Neuroscience: Science of The Brain in Polish
Neuroscience: Science of The Brain in Polish
Neuroscience: Science of The Brain in Polish
Neuroscience: The Science of the Brian This is the Polish language translation of the public education booklet. This translation was made for IBRO by: Katarzyna Jednorg, Magorzata Kossut, Katarzyna ukasiuk, Matylda Macias, Artur Marchewka, Ksenia Meyza, Aleksander Michalski, Dorota Nowicka, Seweryn Olkowicz, Iwona Szatkowska, Joanna Urban-Cieko, Wioletta Waleszczyk, Marek Wypych Barbara Przewlocka, Ryszard Przewlocki, Lidia Radwan, Jerzy Vetulani The Nencki Institute Of Experimental Biology in Warsaw.
El bieta Pyza
The Institute of Zoology, Jagiellonian University in Krakow Department of Medical Psychology, Medical University of Warsaw Medical University of Lublin.
Desktop publishing by El bieta Dziedzicka and Mikoaj Przewlocki. The British Neuroscience Association (BNA) commissioned the booklet for the purposes of teaching young people in the UK about their Brain and Neuroscience the science of the brain. The booklet contains short explanatory chapters on different subjects written by experts in each topic. The original booklet was published in 2004. In 2005 the International Brain Research Organisation (IBRO) purchased the copyright of the booklet. We have commissioned members of our organisation to translate the booklet in multiple languages. In addition to the Polish version that you are now reading the booklet is available in a further sixteen languages also contained on this CDROM.
We hope that you will use these translations for the purpose of improving public understanding and awareness of the brain and the importance of brain research. IBRO and the BNA are happy for you to make printed copies or clone theses PDFfiles. However this should not be done for profit. For more information please read the additional information that is appended at the end of the booklet. Contents Pages 2-59: Neuroscience The Science of the Brain (Polish version) Page 60-70: Additional information (English). An introduction to IBRO and the CDROM:
NEUROSCIENCE
NAUKA O MZGU
WPROWADZENIE DLA MODZIEY
British Neuroscience Association European Dana Alliance for the Brain Polskie Towarzystwo Bada Ukadu Nerwowego
Ksiazeczka ta zostala przygotowana i opracowana dla British Neuroscience Association i European Dana Alliance for the Brain przez Richarda Morrisa z Uniwersytetu w Edynburgu i Marianne Fillenz z Uniwersytetu w Oxfordzie. Opracowanie graficzne Jane Grainger z Grainger Dunsmore Design Studio w Edynburgu. Jestesmy wdzieczni za wklad w realizacje tego projektu kolegom z Division of Neuroscience, szczeglnie Victorii Gill, oraz innym badaczom ukladu nerwowego z Edynburga. Dziekujemy rwniez za pomoc naukowcom z Department of Physiology Uniwersytetu w Oxfordzie, szczeglnie Colin Blakemore, a takze wsplpracownikom z innych instytucji. Ich nazwiska sa wymienione na koncu broszury. The British Neuroscience Association (BNA) jest towarzystwem naukowym w Wielkiej Brytanii, ktrego celem jest dazenie do lepszego zrozumienia dzialania ukladu nerwowego i jego zaburzen. BNA zrzesza zarwno uznanych naukowcw, jak i doktorantw. Doroczne wiosenne zjazdy BNA stanowia forum dla prezentacji postepw badan nad mzgiem. Liczne oddzialy lokalne Towarzystwa organizuja seminaria, wystawy w miejscowych muzeach, zajecia w szkolach i spotkania ze spolecznoscia lokalna. Wiecej informacji o BNA znajduje sie na stronie internetowej w jez. angielskim: http://www.bna.org.uk/. The European Dana Alliance for the Brain (EDAB) ma na celu uswiadamianie spoleczenstwu i osobom sprawujacym wladze znaczenia badan nad mzgiem, a takze upowszechnianie wiedzy o mzgu, jego dzialaniu i zwiazanych z nim chorobach w sposb kompetentny i przystepny. EDAB liczy ponad 125 czlonkw reprezentujacych 24 kraje europejskie. Wiecej informacji o EDAB znajduje sie na stronie internetowej w jez. angielskim: http://www.edab.net/. Polskie Towarzystwo Badan Ukladu Nerwowego (PTBUN) jest stowarzyszeniem zajmujacym sie organizowaniem i popieraniem dzialan zmierzajacych do rozwoju badan nad ukladem nerwowym, upowszechnianiem osiagniec naukowych w tej dziedzinie oraz prowadzeniem dzialalnosci popularyzacyjnej, szkoleniowej i wydawniczej. Wiecej informacji o PTBUN znajduje sie na stronie internetowej: http://www.ptbun.org.pl
Published by The British Neuroscience Association The Sherrington Buildings Ashton Street Liverpool L69 3GE UK Copyright British Neuroscience Association 2003 Wszelkie prawa zastrzezone. Zadna czesc niniejszej publikacji nie moze byc reprodukowana bez pisemnej zgody British Neuroscience Association First Published 2003 ISBN: 0-9545204--0-8
Ilustracja na tej stronie przedstawia neurony kory mzgowej widoczne dzieki specjalnemu wybarwieniu przyleglych komrek. Pole tekstowe:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
System nerwowy
Komrki nerwowe i potencja czynnociowy 4 Przekaniki chemiczne 7 Substancje uzaleniajce a mzg 9 Dotyk i bl Wzrok Ruch Rozwijajcy si ukad nerwowy Dysleksja Plastyczno Uczenie si i pami Stres
11 14 19 22 25 27 30 35
System odpornociowy 37 Sen Obrazowanie mzgu Sieci neuronalne i sztuczne mzgi Kiedy co le dziaa Etyka bada ukadu nerwowego Studia i kariery Polecane lektury i podzikowania
39 41 44 47 52 54 56
Inside our heads, weighing about 1.5 kg, is an astonishing living organ W naszej czaszce mieci si niezwyky ywy narzd, wacy okoo 1.5 kg, skadajcy consisting of billions of tiny cells. It enables us to sense the world around us, si z miliardwto talk. komrek. Umoliwia nam on odczuwanie otaczajcego nas to think and maych The human brain is the most complex organ of the body, wiata, mylenie i mwienie. Mzg ludzki jest najbardziejbooklet isnarzdem ciaa and arguably the most complex thing on earth. This zoonym an i introduction for young students. zapewne najbardziej skomplikowanym tworem na Ziemi. Ksieczka ta, przeznaczona dla modych czytelnikw, jest wstpem do jego poznania. In this booklet, we describe what we know about how the brain works and Naszamuch theremwi o tym,learn. Itso dziaaniu naszego mzgu i jak wiele jeszcze how ksieczka still is to co wiemy study involves scientists and medical odoctorswiemy. many disciplines, ranging si uczeni i lekarze specjalizujcy si nim nie from Badaniom mzgu powicili from molecular biology through to w rnych dziedzinach: od biologii molekularnej, poprzez psychologi dowiadczaln, experimental psychology, as well as the disciplines of anatomy, physiology anatomi, fizjologi, do farmakologi. Ich wsplne wysiki doprowadziy do powstania and pharmacology. Their shared interest has led to a new discipline called nowej gazi naukithe science of the brain. o mzgu. neuroscience - zwanej neurobiologi nauk Opisany w tej ksieczce mzg moe zrobi wiele, lecz nie wszystko. Zawiera on The brain described in our booklet can do a lot ze sob everything. te komrki nerwowe tworzce go cegieki poczone but not w sieci. Sieci It has nerve cells - its building aktywnoci elektrycznej i chemicznej. Opisywany znajduj si w stanie staej blocks - and these are connected together in przez networks. These networks are in a constant i przy pomocy chemicznych nas mzg moe myle i czu. Moe odczuwa blstate of electrical and chemical activity. The brain we describe can see and feel. It obszarw pain and its wybiegw kontrolowa niemie efekty blu. Zawiera wiele can sense przeznaczonych chemical tricks ruchw, aby the uncomfortable wymylne dziaania. do koordynowania help controlprzeprowadza rneeffects of pain. It has several areas devoted to co-ordinating our movements to carry out Mzg, ktry potrafi dokona tych i wielu innych rzeczy nie powstaje w gotowym sophisticated actions. A brain that can do these and many other things ksztacie:come fully formed: it develops gradually and we describe some of the doesnt rozwija si stopniowo, a my opiszemy niektre z gwnych genw uczestniczcych w tym procesie.or more of lub wicej z tych genw dziaa key genes involved. When one Gdy jeden these genes goes wrong, various nieprawidowo rozwijaj sias dyslexia. There jak np. dysleksja.between how the conditions develop, such rne zaburzenia, are similarities Istniej podobiestwa pomidzy rozwojem mzgu i mechanizmami odpowiedzialnymi za brain develops and the mechanisms responsible for altering the connections zmiany pocze midzy komrkamiprocess called neuronal plasticity. Plasticity between nerve cells later on - a w pniejszym yciu procesem zwanym neuroplastycznoci. Uwaa si, e plastyczno leyOur booklets brain can is thought to underlie learning and remembering. u podstaw uczenia si i remember telephone numbers and what you zapamita zarwno Regrettably, pamici. Mzg opisany w tej ksieczce moe did last Christmas. numer telefoniczny, jak iato, co robilimy w ostatnie Boe holidays, it doesnt eat or particularly for brain that remembers family Narodzenie. drink. So its all a dla mzgu, But it does get stressed, as we all do, and je Niestety, zwaszczabit limited. ktry pamita wita rodzinne, nie potrafi onwe touch wskutek tego jest nieco ograniczony. Natomiast, podobnie can lead ani pi ion some of the hormonal and molecular mechanisms that jak my to extreme anxiety - such as many of us feel in the run-up to hormonalne wszyscy, potrafi si stresowa. Omwimy niektre mechanizmyexaminations. i Thats a timektre mog prowadzi do olbrzymiego niepokoju rest it needs. molekularne, when sleep is important, so we let it have the takiego, jaki Sadly,nascan also become diseased and injured. do egzaminw. Poniewa jest wielu z it odczuwa przygotowujc si pospiesznie to okres, w ktrym wany jest sen, musimy mu pozwoli na niezbdny odpoczynek. New techniques, such as special electrodes uszkodzeniu. Niestety, czasem mzg moe ulec chorobie lub that can touch the surface of cells, optical imaging, human brain scanning machines, and silicon chips Nowe techniki, takie jak specjalne elektrody dotykajce face of modern containing artificial brain circuits are all changing the powierzchni komrek, obrazowanie optyczne, maszyny skanujce mzgtouch onchipy silikonowe neuroscience. We introduce these to you and ludzki i some of the ethical zawierajcesocial implicationsmzgowe wci zmieniaj oblicze wspczesnej issues and sztuczne obwody emerging from brain research. neurobiologii. Wprowadzimy Ci w to dotykajc rwnie pewnych zagadnie etycznych i implikacji spoecznych wyaniajcych si z bada nad mzgiem.
