Synapsy sir Charlesa Sherringtona

Specyficzne mrowienie rozchodzące się od łokcia w stronę palców jest związane z szybkim przekazywaniem impulsu nerwowego. Ale jak impulsy nerwowe są przekazywane do kolejnych komórek i mięśni? Dlaczego na niektóre zdarzenia reagujemy automatycznie? Takie pytania stawiali sobie najznamienitsi neurofizjologowie XX w. Jeszcze przed 1906 rokiem Santiago Ramon y Cajal twierdził, że impuls nerwowy jest przekazywany za pośrednictwem niewielkiej przestrzeni pomiędzy neuronami. Brakowało jednak eksperymentalnego dowodu. Jeszcze w tym samym roku Sherrington bez użycia mikroskopu odkrył jeden z najważniejszych elementów funkcjonowania całego układu nerwowego – synapsę. Dziś wiemy, że połączenie synaptyczne pomiędzy dwoma neuronami wynosi zaledwie ok. 20 mikrometrów. Ich odkrycie przez Sherringtona było milowym krokiem w neurobiologii.

Sir Charles Edgar Adrian Sherrington urodził się w 1857 r. w Londynie. Nie zdążył zbyt wiele nauczyć się od swojego ojca-lekarza, gdyż ten zginał bardzo młodo. Jednak ojczym młodego Charlesa również był lekarzem i to o bardzo szerokich horyzontach. Zainteresował go nie tylko nauką, ale również filozofią i sztuką. Sherrington w 1879 roku rozpoczął studia na kierunku medycznym w londyńskim Royal College, jednak szybko przeniósł się do Cambridge. W tym czasie miał niewątpliwe szczęście pracować z najlepszymi fizjologami tamtych lat. Na jednym z kongresów w 1881 roku zaintrygowały go eksperymentalne badania na mózgach małp i psów. Postanowił poświęcić się badaniom układu nerwowego. Podczas swojej naukowej kariery poznał Cajala, którego zaprosił na wykłady do Anglii. Współpraca nie trwała długo, jednak odkrycia hiszpańskiego neurobiologa jeszcze bardziej zachęciły Sherrington do zajęcia się zagadnieniami czucia i odruchów. Ponieważ nie był neuroanatomem, postanowił badać proste zachowania od strony fizjologii.

Kłucie psa

Wszystko zaczęło się od maleńkiego i precyzyjnego ukłucia. Sherrington rozpoczął od badań nad mięśniami i bodźcami bólowymi. Być może dzięki jego młodzieńczemu zamiłowaniu do sportu, m.in. gry w rugby, postanowił skupić się akurat na tym aspekcie neurofizjologii. Badając odruchy – ten termin również zawdzięczamy temu odkrywcy – na bodźce bólowe zaobserwował ciekawe zależności. Pojedyncze bardzo delikatne ukłucie psa w łapę nie wywołało żadnej reakcji. Z kolei seria takich ukłuć następujących po sobie wywołała podobną reakcję jak jedno silniejsze ukłucie. Im szybsza seria ukłuć, tym mocniejsza reakcja – pies podnosił ukłutą łapę, a wyprostowywał pozostałe. Takie behawioralne doświadczenie wskazywało na to, że bodźce pobudzające psa do podkulenia łapy „sumowały się” w czasie, dając efekt taki, jak silniejsze ukłucie. Ponadto, każde podkulenie łapy było w zasadzie odruchowe. Jeżeli było automatyczne, to co mogło stanowić o tak szybkim przewodzeniu informacji? I właśnie – jak szybkim?
Sherrington obliczył to na podstawie czasu, jaki upływa od ukłucia do reakcji oraz odległości jaką musi przebyć impuls. Zauważając, że prędkość przewodzenia impulsu przez akson (40 m/s) jest szybsza niż odruchów (15 m/s), uznał, że komunikacja między neuronami może mieć jakieś opóźnienia. Gdzie może do niego dochodzić? Oczywiście – w synapsie.
To trochę jak z niezwykle szybką koleją. Warszawskie metro chyba nie będzie najlepszym porównaniem, ze względu na małą liczbę możliwości zmiany kierunku. Pociąg zawsze będzie poruszać się szybciej nie mając żadnych stacji, z której musi zabrać pasażerów. Dodatkowo, gdyby pociąg poruszał się w specjalnym tunelu – jak w osłonce mielinowej aksonu – byłby jeszcze szybszy. Lokomotywa to taki impuls nerwowy. Stacje kolejowe to synapsy, na których (w wersji chemicznej) wsiadają pasażerowie – czyli neurotransmitery. Aby sprawnie i bezkolizyjnie przewieźć pasażerów, niektóre pociągi muszą zostać zahamowane. Na dużych dworcach kolejowych pasażerowie przesiadają się także do różnego rodzaju pociągów i podróżują w różne strony. Bardzo rozbudowana sieć połączeń neuronalnych pozwala na komunikację nawet z oddalonymi od siebie lokalizacjami.

