurologinių degeneracijų ligų. Visa tai gali būti įmanoma naudojant ląstelių pakeitimo terapiją jau artimojoje ateityje.

Neurogenezės tyrimo metodai

Šiuo metu yra taikomi trys skirtingi metodai tirti suaugusiųjų neurogenezę:

  1. Analizė paremta nukleotidų įterpimu ląstelei dalinantis
  2. Analizė paremta žymėjimu retrovirusais
  3. Analizė paremta žymėjimu speciniais markeriais.

Kiekvienas iš šių procesų yra skirtas tirti neurogenezę gyvuose ornanismuose (in vivo), taip pat dar kartais tiriama neurogenezė mėgintuvėlių būdu (in vitro). Tačiau plačiau aptarsime tik in vivo analizę, nes ji pateikia rezultatus kurie išties vyksta gyvose smegenyse. Tuo tarpu atlikus tyrimus mėgintuvėliuose gauti rezultatai kartais visiškai neatitinka rezultatų, kai tyrimas pakartojamas gyvuose žinduolių organizmuose, pavyzdžiui, laboratorinių žiurkių.

Analizė paremta nukleotidų įterpimu ląstelei dalinantis. Tiriant neurogenezę šiuo būdu tiriamajam suleidžiama tam tikrų nukleotidų, kurie įsiterpia į ląstelės DNR. Tai gana specifiškas būdas, nes parenkama tokia DNR kodo dalis, kuri sutampa su tiriamųjų ląstelių DNR. Nors atrodytų tyrimas yra labai specifiškas tam tikroms ląstelėms, tačiau rezultatai gali būti iškreipti dėl ląstelių membranos pažeidimo. Tokiu būdu į lastelę nukliotidų seka patenka ne tik ląstelės mitozės metu.

Analizė paremta žymėjimu retrovirusais. Šis tyrimo būdas paremtas virusų veikla, kuomet virusai pažymi ląstelių DNR. Tyrimo privalumas, jog virusai pažymi ląsteles nelaukdami jų dalinimosi, o vėliau galima sekti kiek tokių ląstelių yra ir kur jos nukeliauja. Tuo tarpu tokio tipo tyrimas turi ir pakankamai minusų: tiriamos ląstelės ne visos, o tik kai kurios, reikalinga invazija į smegenis.

Analizė paremta žymėjimu speciniais markeriais. Šie tyrimai atliekami suleižiant tam tikrų markerių į kraują. Jie kaip ir kiti tyrimo būdai pažymi naujų ląstelių DNR. Tai leidžia sekti naujas ląsteles susidariusias neurogenezės metu. Tyrimo pagrindinis trūkumas yra tai, jog markeriai gali būti naikinami organizmuose ir yra neaiškus jų veikimo laikas.

Žemiau pateikiamas paveikslas iliustruojantis visus tris būdus:

Neurogenezė sveikoje suaugusių žinduolių CNS

Aktyvi neurogenezė suaugusiųjų žinduolių CNS aptinkama tik tam tikruose regionuose. Pastoviai neuronai generuojami žinduolių (nuo graužikų iki primatų) SVZ ir migruoja į priekį per rostralinį migracinį kelią (RMS) į olfaktorinę zoną. Ten naujieji neuronai tampa interneuronais. Taip pat pastebėta, kad granulinių neuronų daugėja hipokampo gyrus dentate srityje. Pastarieji neuronai ir toliau išlieka hipokampe.

Suaugusiųjų neuronų kamieninės ląstelės

Neuronų kamieninių ląstelių identifikacija praeitame dešimtmetyje buvo labai svarbus klausimas. Keletas tipų ląstelių buvo indentifikuotos, kaip kamienimės: astrocitai, multiciliated ependymal ląstelės ir subependymal ląstelės. Daugiausiai dėmesio susilaukė ir labiausiai ištobulinta teorija yra astrocitų, kaip kamieninių ląstelių. Graužikuose dalis subventrikuliarinėje zonoje pagamintų astrocitų aptinkami, kaip greitai besidauginančios ir prisitaikančios ląstelės, kurios iškart gamina migruojančius neuroblastus. Suaugusiuose žmonėse dalis astrocitų randamų šoniniame skilvelyje dalinasi (in vivo) ir yra panašūs į daugiafunkcius neuronų pirmtakus (in vitro). Subgranuliacinėje zonoje dalis astrocitų buvo aptikti, kaip kamieninės ląstelės, iš kurių gaminasi granuliniai neuronai, tačiau kita dalis taip ir išlieka astrocitais. Taigi, didžiausia mokslininkų našta yra tai, kad dar vis nesugebama atskirti vienų astrocitų nuo kitų. Taigi neaišku koks astrocitas kaip elgsis.