System nerwowy
Neurony s zbudowane z ciaa komrkowego i dwch rodzajw wypustek przekazujcych bodce aksonw i odbierajcych informacje dendrytw. W przekazywaniu i odbieraniu impulsw midzy neuronami porednicz specjalne poczenia zwane synapsami (patrz Rozdzia 2 i 3). Neurony s zorganizowane w zoone acuchy i sieci, ktre s drogami przekazu informacji w ukadzie nerwowym. Mzg i rdze krgowy s poczone z receptorami zmysowymi i miniami za pomoc dugich aksonw, ktre tworz obwodowy ukad nerwowy. Rdze krgowy peni dwie funkcje: jest zarwno przekanikiem prostych bodcw jak ruch kolana czy cofnicie koczyny po kontakcie z gorcym przedmiotem lub po ukuciu szpilk, jak rwnie bardziej zoonych odruchw. Mona go porwna do autostrady midzy ciaem a mzgiem, ktr podruj informacje w obu kierunkach. Podstawowe struktury systemu nerwowego s identyczne u wszystkich krgowcw, a cech wyrniajc ludzki mzg jest jego wielko w stosunku do reszty ciaa. Jest to spowodowane przez bardzo duy wzrost iloci interneuronw w czasie ewolucji, co pozwala czowiekowi na bardzo szeroki zakres odbioru bodcw rodowiskowych.
Podstawowa struktura
Ukad nerwowy skada si z mzgu, rdzenia krgowego i obwodowych nerww. Jest zbudowany z komrek nerwowych zwanych neuronami, oraz komrek pomocniczych zwanych komrkami glejowymi. S trzy gwne typy neuronw. Neurony zmysowe (ang. sensory neurons) s poczone z receptorami odpowiedzialnymi za odbir i odpowied na rne bodce rodowiska wewntrznego i zewntrznego. Receptory wraliwe na zmiany owietlenia, dwiku, stymulacj mechaniczn i chemiczn wspomagaj zmysy wzroku, suchu, dotyku, zapachu czy smaku. Kiedy stymulacja mechaniczna, cieplna lub chemiczna skry przewysza okrelon warto moe spowodowa zniszczenia tkanki, a wtedy aktywowany jest specjalny zestaw receptorw zwanych blowymi (ang. nociceptors). Powoduj one wzrost zarwno odpowiedzi obronnej jak i uczucia blu (patrz Rozdzia 5). Neurony motoryczne (ang. motor neurons), ktre kontroluj aktywno mini, s odpowiedzialne za wszelkie formy zachowania, wczajc w to mow. Interneurony znajduj si midzy neuronami zmysowymi i motorycznymi. Interneurony porednicz w przekazie najprostszych bodcw, ale s te odpowiedzialne za najbardziej zoone dziaania mzgu. Komrki glejowe, ktre byy dugo uwaane za majce jedynie funkcj wspomagajc neurony, w rzeczywistoci maj duy wpyw na rozwj systemu nerwowego oraz funkcjonowanie dorosego mzgu. S one duo liczniejsze ni neurony, ale nie przewodz bodcw w typowy dla nich sposb.
Anatomia mzgu
Mzg skada si z pnia i dwch pkul. Pie mzgu obejmuje tyomzgowie, rdmzgowie i midzymzgowie. Tyomzgowie jest przedueniem rdzenia krgowego. Zawiera sieci neuronw, ktre tworz orodki odpowiadajce za kontrol podstawowych funkcji yciowych jak oddychanie czy cinienie krwi. Cz grzbietowa tyomzgowia wtrnego tworzy mdek, ktry odgrywa gwn rol w kontroli i koordynacji ruchw (patrz Rozdziay 7 i 9). rdmzgowie zawiera grupy neuronw, wykorzystujcych rne rodzaje chemicznych przekanikw i wysyajcych aksony do obu pkul. Mog one modulowa aktywno neuronw w wyszych partiach mzgu, wpywajc na takie jego czynnoci jak sen, uwaga czy funkcja ukadu nagrody.
Midzymzgowie jest podzielone na dwie rne czci nazywane wzgrzem (ang. thalamus) i podwzgrzem (ang. hypothalamus). Wzgrze przekazuje impulsy ze wszystkich narzdw zmysw do kory mzgowej, ktra wysya informacje zwrotne do wzgrza. Podwzgrze kontroluje funkcje takie jak jedzenie czy picie, a take reguluje wydzielanie hormonw odpowiadajcych za funkcje seksualne.
Widok na mzg z boku pokazujcy podzia midzy pkul a pniem mzgu, na ktrego przedueniu znajduje si mdek.
pkula mzgu mdek pie mzgu
Dwie pkule mzgu skadaj si z jder podstawy oraz rozlegej, cho cienkiej, warstwy neuronw tworzcych istot szar kory mzgowej. Jdra podstawy peni gwn rol w inicjacji i kontroli ruchw (patrz Rozdzia 7). Kora mzgowa jest najbardziej rozwinit czci mzgu czowieka cztery razy bardziej ni u goryli. Jest ona pofado-wana i podzielona na du liczb odrbnych obszarw, rozpoznawalnych dziki swoim warstwom i poczeniom. Funkcje wielu z tych regionw, odpowiedzialnych np. za wzrok, such, wch, odbieranie bodcw ze skry (ang. somaesthetic areas) czy rne dziaania motoryczne, zostay dobrze poznane. Drogi przekazu od receptorw w narzdach zmysw do kory mzgowej i od kory mzgowej do mini krzyuj si przechodzc z jednej strony na drug. Dlatego ruchy prawej czci ciaa s kontrolowane przez lew cz kory mzgowej i odwrotnie. Podobnie, lewa poowa ciaa wysya sygnay z narzdw zmysw do prawej pkuli, dlatego na przykad dwiki z lewego ucha dochodz gwnie do prawej czci kory mzgowej. Jednake, dwie czci mzgu nie dziaaj niezalenie od siebie gdy lewa i prawa cz kory mzgowej s poczone du struktur nazywan spoidem wielkim (ang. corpus callosum). . Kora mzgowa jest odpowiedzialna za spontaniczne zachowania, jzyk, mow i wysze funkcje takie jak mylenie czy zapamitywanie. Wiele z tych funkcji jest warunkowanych przez obie strony mzgu, ale niektre s zwizane z jedn z pkul. Obszary zwizane z niektrymi z wyszych funkcji, jak mowa (ktra jest warunkowana przez lew pkul u wikszoci ludzi), s zidentyfikowane. Jednake jest jeszcze wiele do odkrycia, szczeglnie w kwestii tak fascynujcych zagadnie jak wiadomo i dlatego poznawanie funkcji kory mzgowej jest jedn z najbardziej emocjonujcych i rozwijajcych si dziedzin neurologii.
Pierwsza ilustracja neuronw i dendrytw wykonana przez Cajala. Znakomite rysunki neuronw w mdku wykonane przez Cajala.
komrka piramidalna
akson
akson
akson
Dynamiczny neuron
Komrka nerwowa skada si z dendrytw, ciaa komrkowego, aksonu i zakocze synaptycznych. Odpowiada to funkcjonalnemu podziaowi neuronu na czci odbierajce, integrujce i transmitujce. W uproszczeniu, funkcja dendrytu polega na odbieraniu, ciao komrkowe integruje, a aksony transmituj. Koncepcj t okrela si nazw: polaryzacja, poniewa najprawdopodobniej informacja w komrce nerwowej przepywa tylko w jednym kierunku.