Podobnie rzecz wygląda z napinaniem mięśni. Aby ruch był precyzyjny, niektóre mięśnie muszą zostać napięte, inne rozluźnione. Wszystko musi działać bardzo synchronicznie za sprawą neuronów i komunikacji synaptycznej. Aby impuls trafił do mięśnia odpowiedzialnego za skurcz, musi przebyć odpowiednio długą drogę. Neuron presynaptyczny musi wysłać odpowiednio silny impuls do neuronu postsynaptycznego, aby impuls mógł przemieszczać się dalej. Jak silny? Na tyle silny, aby próg pobudliwości został przekroczony. Każde słabe pobudzenie – poniżej progu pobudliwości – zanika w ciągu ułamków sekundy. Jednak seria bardzo szybko następujących po sobie ukłuć w to samo miejsce, wywoływała odruch podkulenia łapy. Sumowanie pobudzenia skutkowało przekroczeniem wartości progowej neuronu postsynaptycznego wyzwalając potencjał czynnościowy. Dzięki czemu impuls mógł zostać przekazany dalej do mięśni.

Dzięki odkryciom Sherringtona wiemy, że synapsy mają zdolność sumowania nie tylko czasowego, ale również przestrzennego. Sherrington znów popisał się genialną intuicją – ukłuł psa delikatnie w dwa różne miejsca jednocześnie. Pies zareagował podobnie jak w przypadku następujących po sobie delikatnych ukłuć. Jeżeli efekt jest ten sam, to potencjały mogą się sumować. Sherringtona wywnioskował, że można pobudzić neuron docelowy za pomocą dwóch niewystarczających do pobudzenia ukłuć. Po zsumowaniu potencjału z dwóch neuronów presynaptycznych, na jednym neuronie postsynaptycznym dochodzi do przekroczenia wartości progowej i przesłania sygnału dalej. Było to ogromne odkrycie jak na tamte czasy (1906) dokonane na podstawie obserwacji behawioralnej.

Jakby tego było mało, Sherrington zaobserwował, że podczas ukłucia dochodzi u psa do serii napięć i rozluźnień mięśni wszystkich łap. Czy oznacza to, że mózg bierze udział w interpretacji każdego bodźca? Może wystarczy sam rdzeń kręgowy? Odpowiedzi na pytania przyniosła metoda eliminacji, w tym przypadku połączenia rdzenia kręgowego z mózgiem. Oczywiście odruch pozostał pomimo przecięcia. To skłoniło badacza do wysnucia wniosku, że ukłucie powoduje wysłanie informacji do interneuronu w rdzeniu kręgowym za pośrednictwem neuronu czuciowego. Interneuron pobudza neurony ruchowe połączone z mięśniem odpowiedzialnym za zginanie łapy. Co dzieje się z pozostałymi mięśniami, które nie ulegają zgięciu? Ostatecznie okazało się, że ten sam interneuron posiada synapsę hamującą z neuronem ruchowym mięśnia prostownika. Jeśli mięśnie prostownika zostają wyhamowane, to łapy pozostają nieruchomo.

Podział receptorów

Dopiero w 1964 roku John Eccles neurofizjologicznie potwierdził te eksperymenty za pomocą rejestracji aktywności pojedynczych neuronów. Sherrington obserwując odruchy mięśniowe, naprężenie ścięgien i zależności pomiędzy układem nerwowym zaproponował triadyczny podział receptorów. Eksteroreceptory odbierają wrażenia ze środowiska zewnętrznego, takie jak światło, dźwięk, ból, czy dotyk. Interoreceptory zlokalizowane w ścianach narządów wewnętrznych odbierają wrażenia np. o zmianie ciśnienia krwi. Trzecia grupa – proprioreceptory – została odkryta właśnie dzięki badaniom Sherringtona.

Trudno wyobrazić sobie, co odczuwa ktoś idący kilka godzin górskim szlakiem zaraz przed nami. Z kolei my jeśli się nad tym zastanowimy, doskonale zdajemy sobie sprawę, które z naszych mięśni właśnie się napinają, a które rozluźniają. Dzięki którym mięśniom możemy iść dalej, a które po nadwyrężeniu pozbawiłby nas tej przyjemności. Dzięki zmysłowi propriocepcji możemy odczuwać wszystkie zmiany związane z poruszaniem się. Możemy się o tym przekonać, kiedy idziemy w zupełnej ciemności albo po prostu nie patrzymy pod nogi. W codziennych sytuacjach o propriocepcji możemy się przekonać dopiero kiedy nastąpi jakaś zmiana. Gdy z chodnika wstąpimy na błotniste podłoże, czy staniemy nogą na wystającą kostkę brukową. Nie o samą zmianę tu chodzi, lecz o to jak szybko nasz układ nerwowy jest w stanie się do niej dostosować. Jak sygnały docierające z naszych stóp wpływają na zmianę zachowania się mięśni. Czucie zmian zachodzi w proprioreceptorach znajdujących się w mięśniach, ścięgnach czy stawach. Pozwala to na swobodne poruszanie się bez konieczności spoglądania na kończyny.
Badania i eksperymenty Sherringtona zostały godnie nagrodzone. W 1932 roku wraz Edgarem Douglasem Adrianem otrzymali nagrodę Nobla za odkrycia dotyczące funkcji neuronów. Sherrington był doskonałym kontynuatorem tego, co rozpoczął Cajal. Jako jeden z kluczowych bohaterów historii neurobiologii zbudował fundament dla badań nad synapsami i ich molekularnego funkcjonowania.

Maciej Dulewicz