Taip pat iki galo nėra išsiaiškinti faktoriai, lemiantys neuronų dauginimąsi SG ir SV zonose. Mėgintuvėlyje atliekamų tyrimų metu buvo išskirti tam tikri faktoriai, nuliamiantys neuronų dalinimąsi. Tačiau šie faktoriai nevisada elgiasi taip pat ir gyvuose organizmuose. Dėl šios priežasties daug dėmesio skiriama smegenų auglių ląstelėms tirti, nes tokios ląstelės perduoda labai daug informacijos apie dauginimąsi iš vienos ląstelės į kitą. Tai gali padėti išsiaiškinti, kokios yra būtinos sąlygos, kad neuronai daugintųsi daug sparčiau ir intensyviau. Ne ką mažiau svarbu paminėti, jog astrocitai, kurie randami stuburo smegenyse priešingai jau aptartiems negali daugintis, nors jie funkciškai ir išoriškai yra identiški. Dabar yra aišku, jog ankstesnis mąstymas apie astrocitus, tik kaip apie pagalbines ląsteles neuronams, nėra teisingas, nes dalis astrocitų elgiasi, kaip kamieninės ląstelės, kita dalis – perduoda neurogeninius signalus, ir trečioji dalis – gamina sinaptogeninius faktorius.

Neuronų migracija

Olfaktorinėje sistemoje naujai atsiradę neuronai turi praeiti intensyvią migraciją iki tol kol pasiekia ofaktorinį btanduolį. Migracijos pradžia prasideda nuo kelionės palei šoninio skilvelio sieną, tuomet kelias pasisuka į priekį – į olfaktorinę sritį. Iki čia neuronai keliauja greta vienas kito, o olfaktorinėje srityje jie pasikleidžia, kaip individualios ląstelės branduolio šoniuose sluoksniuose. Toks naujų neuronų migracijos kelias stebimas pas žinduolius: nuo graužikų iki primatų, tačiau ne pas žmones. Tuo tarpu pastaraisiais metais pastebėtas ir kitas kelias – kai nauji neuronai iš SV zonos keliauja tiesiogiai į olfaktorinį branduolį, šios kelionės metu neuronai keliauja pavieniui, todėl juos aptikti buvo daug sunkiau.

Olfaktoriniame branduolyje galima sutikti naujų ląstelių, kurios yra dviejų rūšių: granuliniai neuronai ir poliglomeriniai neuronai. Poliglomeriniai neuronai yra ypatingi tuo, kad juose nėra aksonų. Aksonus pakeičia dendro – dendritinės sinapsės. Tuo tarpu granuliniai neuronai dantytame vingyje (gyrus dentate) keliauja labai netoli – į granulinių neuronų sluoksnį. Čia jiems gana greitai (4-10 dienų) išauga aksonas (nukreiptas į piramidinius neuronus), o į priešingą pusę – dendritai, kurie susiformuoja iki 2 savaičių, tačiau gali augti ir iki mėnesio.