Dendryty Ciao komrkowe Akson Synapsa
Odbieranie
Integracja
Transmisja
Wewntrz neuronw istnieje szereg przedziaw (kompartmentw). Zbudowane s one z biaek, syntetyzowanych przede wszystkim w ciele komrki, ktre s transportowane wzdu cytoszkieletu. Niewielkie wypustki, wystajce z dendrytw, nosz nazw kolcw dendrytycznych, na ktrych dochodzce do neuronu aksony tworz poczenia. Dla tworzenia i utrzymywania pocze midzy neuronami due znaczenie maj dostarczane do kolcw dendrytycznych biaka. Biaka te podlegaj nieustannemu obrotowi i po wykonaniu swojego zadania s zastpowane przez nowe czsteczki. Procesy te wymagaj duych iloci paliwa", pochodzcego z siowni" wewntrzkomrkowych (mitochondriw). Zakoczenia aksonw reaguj ponadto na czynniki wzrostowe. Czsteczki te s pobierane do wntrza neuronu, a nastpnie transportowane do ciaa komrkowego, gdzie wpywaj na ekspresj genw, a co za tym idzie - biosyntez biaek. Pozwala to komrce nerwowej na wyduanie dendrytw lub inne dynamiczne zmiany jej ksztatu i funkcji. Informacje, czynniki odywcze oraz przekaniki przepywaj bezustannie do i od ciaa neuronu.
Podstawowe pojcia dotyczce neuronu Podobnie jak budowla, komrka nerwowa posiada okrelon konstrukcj. Zewntrzna bona komrkowa neuronu, zbudowana z substancji tuszczowych, jest rozpita na cytoszkielecie zoonym z paeczek biaek tubularnych i wkienkowych, ktry rozciga si we wntrzu dendrytw i aksonu. Struktura ta przypomina pacht rozpit na szkielecie namiotu. Poszczeglne czci komrki nerwowej nieustannie poruszaj si. Te cige przeksztacenia s efektem wasnej aktywnoci neuronu a take ssiadujcych z nim komrek. Dendryty zmieniaj swj ksztat w efekcie tworzenia nowych pocze i zaniku innych. Aksony wytwarzaj nowe zakoczenia w miar jak neuron stara si przemawia goniej lub ciszej do innych neuronw.
Kolce dendrytyczne to niewielkie, zielone wypustki wystajce z zabarwionych na zielono dendrytw komrki nerwowej. To na nich znajduj si synapsy.
Potencja czynnociowy
Aby neurony mogy si ze sob komunikowa, sygna neuronalny musi przedosta si z ciaa komrkowego do zakocze aksonu. W jaki sposb? Komrki nerwowe wykorzystuj energi zgromadzon w postaci gradientw fizycznych i chemicznych. Aksony neuronw transmituj impulsy elektryczne noszce nazw potencjaw czynnociowych, ktre przepywaj
Wikszo synaps w korze mzgowej jest zlokalizowana na kolcach dendrytycznych. Komunikacja pomidzy komrkami nerwowymi w tych poczeniach ma charakter chemiczny i nosi nazw przekanictwa synaptycznego. Omawia je Rozdzia 3. Gdy dendryt odbierze jeden z przekanikw chemicznych, ktry zosta wyrzucony po drugiej stronie szczeliny synaptycznej oddzielajcej akson od dendrytu, przez bon dendrytu zaczynaj przepywa miniaturowe prdy elektryczne. Zazwyczaj s to prdy wpywajce do wntrza dendrytu, okrelane jako pobudzajce. Prdy mog take wypywa na zewntrz komrki i wtedy nosza nazw prdw hamujcych. Zarwno dodatnie jak i ujemne wahania prdu, powstajce w bonach dendrytw, przepywaj do ciaa komrkowego. Jeeli ich suma jest niewielka, prdy takie zanikaj i nie uruchamiaj dalszych procesw. Jednak jeli w wyniku ich dodawania zostanie przekroczona okrelona warto progowa, to komrka nerwowa wyle wiadomo do innych neuronw. Mona powiedzie, e neuron jest miniaturowym kalkulatorem, bezustannie wykonujcym dziaania dodawania i odejmowania. Dodaje on i odejmuje wiadomoci, pochodzce z innych neuronw. Niektre synapsy wywouj pobudzenie a inne - hamowanie. To, w jaki sposb przyczyniaj si one do powstania wrae, myli i ruchu, jest uzalenione od rodzaju sieci neuronalnej, do ktrej naley dana komrka nerwowa.
wzdu wkien nerwowych, podobnie jak fale przez skakank. W bonie aksonu znajduj si kanay jonowe, ktre mog si otwiera i przepuszcza naadowane elektrycznie jony. Niektre kanay przepuszczaj jony sodowe (Na+) a inne - jony potasowe (K+). Gdy kanay s otwarte, jony Na+ i K+ przepywaj do wntrza komrki i na zewntrz zgodnie z gradientami chemicznymi i elektrycznymi. Dochodzi do tego w reakcji na depolaryzacj bony komrki nerwowej.
Potencja czynnociowy
Wkna nerwowe (aksony zabarwione na fioletowo) s owinite przez komrki Schwanna (czerwone), ktre zapewniaj izolacj elektryczn wkien od rodowiska midzykomrkowego. Kolory pochodz od barwnikw fluorescencyjnych, przyczajcych si do nowoodkrytego kompleksu biakowego. Zniszczenie tego kompleksu jest przyczyn dziedzicznej choroby, prowadzcej do zaniku miniowego.
Niedawno zidentyfikowano biaka budujce otoczk mielinow. Zapobiega ona przepywaniu jonw przez bon aksonu w nieodpowiednich miejscach. Pomidzy poszczeglnymi komrkami glejowymi istniej jednak niewielkie szczeliny. W tych miejscach w bonie aksonu koncentruj si kanay Na+ oraz K+. Grupy kanaw jonowych dziaaj jak wzmacniacze, podtrzymujce i przyspieszajce przesuwanie si potencjau czynnociowego, ktry dosownie skacze wzdu wkna nerwowego. Prdko przewodzenia potencjau czynnociowego moe siga nawet 100 metrw na sekund. Potencjay czynnociowe wystpuj zgodnie z zasad: wszystko albo nic". Nie rni si one pomidzy sob wielkoci, rny moe natomiast by czas ich wystpowania. Z tego powodu, jedynym sposobem, w jaki moe zosta zakodowana sia bodca lub czas jego trwania jest zmiana czstotliwoci potencjaw czynnociowych. Najbardziej wydajne aksony mog przewodzi potencjay czynnociowe z czstotliwoci sigajc 1000 na sekund.
Alan Hodgkin i Andrew Huxley otrzymali nagrod Nobla za odkrycie mechanizmu przewodzenia potencjau czynnociowego. Badania przeprowadzili oni na olbrzymich aksonach mtwy w Plymouth Marine Biology Laboratory
Izolacja aksonw
W wielu aksonach potencjay czynnociowe przemieszczaj si powoli. W innych, prdko ta jest bardzo dua dziki owiniciu dugich fragmentw wkna przez izolujc otoczk biakowo-tuszczow. Otoczka, noszca nazw otoczki mielinowej, jest wytworem rozcignitych bon komrek glejowych.
Przekaniki chemiczne
Potencja czynnociowy rozprzestrzenia si wzdu aksonu docierajc do wyspecjalizowanych obszarw zwanych synapsami, gdzie aksony kontaktuj si z dendrytami innych neuronw. Synapsa jest zoona z presynaptycznego zakoczenia nerwowego i oddzielonej niewielk przerw czci postsynaptycznej usytuowanej czsto na kolcu dendrytycznym. Prdy elektryczne, odpowiedzialne za rozprzestrzenianie si potencjau czynnociowego wzdu aksonw, nie mog sforsowa przerwy synaptycznej. Transmisja w jej obrbie zachodzi przy udziale chemicznych przekanikw zwanych neuroprzekanikami.
miniaturowe odkurzacze zwane transporterami, ktre wysysaj i usuwaj chemiczne przekaniki ze szczeliny zanim nadejdzie nastpny potencja czynnociowy. Nie jest to marnotrawstwo, bo komrki glejowe przetwarzaj i przesyaj przekanik z powrotem do zakoczenia nerwowego, gdzie jest magazynowany w pcherzykach. Sprztanie z udziaem komrek glejowych to nie jedyny sposb usuwania neuroprzekanikw z synapsy. Neurony mog pompowa czsteczki przekanika zwrotnie wprost do zakocze nerwowych, bd moe on by rozkadany w szczelinie synaptycznej przez biaka enzymatyczne.
To przedstawia chemiczny przekanik upakowany w sferycznych pcherzykach gotowy do uwolnienia do szczeliny synaptycznej.
Magazynowanie i uwalnianie
Neuroprzekaniki s przechowywane w zakoczeniach aksonw, w pcherzykach synaptycznych. Wiksze pcherzyki stanowi magazyn, a z mniejszych wystpujcych bliej bony zakoczenia neuronu uwalniany jest przekanik. Potencja czynnociowy docierajc do zakoczenia nerwowego powoduje otwarcie kanaw jonowych i wniknicie jonw wapnia (Ca++), ktre aktywuj enzymy oddziaujce na wiele biaek presynaptycznych o egzotycznych nazwach, jak snare, tagmina, brewina. Dopiero niedawno odkryto, e takie presynaptyczne biaka wspzawodniczc w naznaczaniu i przechwytywaniu innych biaek sprawiaj, e pcherzyki synaptyczne ulegaj fuzji z bon presynaptyczn i uwalniaj chemiczny przekanik z zakoczenia nerwowego. Nastpnie przekanik dyfunduje poprzez 20. nanometrow przerw - szczelin synaptyczn. Pcherzyki synaptyczne s stale odtwarzane - ich bony z powrotem odpczkowuj do wntrza zakoczenia nerwowego, gdzie ponownie zostaj napenione neuroprzekanikiem. Neuroprzekanik po wydostaniu si na zewntrz (co zachodzi w uamku milisekundy) wchodzi w interakcj z molekularnymi strukturami, receptorami, w bonie nastpnego neuronu. Wok szczeliny synaptycznej czaj si komrki glejowe. Niektre z nich trzymaj w pogotowiu
Effector
Receptory jonotropowe (po lewej) posiadaj kana jonowy, poprzez ktry wnikaj jony (takie jak Na+ i K+). Kana skada si z piciu podjednostek uoonych kolicie. Receptory metabotropowe (po prawej) nie maj kanaw, ale wewntrz bony komrkowej s sprzone z biakami G, ktre mog przesa wiadomo.
Identyfikacja przekanikw
Wrd wielu przekanikw dziaajcych na receptory sprzone z biakami G znajduj si acetylocholina, dopamina i noradrenalina. Neurony zawierajce te przekaniki wystpuj w stosunkowo niewielkiej iloci, ale posiadaj aksony docierajce do wielu miejsc w mzgu (patrz ryc. poniej). W mzgu czowieka jest zaledwie 1600 neuronw noradrenergicznych, ale wysyaj one aksony do wszystkich czci mzgu i rdzenia krgowego. Przekaniki modulujce nie przekazuj precyzyjnej informacji czuciowej, ale ich rol jest dostrajanie aktywnoci rozproszonych zespow neuronalnych by zoptymalizowa ich dziaanie. Noradrenalina, uwalniana w odpowiedzi na rne rodzaje bodcw i stresu, pomaga zorganizowa zoon reakcj wielu sieci neuronalnych. Dopamina, poprzez dziaanie na orodki mzgu zwizane z pozytywnymi zjawiskami emocjonalnymi (patrz Rozdzia 4) sprawia, e pewne sytuacje maj warto nagradzajc. Z kolei acetylocholina, odkryta jako pierwszy neuroprzekanik, dziaa przez receptory jonotropowe i metabotropowe. Uywa mechanizmw jonowych do sygnalizacji pomidzy neuronami ruchowymi a miniami prkowanymi poprzez pytk nerwowo-miniow, i take peni rol neuromodulatora.
Pobudzeniowy potencja synaptyczny (epsp) jest to zmiana potencjau bony z -70mV do wartoci bliskiej 0 mV. Hamujcy potencja synaptyczny (ipsp) ma efekt przeciwny.
Przekaniki modulujce
Poszukiwania majce na celu zidentyfikowanie pobudzajcych i hamujcych neuroprzekanikw dowiody istnienia wielu rnych substancji chemicznych uwalnianych z neuronw. Wiele z nich wpywa na mechanizmy neuronalne poprzez dziaanie na rne grupy biaek bonowych, nazwanych receptorami metabotropowymi. Nie posiadaj one kanaw jonowych, czasem wystpuj poza obszarem synapsy, i co istotne, nie powoduj powstania potencjau czynnociowego. Obecnie uwaa si, e receptory te s odpowiedzialne za integracj i modulacj szerokiego wachlarza procesw chemicznych zachodzcych wewntrz neuronw, a ich dziaanie zwane jest neuromodulacj. Receptory metabotropowe wchodz w skad kompleksw molekularnych stanowicych poczenie zewntrznej czci komrki z enzymami wystpujcymi wewntrzkomrkowo i wpywajcymi na metabolizm komrkowy. Po rozpoznaniu i przyczeniu neuroprzekanika do receptora metabotropowego, aktywowane s molekuy pomostowe - tak zwane biaka G - oraz inne biaka zwizane z bon. Przyczenie przekanika do odpowiedniego miejsca rozpoznania w receptorze metabotropowym moe by porwnane z woeniem klucza inicjujcego zapon. Proces ten, w przeciwiestwie
Komrki zawierajce noradrenalin wystpuj w jdrze sinawym (LC). Aksony tych komrek rozprzestrzeniaj si w rdmzgowiu - w podwzgrzu (Hyp), mdku (C) i w korze mzgowej. Pozostae skrty oznaczaj inne struktury mzgu.
Wielu ludzi stale pragnie zmienia swj stan wiadomoci przy pomocy substancji chemicznych. Jedni uywaj rodkw psychostymulujcych, by uatwi sobie czuwanie; inni - rodkw uspokajajcych, by ukoi nerwy. Niektrzy prbuj nawet substancji, ktre umoliwiaj dowiadczanie nowych stanw wiadomoci i zapomnienie o codziennych kopotach. Wszystkie te rodki wpywaj na ukady neuroprzekanikw i innych czsteczek sygnaowych w mzgu. Czsto przejmuj one kontrol nad ukadami w mzgu, ktre su odczuwaniu przyjemnoci i nagrody - czyli nad procesami psychologicznymi wanymi dla jedzenia, picia, seksu, a nawet uczenia si i pamici.
si do obecnoci uywanej substancji, lecz pozostaje tajemnic, jakie dokadnie zmiany w mzgu temu towarzysz. Chocia cakiem rne s miejsca bezporedniego dziaania heroiny, amfetamin, nikotyny, kokainy i marihuany, wszystkie te rodki czy zdolno do uwalniania neuroprzekanika dopaminy w pewnych czciach mzgu. Uwaa si, e uwalnianie dopaminy moe by istotnym wsplnym ogniwem kocowym w mzgowych ukadach przyjemnoci i stanowi sygna, ktry skania czowieka do dalszego przyjmowania substancji.
Droga do uzalenienia
Substancje, ktre wpywaj na mzg maj wielk warto - jak np. rodki przeciwblowe. Ich rekreacyjne uywanie ma jednak zupenie inny cel i niesie ze sob ryzyko naduywania, a take uzalenienia. Wwczas zaprzestanie przyjmowania narkotyku powoduje bardzo nieprzyjemne fizyczne i psychiczne objawy odstawienia. Stan uzalenienia prowadzi do silnego pragnienia substancji, nawet jeli jej przyjmowanie w oczywisty sposb szkodzi pracy zawodowej, zdrowiu i rodzinie. W skrajnych przypadkach osoby uzalenione mog nawet posun si do popeniania przestpstw w celu zdobycia narkotyku. Wrd osb zaywajcych rodki uzaleniajce w celach rekreacyjnych, stopie uzalenienia jest bardzo zrnicowany. Substancje rni si prawdopodobiestwem wywoania uzalenienia - ryzyko to jest wysokie w przypadku kokainy, heroiny i nikotyny, a nisze w przypadku alkoholu, marihuany, ecstasy i amfetamin. Podczas rozwoju uzalenienia ciao i mzg powoli przystosowuj
Jak dziaaj i jakie niebezpieczestwa niesie zaywanie poszczeglnych substancji uzaleniajcych? Alkohol
Alkohol dziaa na ukady neuroprzekanikowe w mzgu hamujc sygnay pobudzajce oraz nasilajc sygnay hamujce aktywno neuronw. Dziaanie alkoholu postpuje od rozlunienia i dobrego humoru po jednym drinku, poprzez senno, a po utrat wiadomoci. Dlatego policja, jak i opinia publiczna, tak surowo traktuj pijanych kierowcw. Niektre osoby po spoyciu alkoholu staj si bardzo agresywne. Okoo 10% osb pijcych regularnie uzalenia si od alkoholu. Dugotrwae uywanie alkoholu przynosi szkody zdrowotne, uszkadzajc zwaszcza wtrob i moe powodowa trwae uszkodzenie mzgu. Picie alkoholu przez kobiety w ciy niesie ryzyko uszkodzenia mzgu i niskiego ilorazu inteligencji u potomstwa. Badania wskazuj, e co czwarty mody Europejczyk w wieku 15-29 lat umiera z powodw zwizanych z piciem alkoholu. W Europie Wschodniej alkohol jest sprawc nawet co trzeciego zgonu modych osb!.
Tyto Alkohol Marihuana rodki uspokajajce i inne rodki na recept Kokaina Heroina
Amfetaminy
Amfetaminy to zsyntetyzowane przez czowieka substancje chemiczne, do ktrych nale deksedryna, amfetamina (ang. speed) i pochodna metamfetaminy ecstasy. Substancje te dziaaj na mzg powodujc uwalnianie dwch naturalnie wystpujcych neuroprzekanikw. Jednym jest dopamina, co prawdopodobnie wyjania silnie pobudzajce dziaanie amfetamin i powodowanie przez nie odczucia przyjemnoci. Drugim jest serotonina - co, jak si uwaa, odpowiada za wywoywanie przez amfetaminy dobrego samopoczucia oraz stanu przypominajcego nienie, ktremu mog towarzyszy halucynacje. Amfetaminy s bardzo silnymi psychostymulantami i mog by niebezpieczne, zwaszcza w przypadku przedawkowania. W badaniach na zwierztach wykazano, e ecstasy moe powodowa dugotrwae, a niewykluczone, e nieodwracalne uszkodzenie komrek serotoninowych. Moe by to przyczyn depresji rdtygodniowej (ang. mid-week blues), na jak cierpi weekendowi uytkownicy ecstasy. Co roku dziesitki modych ludzi umieraj w wyniku przyjcia tego narkotyku. Natomiast deksedryna i amfetamina mog wywoywa budzce przeraenie psychozy, podobne do schizofrenii. Nie pozwlcie si wic zwie myli, e amfetamina pomoe wam w przygotowaniu si do egzaminu.