Neuronų branda

Daugeliu aspektų suaugusiųjų neurogenezėje atsiradusių neuronų branda skiriasi nuo įprastos embrione vykstančios neuronų brandos. Pagrindiniai skirtumai yra tai, kad skiriasi receptoriai, per kuriuos neuronai gauna informaciją, apie tai, kur migruoti ir su kuo susijungti. Tačiau skirtumai pastebimi ne tik neuronų lokalizacijoje ir su kuo jie jungiasi, bet skiriasi ir patys neuronai savo dydžiu. Pavyzdžiui, dendritų ilgis naujai gimusių neuronų yra vidutiniškai 4 kartus mažesnis, nei embiogenezės metu išsivysčiusių neuronų. Taip pat skiriasi ir šių neuronų membranoje esantys proteinai. Tai lemia kalcio jonų sunkesnę pernašą per membraną. Todėl membraninis potencialas išauga (reikia didesnio kiekio jonų skirtingose neurono membranos pusėse), o dėl šios priežasties sunkiau generuojamas signalas. Taip pat dėl vėlesnio jų vystymosi naujieji neuronai turi mažiau sinapsinių ryšių, ko pasekoje didėja ilgalaikiai potencialai ir ilgalaikis nejautrumas. Viena vertus mokslininkai konstatuoja faktą, jog naujai susidariusių neuronų plastiškumas yra mažesnis, kai kalbama apie neuroninį lygį, kita vertus, jei kalbama apie smegenų lygį, tuomet naujai atsiradę neuronai didina pačių smegenų plastiškumą.

Endogeninės neurogenezės moduliacija

Teoriniai svarstymai apie tai, kas gali lemti neuronų dauginimąsi, jų prisitaikymą bei būsimą lokalizaciją buvo kurta labai daug. Tačiau tik dalį jų gali paaiškinti eksperimentais gauti rezultatai. Taigi, svarstymų, nuo ko priklauso neuronų dauginimasis subventrikuliarinėje ir subranuliacinėje zonose, keliama ir dabar labai daug. Pavyzdžiui pastebėta, jog pas nėščiąsias moteris suintensyvėja neurogenezė, todėl buvo kelta prielaida, kad neurogenezės aktyvumą turėtų teigiamai veikti nėštumo metu suaktyvėjantys hormonai. Tačiau vienais duomenimis nei progesteronas nei estrogenas nelemia neurogenezės suaktyvėjimo, o tą padaro prolaktinas.  Tuo tarpu kiti tyrimai pateikia priešingus duomenis. Vėlyvosios neurogenezės aktyvumas gali būti nulemtas skirtingų matavimų būdų, ir to, kad tam tikros medžiagos gali turėti skirtingą įtaką neurogenezės etapams. Pavyzdžiui, antidepresantai skatina neuronų dauginimąsi, bet neturi įtakos neuronų vystymuisi, tuo tarpu augimo faktorius IGF-1 subgranuliacinėje zonoje skatina ir dauginimąsi ir tolimesnį jų vystymąsi.

Daugelis medžiagų vienaip ar kitaip gali įtakoti neurogenezę, todėl svarbu išsiaiškinti kokios medžiagos kaip veikia šį procesą praktiškai. Čia pabrėžiama praktinė tyrimų sfera, nes teorinės žinios dažnai nepatvirtinamos empiriškai. Taip gali būti dėl per mažo žinių kiekio šioje ypač sudėtingoje mokslo srityje – daug elementų dar nėra žinomi, kurie gali daryti įtaką neurogenezei. Todėl žemiau pateikiama pirma lentelė, kurią sudaro empirinių tyrimų rezultatai:

 

1.Lentelė. įvairių medžiagų poveikis neurogenezės procesams

Medžiaga, kurios įtaka tiriama Neuronų proliferacija Neuronų diferencijacija
SVZ SVG SVZ SVG
Hormonai
Kortikosteronas –
Estrogenas n/a + n/a
Oestrogenas +
Nėštumas + n/a
Neurotransmiteriai
Dopaminas – –
Seratoninas + +
Acetilcholinas –
Glutamatas –
Norepinefrinas n/a + n/a
Augimo faktoriai
FGF-2 + n/a
EGF + n/a –
IGF-1 + +
Elgesys
Fizinis aktyvumas n/a +
Mokymasis n/a n/a
Dieta n/a
Stresas –
Vaistai
Antidepresantai +
Opiatai –
Metaamfetaminas –
Litis + n/a
Patologinė stimuliacija
Išeminė liga +/- +/- + +
Pažeidimai +/- + +
Degeneracinės ligos + +
Diabetas –

Lentelėje pateikti sutrumpinimai: + reiškia, kad yra teigiamas poveikis, – reiškia, kad poveikis yra neigimas, n/a reiškia, kad poveikio nėra, +/- reiškia, kad poveikis gali būti ir teigiamas ir neigiamas, tušti laukeliai reiškia, jog poveikis nėra žinomas.