Nikotyna
Nikotyna jest czynnym skadnikiem wszystkich produktw tytoniowych. Dziaa ona na receptory w mzgu, ktre rozpoznaj neuroprzekanik acetylocholin i aktywuje naturalne mechanizmy wzmagajce czujno. Nic wic dziwnego, e papierosy uatwiaj koncentracj i dziaaj uspokajajco. Problem w tym, e nikotyna silnie uzalenia i wielu naogowych palaczy kontynuuje palenie jedynie po to, by unikn nieprzyjemnych objaww odstawienia. Odczucie przyjemnoci dawno przemino. O ile dym tytoniowy nie wydaje si wpywa szkodliwie na mzg, to wywiera on niesychanie negatywny wpyw na puca. Dugotrwae palenie moe prowadzi do raka puc, jak rwnie powodowa inne choroby puc i serca. W Polsce z powodu chorb wywoanych paleniem tytoniu umiera rocznie ponad 70 000 osb.
Heroina
Heroina jest stworzon przez czowieka pochodn substancji rolinnej - morfiny. Podobnie jak marihuana, heroina przejmuje kontrol nad mzgowym systemem, ktry zatrudnia neuroprzekaniki zwane endorfinami. S one wane w kontroli blu, tote substancje naladujce ich dziaanie s bardzo cenione w medycynie. Heroina jest wstrzykiwana lub palona, powodujc natychmiastowe odczucie przyjemnoci, co prawdopodobnie wynika z wpywu endorfin na mechanizmy nagrody. Heroina silnie uzalenia i w miar jak rozwija si uzalenienie, jej przyjemne dziaanie szybko ustpuje miejsca nieustajcemu godowi. Jest ona bardzo niebezpiecznym rodkiem, ktry moe spowodowa mier nawet po nieznacznym przedawkowaniu, poniewa hamuje odruch oddychania. Heroina zrujnowaa ycie wielu ludziom.
Marihuana
Marihuana dziaa na wany system w mzgu, posugujcy si neuroprzekanikami, ktre pod wzgldem chemicznym bardzo przypominaj jej aktywny skadnik. System ten zajmuje si kontrol mini i regulacj wraliwoci na bl. Stosowana rozsdnie i ze wzgldw medycznych, marihuana moe by bardzo przydatnym lekiem. Jest ona rodkiem odurzajcym wywoujcym odczucie przyjemnoci i odprenia oraz stan podobny do nienia, w ktrym postrzeganie dwikw, kolorw i czasu jest nieco zmienione. Nie zdarzaj si przypadki mierci z przedawkowania, jednak przyjcie duych dawek moe u niektrych osb powodowa nieprzyjemne napady paniki. Prawie poowa ludnoci Wielkiej Brytanii w wieku poniej 30 lat przynajmniej raz w yciu palia marihuan. Niektrzy sdz, e powinna ona zosta zalegalizowana mogoby to zlikwidowa zwizek dystrybucji marihuany z rozprowadzaniem innych, znacznie groniejszych narkotykw. Niestety, palenie jest najefektywniejszym sposobem wprowadzania marihuany do organizmu. Dym z konopi zawiera w duej mierze t sam mieszank trucizn, co dym papierosowy. Palacze marihuany maj wic skonno do chorb puc i naraeni s na raka puc. Okoo 10% palaczy marihuany uzalenia si od niej, czego wiadomi s jej sprzedawcy. Czste uywanie duych dawek zaburza zdolno prowadzenia pojazdw i wykonywania zoonych zada
Kokaina
Kokaina jest substancj pochodzenia rolinnego, ktra wywouje bardzo silne odczucie przyjemnoci, jest rwnie silnym psychostymulantem. Podobnie jak amfetaminy, kokaina zwiksza dostpno dopaminy i serotoniny w mzgu. Jednak, podobnie do heroiny, kokaina jest niezwykle niebezpieczna. Osoby pod jej wpywem, szczeglnie po przyjciu jej w postaci sucej do palenia (ang. crac), atwo staj si bardzo agresywne. Istnieje te ryzyko mierci w przypadku przedawkowania. Prawdopodobiestwo uzalenienia jest wysokie, a koszty zwizane z podtrzymywaniem naogu sprowadzaj wiele osb na drog przestpstwa.
10
Dotyk i bl
Dotyk jest bardzo wany ucisk doni, pocaunek. Dotyk zapewnia nam kontakt ze wiatem. Obszary receptorw w caym ciele odbieraj rne bodce wiata czuciowego - dotyku, temperatury i pozycji ciaa, ale odbieraj rwnie bl. Zdolno rozrniania bodcw przez powierzchni ciaa jest bardzo rna, jest np. niezwykle czua w takich miejscach jak opuszki palcw. Rwnie aktywna eksploracja otoczenia jest wana i wsppracuje z systemem ruchowym. Bl informuje i ostrzega przed uszkodzeniem ciaa. Proces ten podlega istotnej kontroli na obwodzie i w mzgu. Bl posiada silny komponent emocjonalny.
niektre z tych receptorw szybko si adaptuj i dlatego odpowiadaj najlepiej na szybko zmieniajc si intensywno nacisku (czucie wibracji i drenia), dysk Merkla odpowiada na duej trwajcy nacisk (czucie ucisku), natomiast ciaka Ruffiniego odpowiadaj na wolne zmiany nacisku. Z receptorami czuciowymi wie si pojcie pola recepcyjnego. Jest to obszar skry, rny dla rnych receptorw, z ktrego bodce zbiera pojedynczy receptor. Ciaka Paciniego maj znacznie wiksze pola recepcyjne ni ciaka Meissnera. Podsumowujc, te i inne receptory zapewniaj, e moemy wyczuwa przedmioty ca powierzchni ciaa. Receptory po odebraniu bodca, wysyaj kolejne impulsy wzdu nerww czuciowych, ktre wchodz do korzeni grzbietowych rdzenia krgowego. Aksony czce receptory dotyku z rdzeniem krgowym s duymi zmielinizowanymi wknami, ktre niezmiernie szybko przewodz informacj z obwodu do kory mzgowej. Zimno, ciepo i bl wyczuwane s przez cienkie aksony z nagimi (niezmielinizowanymi) zakoczeniami, ktre znacznie wolniej przesyaj informacj. Receptory wraliwe na temperatur posiadaj zdolno adaptacji (patrz: ramka z eksperymentem). Pomidzy obwodem a obszarami czuciowymi w korze, zwanymi kor somatosensoryczn (somatoczuciow) istniej dwie stacje przecznikowe w rdzeniu krgowym i we wzgrzu. Nerwy krzyuj si w linii rodkowej, w wyniku czego prawa strona ciaa jest reprezentowana w lewej pkuli, a lewa w prawej. Experyment wykazujcy adaptacj do temperatury
Zaczyna si od skry
Poniej powierzchni skry w warstwach skry waciwej osadzonych jest wiele typw maych receptorw. Ich nazwy pochodz od nazwisk naukowcw, ktrzy po raz pierwszy zidentyfikowali je pod mikroskopem. Ciaka Paciniego i Meisnera, dyski Merkla czy ciaka Ruffiniego wyczuwaj rne aspekty dotyku. Wszystkie te receptory posiadaj kanay jonowe, ktre otwieraj si w odpowiedzi na mechaniczne odksztacenie, wyzwalaj potencjay czynnociowe, ktre mog by eksperymentalnie rejestrowane poprzez cienkie elektrody. Ciekawe eksperymenty zostay przeprowadzone kilka lat temu przez naukowcw, ktrzy eksperymentowali sami na sobie, rejestrujc potencjay z pojedynczych nerww czuciowych wasnej skry. Z tych i podobnych eksperymentw na upionych zwierztach, wiemy, e
Eksperyment ten jest bardzo prosty. Potrzebujesz metalowy prt dugoci okoo jednego metra, taki jak wieszak na rczniki, oraz dwa wiadra wody. Jedno wiadro wody powinno zawiera bardzo ciep wod, a drugie tak zimn jak to tylko moliwe. W swoj lew rk do jednego wiadra a praw do drugiego i trzymaj je tam co najmniej minut. Teraz wyjmij rce, wysusz bardzo szybko i chwy metalowy prt. Odczujesz rne temperatury kocw prta. Dlaczego?
Bodce odbierane z rnych obszarw ciaa s systematycznie mapowane w obrbie kory somatosensorycznej w celu formowania reprezentacji powierzchni ciaa. Niektre partie ciaa, takie jak opuszki palcw i usta posiadaj du gsto receptorw i odpowiednio wysz liczb nerww czuciowych, w porwnaniu np. do plecw, ktre maj daleko mniej receptorw i nerww. Jednake, w korze somatosensorycznej upakowanie neuronw jest jednolite, w rezultacie czego mapa powierzchni ciaa
11
Bl
Bl pomimo, e czsto klasyfikowany jest z dotykiem jako inny zmys skry, w gruncie rzeczy jest systemem o cakiem innej funkcji i cakiem innej organizacji. Jest gwnie okrelany jako nieprzyjemny i bardzo rni si midzy osobnikami. Zaskakujce jest, e informacja przenoszona przez receptory blu dostarcza mao informacji na temat natury bodca (jest maa rnica miedzy blem spowodowanym przez otarcie a poparzeniem pokrzyw). Staroytni Grecy uwaali, e bl to emocja a nie czucie. Homunculus. Obraz osoby narysowany jest wzdu powierzchni kory somatosenorycznej proporcjonalnie do liczby receptorw pochodzcych z danej czci ciaa. Obraz osoby jest bardzo znieksztacony. Rejestracja z pojedynczego neuronu czuciowego u zwierzt odbiera odpowiedzi na silny bodziec mechaniczny (jak uszczypnicie), ktry powoduje, lub jedynie grozi uszkodzeniem tkanki, na wysok temperatur, lub na rne chemiczne bodce. Ale takie badania nie mwi nam bezporednio nic o subiektywnych dowiadczeniach. Obecnie techniki biologii molekularnej ujawniaj struktur i waciwoci rnych nocyceptorw. Nale do nich receptory, ktre odpowiadaj na temperatur powyej 46oC, na kwasowo tkanki i - co jest zaskakujce - na aktywne skadniki papryki chilli. Geny receptorw odpowiadajcych za intensywne bodce mechaniczne nie zostay jeszcze dotychczas zidentyfikowane, ale na pewno istniej. Dwie klasy obwodowych wkien wstpujcych odpowiadaj na bodce uszkadzajce: wzgldnie szybkie wkna zmielinizowane, zwane wknami A, oraz bardzo cienkie, wolne, niezmielinizowane wkna C. Te dwie grupy nerww wchodz do rdzenia krgowego, gdzie tworz synapsy z rnymi neuronami, ktre dochodz wyej do kory mzgowej. Czyni tak przez rwnolege drogi wstpujce, jedna przekazuje informacj o lokalizacji blu (podobnie do drogi dotyku), druga odpowiada za emocjonalny aspekt blu.
12
Morfina
Met-enkefalina
kilka chemicznych neuroprzekanikw cznie z endogennymi opioidami, jak np. met-enkefalina. Morfina, silny rodek przeciwblowy dziaa na te same receptory, na ktre dziaaj niektre endogenne opioidy.
Droga wstpujca dla blu z regionu rdzenia krgowego (po prawej stronie na dole) do rnych obszarw pnia mzgu i kory w tym do przedniej czci zakrtu obrczy (ang. anterior cingulate cortex, ACC) i wyspy (ang. insular cortex). Pozostae skrty oznaczaj inne struktury mzgu
Druga droga biegnie do cakiem innych (ni kora somatosensoryczna) obszarw kory, a mianowicie do przedniej czci zakrtu obrczy i wyspy. W eksperymentach obrazowania aktywnoci mzgu podczas hipnozy, moliwe jest oddzielenie zwykego odczucia blu od nieprzyjemnoci blu. Badani zanurzali rce do gorcej wody sprawiajcej bl i potem byli poddawani hipnotycznej sugestii o obniajcej si lub wzrastajcej intensywnoci blu albo nieprzyjemnoci blu. Uywajc tomografii pozytonowej (PET) wykazano, e podczas zmian w dowiadczanej intensywnoci blu aktywowana bya kora somatosensoryczna, podczas gdy dowiadczaniu nieprzyjemnoci blu towarzyszy aktywacja przedniej czci kory zakrtu obrczy.
Zjawisko odwrotne do analgezji polegajce na wzmocnieniu blu nazywane jest hiperalgezj. Jest to obniony prg odczuwania blu, wzrost intensywnoci blu i czasami rwnie rozszerzenie obszaru w ktrym czuje si bl, jak i nawet czucie blu przy braku szkodliwego bodca. Hiperalgezja moe by powanym problemem klinicznym. Dotyczy ona wraliwoci receptorw obwodowych, jak rwnie zoonych zjawisk na rnych etapach wstpujcej drogi blowej, cznie z chemicznie sterowanymi procesami pobudzenia i inhibicji. Nadwraliwo blowa obserwowana w stanach chronicznego blu wynika ze wzmocnienia pobudzenia a osabienia hamowania. Te procesy wynikaj ze zmian w reaktywnoci neuronw, ktre przetwarzaj informacj czuciow. Istotne zmiany wystpuj w receptorach, ktre porednicz w dziaaniu neuroprzekanikw. Pomimo wielkiego postpu w rozumieniu molekularnych mechanizmw nadwraliwoci blowej, leczenie chronicznego blu jest niestety nadal niewystarczajce.
Warto wiedzie
Tradycyjna medycyna chiska uywa procedury zwanej akupunktur w celu osabienia blu. Wymaga ona cienkich igie, wkuwanych w skr w szczeglnych miejscach wzdu ciaa (zwanych poudnikami), ktre nastpnie s obracane lub poddawane wibracjom przez osob leczc pacjenta. Z pewnoci ta procedura umierza bl, chocia do niedawna nie byo wiadomo dlaczego. 40 lat temu zaoono laboratorium naukowe w Chinach, aby pozna mechanizm tego zjawiska. Badania wykazay, e elektryczna stymulacja o staej okrelonej czstotliwoci stymuluje uwolnienie endogennych opioidw zwanych endorfinami, takich jak met-enkefalina, natomiast stymulacja o innej czstotliwoci wibracji aktywuje system wraliwy na dynorfiny. Praca ta doprowadzia do powstania niedrogiego elektrycznego urzdzenia do akupunktury (po lewej), ktre moe by uywane do umierzania blu zamiast lekw. Para elektrod umiejscawiana jest na doni w punktach Heku(po prawej), druga para w miejscu blu.
13
Wzrok
Ludzie to wzrokowe zwierzta, wci uywaj swych oczu, by sprawdzi, co si dzieje na wiecie. Mamy oczy pooone frontalnie, podobnie jak inne naczelne, i uywamy wzroku, aby odebra z otoczenia bodce, ktre s oddalone od naszego ciaa. Docierajce do naszych oczu wiato jest form energii elektromagnetycznej. Pobudzajc fotoreceptory siatkwki wyzwala procesy, w wyniku ktrych generowany jest impuls nerwowy podajcy nastpnie w gb skomplikowanej sieci naszego mzgu. Oddzielne drogi do rdmzgowia i kory wzrokowej porednicz w rnych funkcjach wzrokowych detekcji i percepcji ruchu, ksztatu, koloru i innych charakterystycznych cech wiata wrae wzrokowych. Cz informacji wzrokowych jest dostpna dla naszej wiadomoci, ale nie wszystkie. Neurony wielu rnych pl kory wzrokowej specjalizuj si w podejmowaniu rnego rodzaju decyzji.
obrazu wymagaoby istnienia innej osoby, ktra by na niego patrzya osoby wewntrz naszego mzgu. Aby unikn tej niekoczcej si i niczego nie wyjaniajcej procedury ogldania obrazu przez nieskoczon liczb wewntrznych obserwatorw, stajemy przed naprawd powanym problemem, ktry nasz wzrokowy mzg musi rozwiza jak wykorzysta docierajc z oczu zakodowan wiadomo, odpowiednio j zinterpretowa i podj decyzj o otoczeniu. Gdy wiato zostanie skupione na siatkwce, 125 milionw fotoreceptorw ustawionych jeden przy drugim na powierzchni siatkwki odpowiada na nie generujc malutkie potencjay elektryczne. Te sygnay przechodzc poprzez synapsy sieci komrek siatkwki, pobudzaj na kocu swej drogi siatkwkowe komrki zwojowe. Aksony komrek zwojowych zbieraj si razem tworzc nerw wzrokowy. Docieraj w gb mzgu przekazujc informacj zakodowan w postaci potencjaw czynnociowych do rnych struktur wzrokowych penicych rnorodne funkcje w widzeniu.
wiato
Siatkwka
Nerw wzrokowy
Soczewka
komrka amakrynowa
Siatkwka Plamka lepa Plamka ta Nerw wzrokowy Ludzkie oko. Docierajce wiato jest skupiane przez soczewk na siatkwce usytuowanej w tylnej czci oka. Receptory dokonuj detekcji promieniowania. Proces transdukcji prowadzi do powstania sygnaw, ktre przekazywane s dalej nerwem wzrokowym.
Siatkwka. wiato przechodzi przez sie komrek aby dotrze do czopkw i prcikw pooonych z tyu siatkwki. Najwczeniejsze etapy przetwarzania informacji wzrokowej zostay ju do dobrze poznane. Najliczniejsze fotoreceptory, zwane prcikami, s okoo 1000 razy bardziej czue na wiato ni mniej liczne czopki. Uoglniajc, noc widzimy prcikami, a w cigu dnia czopkami. S trzy rodzaje czopkw, kady wraliwy na inn dugo fali wietlnej. Uproszczeniem byoby stwierdzenie, e czopki odpowiadaj za nasze widzenie barwne, ale niewtpliwe s one dla niego niezmiernie istotne. Przy cigej ekspozycji na jeden kolor wiata, pigmenty w czopkach adaptuj si, i w nastpnej chwili maj mniejszy udzia w percepcji tego koloru (patrz ramka Dowiadczenie na nastpnej stronie).
14
Wpatruj si przynajmniej 30 sekund w may krzyyk (+) pooony pomidzy dwoma duymi koami. Nastpnie przenie wzrok na krzyyk pooony poniej. Dwa te koa, ktre si uka, bd miay inne kolory. Czy wiesz dlaczego?