Suaugusiųjų neurogenezė esant patalogijoms

Sužeidimai ir patologinė stimuliacija netik paveikia suaugusiųjų neurogenezę, tačiau turi įtakos ir ne-neurogenetiniams veiksniams. Dauguma smegenų pakenkimų skatiną neuronų pirmatakų dauginimąsi subgranuliacinėje ir subventrikuliarinėje zonose po tam tikro laiko periodo. Tačiau, kartais tai gali lemti ir naujų neuronų migraciją į pažeidimo vietas. Tam tikri sužeidimai gali lemti ir endogeninę neurogenezę iš neuronų pirmtakų ir tose srityse, kuriose vėlyvoji (suaugusių žmonių) neurogenezė yra labai ribota, ar net normaliomis sąlygomis neįmanoma. Tačiau, kas tai lemia dar nėra visiškai aišku.

Išeminis smegenų pažeidimas

Išeminiai smegenų insultai potencialiai stimuliuoja neuronų pirmtakų dauginimąsi tiek SV tiek ir SG zonose, suaugusių graužikų smegenyse. Eksperimentais pastebėta, kad neuronai iš subventrikuliarinės zonos migruoja į pažeistą dryžuotąją sritį, ir toliau subręsta tokie, kokie toje vietoje turėtų būti (embriogenezės metu išsivysčiusių ir naujų neuronų fenotipas nesiskiria). Tačiau kartu buvo pastebėta, jog šie naujieji neuronai ilgai neišgyvena (2-5 savaitės). Nepaisant to, priešingus rezultatus pateikė kitas eksperimentas, kuriuo buvo nustatyta, kad neuronai iš SV zonos keliauja į hipokampą, ir ten normaliai funkcionuoja perimdami dalį funkcijų. Šio eksperimento metu nebuvo pastebėta apie neuronų trumpą amžiškumą.

Priepuoliai

Tyrimuose su graužikais, kai yra limbinė epileptogenezė ar ryškūs priepuoliai, pastebėta, jog aktyvinamos abi SV ir SG zonos. Dažniausiai neuronų proiliferacija aptinkama dantytame vingyje po tam tikro, latentinio, periodo. Dauguma naujų ląstelių diferencijuojasi į granulinius neuronus. Tačiau kartu pastebėta, jog šie neuronai veikia nesinchroniškai su jau esamais. Kitų tyrimų metu buvo iškelta hipotezė, jog šie neuronai taip pat migruoja į hipokampą, olfaktorinį branduolį bei priekinę žievės dalį.

Radiaciniai pažeidimai

Tyrimai su gyvūnais, kuriems buvo suteikiamos tam tikros dozės radiacijos, išsiaiškinta, kad radiacija visikai stabdo neurogenezę SG zonoje, tačiau neveikia gliogenezės (glijos ląstelės smegenyse atlieka pagalbines funkcijas). Taigi esant radiacijos poveikiui ženkliai pažeidžiamos jau esamos ląstelės (sukelia ląstelių mirtį), mažina proliferaciją, ir neuronų pirmtakų diferenciaciją. Naujausių tyrimų duomenimis išsiaiškinta, kad tam tikros medžiagos (bakterinis limpopolisacharidas) po radiacijos poveikio gali atstatyti hipokampo neurogenezę (veikia per mikroglija, kuriai radiacija neturi poveikio).