Droga od oka w gb mzgu Kor wzrokow tworzy wiele pl wzrokowych, zajmujcych si rnymi aspektami informacji wzrokowej, takimi jak ksztat, kolor, ruch, odlego, itd. Komrki korowe zorganizowane s w kolumny. Wanym pojciem zwizanym z komrkami czuymi na bodce wzrokowe, jest pojcie pola recepcyjnego obszaru siatkwki, ktrego stymulacja preferowanym przez komrk bodcem wywoa jej odpowied. W V1, pierwszym etapie przetwarzania korowego, neurony jednej kolumny odpowiadaj najlepiej na linie lub krawdzie o okrelonej orientacji, a komrki ssiednich kolumn na troszeczk inn orientacj, i tak dalej przez cae pole V1. Oznacza to, e wzrokowe komrki korowe tworz swoist organizacj dla interpretacji obrazu, i nie jest to organizacja niezmienna. Stopie, w jakim indywidualne komrki s pobudzane przez stymulacj lewego bd prawego oka, jest modyfikowany przez dowiadczenie. Podobnie jak wszystkie inne ukady czuciowe, kora wzrokowa ulega zmianom plastycznym.
David Hubel
Torsten Wiesel
Rejestracje aktywnoci elektrycznej komrek kory wzrokowej (ryc. z lewej) wykonane przez Davida Hubla i Torstena Wiesela (fot. powyej) ujawniy ich niezwyke wasnoci: selektywno orientacji, doskona organizacj kolumnow (ryc. poniej) oraz plastyczno ukadu. Te odkrycia zostay uhonorowane Nagrod Nobla.
15
te najprostsze zwizane s z wzajemnym oddziaywaniem pomidzy sygnaem zmysowym a posiadan wiedz. Jedn z drg prowadzcych do zrozumienia neuronalnych podstaw podejmowania decyzji mogoby by rejestrowanie aktywnoci neuronw podczas wykonywania rnorodnych czynnoci przez badan osob. Wyobramy sobie, e jestemy w stanie zarejestrowa z milisekundow dokadnoci aktywno kadej pojedynczej komrki spord 1011 neuronw mzgu. Mielibymy nie tylko wiele danych, ale take niewyobraalnie trudne zadanie z przetworzeniem tych wynikw i jeszcze wikszy problem z ich zinterpretowaniem. Aby zrozumie dlaczego, pomyl przez chwil jak rne mog by przyczyny ludzkich dziaa. Osoba, ktr widzimy jak zmierza na stacj kolejow, moe spieszy si na pocig, lub komu na spotkanie. Bez wiedzy o intencjach, interpretowanie zalenoci pomidzy wzorem aktywnoci mzgu a zachowaniem moe okaza si bardzo trudne. Dlatego te neurofizjolodzy przeprowadzajcy dowiadczenia staraj si stworzy sytuacje pod cis kontrol. Mona to osign poprzez wybr okrelonego zadania, a nastpnie monitorowanie jego wykonania. Najlepsze jest takie zadanie, ktre jest dostatecznie zoone, aby byo interesujce i jednoczenie wystarczajco proste, aby mona byo dokona analizy, tego co si dzieje. Dobrym przykadem jest podejmowanie decyzji wzrokowych o pojawieniu si bodca z odpowiedzi bdc rezultatem prostego wyboru (np. ktra plamka wiata jest wiksza lub janiejsza?). Chocia to zadanie jest proste, obejmuje peen proces podejmowania decyzji. Informacja zmysowa jest gromadzona i analizowana, udzielane s waciwe lub bdne odpowiedzi, a nagroda zaley od poprawnoci wykonania zadania. Ten rodzaj bada jest swoist fizyk widzenia.
Kafelki synnej ciany kawiarni w Bristolu (z lewej) s prostoktami, ale wcale tak nie wygldaj. Iluzja stworzona poprzez odpowiednie ich uoenie jest wynikiem pobudzajcych i hamujcych oddziaywa pomidzy neuronami przetwarzajcymi informacje o liniach i krawdziach. Trjkt Kaniza (z prawej) tak naprawd nie istnieje a jednak go widzisz. Twj ukad wzrokowy decyduje, e biay trjkt znajduje si na wierzchu innych obiektw przedstawionych na rysunku.
Decyzja i wahanie
Istotn cech kory mzgowej jest jej zdolno do organizowania si i dziaania z wykorzystaniem informacji zmysowej otrzymywanej z wielu rde. Podejmowanie decyzji jest istotnym aspektem tej zdolnoci. Jest to wnioskowanie na podstawie nagromadzonej wiedzy, poznawcza cz procesu. Dostpne informacje zmysowe s rozwaane i dokonywany jest wybr (np. o podjciu dziaania) na podstawie najwartociowszych danych dostpnych w danym momencie. Niektre decyzje s zoone i wymagaj rozlegego wnioskowania, inne s proste i automatyczne. Ale nawet
16
Czuo ruchu. A. Widok z boku na mzg mapy z pierwszorzdow kor wzrokow (V1) z lewej strony i okolic nazywan MT (a take V5), w ktrej znajdowane s neurony czue na ruch bodca. B. Odpowiedzi czuego na ruch neuronu generujcego liczne potencjay czynnociowe (pionowe czerwone kreski) na poruszajcy si w kierunku pnocno-wschodnim bodziec, bardzo saba reakcja na ruch bodca w przeciwnym kierunku. C. Bodce wzrokowe uywane w badaniach czuoci ruchu. Na okrgym ekranie TV kropki poruszaj si w przypadkowych rnych kierunkach (pierwszy spjno 0%), albo wszystkie poruszaj si w tym samym kierunku (ostatni spjno 100%). D. Trafno decyzji mapy dotyczcych kierunku ruchu wzrasta wraz ze wzrostem spjnoci ruchu kropek (ta linia). Dranienie elektryczne kolumn o rnych preferencjach kierunkowych powoduje przesunicie krzywej.
Aktywno neuronw jednej z tych okolic, pola MT (V5) u mapy rejestrowano, podczas podejmowania przez ni prostej decyzji wzrokowej o ruchu kropek. Wikszo kropek poruszaa si chaotycznie, w rnych przypadkowych kierunkach, ale pewna ich cz poruszaa si konsekwentnie w jednym i tym samym kierunku do gry, na d, w lewo lub w prawo. Obserwujca ekran mapa musiaa okreli kierunek globalnego ruchu kropek. To zadanie jest do proste, gdy duy odsetek kropek porusza si konsekwentnie w jednym kierunku, a may chaotycznie. Gdy udzia kropek poruszajcych si w jednym kierunku spada, zadanie staje si trudniejsze. Okazuje si, e aktywno komrek pola V5 dokadnie odzwierciedla natenie ruchu sygnau. Neurony tej okolicy odpowiadaj selektywnie na okrelony kierunek ruchu, systematycznie zwikszajc aktywno, gdy wzrasta proporcja kropek poruszajcych si w preferowanym przez nie kierunku. Niektre pojedyncze neurony dokonyway detekcji ruchu kropek rwnie dobrze jak obserwujca ekran mapa czy czowiek. Mikrodranienie tych neuronw elektrod jest w stanie zmieni decyzj mapy dotyczc ruchu. To zaskakujce, biorc pod uwag fakt, e tak ogromna liczba neuronw wykazuje czuo na ruch bodca wzrokowego. Mona by oczekiwa, e w podejmowanie decyzji zaangaowanych jest wiele neuronw, a nie kilka. Podejmowanie decyzji dotyczcych koloru przebiega w podobny sposb (patrz ramka Warto wiedzie na nastpnej stronie).
Postrzeganie szecianu Neckera charakteryzuje si brakiem staoci percepcyjnej. Obraz na siatkwce nie zmienia si, ale my widzimy szecian raz z grnym lewym rogiem bliej nas, po czym cofnitym w gb. Bywa, e obraz widziany jest jako zbir przecinajcych si na paszczynie linii. Jest wiele figur tego typu. Cz z nich zostaa wykorzystywana w badaniach zwizanych z podejmowaniem przez ukad wzrokowy decyzji, ktra z konfiguracji w danym momencie dominuje.
17
Po lewej. Pomysowy projekt kolorowego patchworka zwanego mondrian (od nazwiska malarza Pieta Mondriana). Mondriana zostaa owietlona wiatem o rnej zawartoci fal dugich, rednich i krtkich, w taki sposb, e kady fragment odbija promieniowanie wietlne o dokadnie tym samym skadzie spektralnym. Pomimo tego, my zawsze widzimy, e fragmenty maj rne kolory dziki obecnoci ssiednich atek. Komrka z lewej, rejestrowana w V1, reaguje w podobny sposb we wszystkich przypadkach. Nie dostrzega koloru, odpowiada na identyczny skad widmowy wiata odbitego od kadej atki.
Po prawej. Prawdziwie czua na kolor komrka w V4 odpowiada intensywnie na fragment mondriany, ktry widzimy jako czerwony, ale znacznie sabiej na inne atki. Rnice w odpowiedzi pojawiaj si pomimo tego, e od kadego fragmentu zostaje odbite wiato o dokadnie takim samym skadzie widmowym. Pole V4 moe zatem by tym obszarem mzgu, ktry umoliwia nam percepcj koloru, chocia cz naurofizjologw podejrzewa, e nie jest to jedyna okolica odpowiadajca za widzenie barwne.
Zdumiewajcy jest wiat naszych wrae wzrokowych. Docierajce do oczu wiato umoliwia nam odbieranie wrae wzrokowych z otoczenia poczynajc od prostych obiektw po oszaamiajce swoim piknem dziea sztuki. W ten proces zaangaowane s miliony neuronw, od reagujcych na plamk wiata fotoreceptorw siatkwki po podejmujce decyzj o ruchu neurony pola V5. To wszystko dzieje si w naszym mzgu pozornie bez wysiku. Jeszcze tego dokadnie nie rozumiemy, ale badacze ukadu nerwowego robi wielkie postpy.