Degeneracinės neurologinės ligos

Neurogenezė yra labai svarbi degeneracinių ligų atvejais. Tačiau ji gali būti kiek kitokia, nei jau aptartais atvejais. Huntingtono ligos atveju pastebėta, kad ligonių smegenyse stipriai padidėja ląstelių proliferacija subependyminal sluoksnyje. Eksperimentuose su pelėmis, kurios serga Hundintono chorėja pastebėta, kad suaktyvėja SV zonoje ląstelių dauginimasis. Nauji neuronai migruoja į pažeistas smegenų vietas. Altzheimeriu sergančių ligonių smegenyse taip pat aptinkamas neurogenezės suaktyvėjimas. Tyrimuose su transgeninėmis pelėmis paaiškėjo, jog aktyvios yra SG ir SV zonos. Tuo tarpu Parkinsono liga sergančių ligonių neurogenezė yra labai ženkliai sumažėjusi lyginant su nesergančiais žmonėmis. Šiuo atveju matomas tiek SV tiek ir SG zonų inaktyvavimas. Tačiau nepaisant labai sumažėjusios ląstelių proliferacijos atrasta, kad neurogenezė šiek tiek vyksta juodojoje medžiagoje (substantia nigra), kur paprastai neurogenezė yra neįmanoma.

Normaliu atveju yra paprastai fiksuojama nedidelė neurogenezė, kuri yra svarbi smegenų funkcijų palaikymui, dėl pastoviai mažėjančio neuronų kiekio. Tuo tarpu sergant degeneracinėmis neurologinėmis ligomis dažniausiai stebimas tam tikras neurogenezės suaktyvėjimas. Tai leidžia manyti, jog žmogaus organizmas yra prisitaikęs kovoti su šiomis ligomis. Gaila, kad šie procesai negali kompensuoti vienas kito. Tačiau vienareikšmiškai galima pastebėti, jog neurogenezės procesas sergant degeneracinėmis ligomis leidžia pacientams ilgiau išlikti veiksmingiems.

Potencialios neurogenezės funkcijos

Anksčiau buvo manoma, jog neurogenezė, kuri vyksta suaugusių organizmų smegenyse yra labai svarbi mokymuisi ir atminčiai. Tokios teorijos esmę sudarė tai, jog kažko naujo išmokimas ar išsaugojimas atmintyje buvo siejamas su naujų neuronų atsiradimu. Tuomet buvo galvota, kad kiekvieną naują elementą, kurį mes išmokstame atitinka nauji neuronai smegenyse. Šiuo metu mokslininkai nepatvirtina tokios teorijos, nes naujų neuronų atsiradimas yra labai mažas lyginant su tuo, kiek žmogus gali išmokti. Taigi, vienareikšmiškai išmokimas ar įsiminimas nėra susijęs vien tik neurogeneze. Tačiau visiškai paneigti šios teorijos mokslininkai irgi negali, nes naujai atsiradę neuronai keliauja ir į tas sritis, kurios atsakingos už atmintį. Dėl šios priežasties dalis naujai sudarytų neuronų išties gali būti kažkiek susiję su mokymųsi.

Kita teorija teigia, jog naujai atsiradę neuronai yra svarbūs žmogaus raidai. Šioje teorijoje teigiama, jog nauji neuronai migruoja į tas vietas, kurios yra aktyvios tam tikru vystymosi periodu. Nors ši teorija atrodo ir mažai įtikėtina, tačiau tiriant neuronų migraciją kažikurie empiriniai duomenys patvirtina tokią tendenciją. Dar viena teorija teigia, jog naujieji neuronai atlieka reguliacine funkciją siekiant užtikrinti stabilumą. Kaip jau buvo minėta žmogaus ir kitų žinduolių smegenyse neuronų skaičius su amžiumi mažėja, taigi manoma, jog naujai proliferavusios ląstelės gali užimti tų neuronų vietą, kurie buvo funkciškai svarbūs.  Ši teorija dalinai paaiškina smegenų plastiškumo sąvoką.

Apibendrinimas

Neurogenezė suaugusio asmens smegenyse vyksta, tačiau detalesnių sisteminių žinių apie šį procesą dar vis trūksta. Vienareikšmiškai visi autoriai pabrėžia šio proceso svarbą, tačiau nepaisant didelės svarbos, mokslo srityje judama nedideliu greičiu. Tai lemia mechanizmų sudėtingumas bei tai, jog tirti smegenis yra sunku: neretai gauti duomenys žinduolių smegenyse netinka tiesiogiai pritaikyti žmogui. Nepaisant kylančių sunkumų mokslininkai stengiasi atrasti mechanizmus, pagal kuriuos vyksta žmogaus neurogenezė, nes tolimesnis šios temos nagrinėjimas gali pakeisti daugelio neurologinių ligų gydymą.