Colin Blakemore, przyczyni si znacznie do zrozumienia, w jaki sposb, rozwija si ukad wzrokowy. Jest autorem pionierskich dowiadcze z uyciem kultur komrkowych do bada oddziaywa pomidzy rnymi strukturami drogi wzrokowej w mzgu zarodka (ryc. z lewej). Na rycinie z prawej widzimy rosnce w d z rozwijajcej si kory aksony (wybarwione na zielono), zmierzajce na spotkanie innych wkien (wybarwionych na pomaraczowo) rosncych w gr w stron kory.
18
Ruch
Pomyl o zapaniu piki. Proste? Tak si tylko wydaje, ale eby wykona nawet tak prosty ruch twj mzg musi przeprowadzi kilka godnych uwagi czynnoci. My przyjmujemy to wszystko jako rzecz oczywist, ale nasz mzg musi ustali: czy pika jest lekka czy cika? Skd nadlatuje i jak szybko leci? Jest te koordynacja: w jaki sposb automatycznie koordynujemy ruchy swoich koczyn podczas apania i ktry ze sposobw jest najlepszy? Wreszcie wykonanie: czy twoje rami znajduje si we waciwej pozycji i czy twoje palce zamkn si na pice we waciwym czasie? Obecnie neurobiolodzy wiedz, e wiele obszarw mzgu jest zaangaowanych w te czynnoci. Aktywno komrek nerwowych (neuronw) w tych obszarach wsplnie tworzy luno powizany cig komend hierarchi ruchow - od kory mzgowej poprzez zwoje podstawy do mdku po rdze krgowy.
Zapis aktywnoci elektrycznej mini (aktywno elektromiograficzna) Zdarzenia elektryczne w miniach rki mog by rejestrowane, przy uyciu wzmacniacza, nawet przez skr, a otrzymane zapisy elektromiograficzne (EMG) mog by uyte do zmierzenia poziomu aktywnoci poszczeglnych mini (patrz ryc. powyej). Rdze krgowy gra istotn rol w kontroli mini. Odbywa si to poprzez kilkanacie rnych ukw odruchowych. Te ptle tworz m.in. odruchy wycofywania, ktre chroni ci przed przedmiotami ostrymi lub gorcymi, czy te odruch na rozciganie, ktry jest wany w utrzymywaniu postawy ciaa. Przykadem tego ostatniego jest dobrze znany odruch kolanowy - odruch do szczeglny, gdy s tu zaangaowane tylko dwie komrki nerwowe neuron czuciowy, ktry poprzez poczenie synaptyczne przesya sygna o dugoci minia do motoneuronu, ktry powoduje ruch. Te proste uki odruchowe w poczeniu z bardziej zoonymi odruchami tworz skomplikowane sieci neuronalne rdzenia krgowego, ktre organizuj bardziej zoone formy zachowania ruchowego, np. obserwowane podczas chodzenia lub biegania rytmiczne ruchy dolnych koczyn. Te zoone formy zachowa wymagaj skoordynowania odpowiedniego pobudzania i hamowania motoneuronw. Motoneurony s ostatni wspln drog do mini, ktre z kolei poruszaj twoje koci. Jednake gwna odpowiedzialno za kontrolowanie aktywnoci motoneuronw spada na mzg. To mzg, aby osign okrelony ruch, musi w odpowiedniej kolejnoci pobudzi odpowiedni liczb motoneuronw unerwiajcych odpowiednie minie.
Zcze nerwowo-miniowe
Na najniszym stopniu hierarchii ruchowej, w rdzeniu krgowym, setki wyspecjalizowanych komrek nerwowych zwanych motoneuronami zwikszaj czstotliwo swoich wyadowa. Aksony tych neuronw biegn do mini, gdzie pobudzaj kurczliwe wkna miniowe. Zakoczenia aksonu kadego motoneuronu tworz wyspecjalizowane zcza nerwowo-miniowe z ograniczon liczb wkien miniowych w obrbie danego minia (patrz ryc. poniej). Kady potencja czynnociowy motoneuronu powoduje uwolnienie neuroprzekanika z jego zakoczenia nerwowego i powstanie odpowiedniego potencjau czynnociowego wkna miniowego. To z kolei powoduje uwolnienie jonw Ca2+ z magazynw wewntrzkomrkowych kadego wkna miniowego, co stanowi sygna do skurczu wkna miniowego, generujcego si i ruch.
Aby spowodowa skurcz minia neurony tworz wyspecjalizowane poczenia z poszczeglnymi wknami miniowymi zwane zczami nerwowo-miniowymi. Podczas rozwoju osobniczego, kady misie jest unerwiany przez wkna nerwowe (aksony) wielu motoneuronw, jednake na drodze wspzawodnictwa pomidzy nimi wszystkie wkna nerwowe, oprcz jednego, s eliminowane. Zwyciskie wkno nerwowe pozostaje i wydziela swj neuroprzekanik acetylocholin na wyspecjalizowany detektor molekularny wystpujcy na tzw. pytce kocowej (zaznaczona na czerwono). Fotografia ta zostaa zrobiony przy uyciu mikroskopu konfokalnego.
19
Kto mn porusza? Sprbuj przeprowadzi ten eksperyment z przyjacielem. Najpierw we do cik ksik i po j na doni swojej prawej rki. Teraz lew rk unie ksik tak, by prawa rka si nie poruszya. Twoim zadaniem jest utrzymanie prawej rki w staej pozycji!!! Powinno to by do atwe. Teraz sprbuj ponownie, cay czas utrzymujc rk w staej pozycji, podczas gdy przyjaciel zabierze ksik z twojej rki. Tylko bardzo nieliczni ludzie potrafi tego dokona. Nie martw si; potrzeba bardzo wielu prb, eby mc chociaby zbliy si do prawidowego wykonania tego zadania tak, jak to si dzieje, gdy wykonuje si je samemu. Niektre obszary mzgu wane dla kontroli ruchu. i motoneurony rdzenia krgowego oraz bardzo wane czci pnia mzgu wi informacje o stanie koczyn i mini docierajce z rdzenia krgowego z tymi, ktre zstpuj z kory mzgowej. Kora ruchowa jest wskim pasem tkanki biegncej przez powierzchni mzgu do przodu od kory czuciowej (patrz Rozdzia 5). Tutaj znajduje si pena mapa naszego ciaa: komrki nerwowe, ktre mog za porednictwem motoneuronw w rdzeniu krgowym wywoywa ruchy rnych koczyn s uoone topograficznie. Uywajc elektrod odbiorczych moemy si przekona, e neurony w jakiejkolwiek czci tej mapy s aktywne o ok. 100 ms wczeniej ni odpowiadajce im minie. Jednake to, co tak naprawd jest kodowane przez neurony w korze ruchowej byo tematem wielu dyskusji. Czy komrki kory ruchowej koduj czynno, ktr osoba chce wykona, czy moe poszczeglne minie, ktre musz si skurczy by t czynno zrealizowa? Odpowied na to pytanie okazaa si by nieco inna ot poszczeglne neurony nie koduj ani jednego, ani drugiego. Okazao si, e to aktywno zespou neuronw tworzy kod populacyjny okrelajcy ruch. Do przodu od kory ruchowej ley bardzo istotna okolica przedruchowa, ktra jest zaangaowana w planowanie czynnoci, w przygotowanie sieci neuronw rdzenia krgowego do ruchu oraz w procesy ustalajce powizania pomidzy widzeniem ruchw a rozumieniem gestw. Frapujce wydaje si niedawne odkrycie u map tzw. neuronw lustrzanych, ktre odpowiadaj zarwno wtedy, gdy zwierz widzi ruch rki, jak i wtedy, gdy samo ten ruch wykonuje. Prawdopodobnie neurony lustrzane s wane przy naladowaniu i rozumieniu czynnoci. Do tyu od kory ruchowej, w korze ciemieniowej, znajduje si wiele rnych pl korowych zwizanych z przestrzenn reprezentacj ciaa oraz ze wzrokowym i suchowym odwzorowaniem rzeczywistoci wok nas. Neurony te zdaj si tworzy map, ktra odwzorowuje pooenie naszych koczyn i to, gdzie w stosunku do nas znajduj si interesujce nas cele. Dowiadczenie to ilustruje, e pola czucioworuchowe twojego mzgu posiadaj wiksz wiedz o tym, co planujesz i wykonujesz cakowicie sam, ni gdy obserwacja drugiej osoby dostarcza ci bodcw do wykonania przez ciebie czynnoci.
Zniszczenie tej czci kory, na przykad w przebiegu udaru, moe spowodowa niemono dosignicia obiektw lub nawet niedostrzeganie lub zanegowanie czci otaczajcej nas rzeczywistoci. Pacjenci z syndromem tzw. ignorowania ciemieniowego (ang. parietal neglect) nie dostrzegaj niektrych obiektw (czsto znajdujcych si po ich lewej stronie), a nawet ignoruj lew stron swojego wasnego ciaa.
Jdra podstawy
Jdra podstawy s poczonymi wzajemnie skupiskami neuronw pooonymi poniej kory, w gbi pkul mzgowych. S one kluczowe w inicjacji ruchw, chocia sposb, w jaki ten proces przebiega jest daleki od zrozumienia.
neurony lustrzane zrobi dla psychologii to, co DNA zrobio dla biologii: dostarcz ujednolicony zarys i pomog wyjani wiele moliwoci umysowych, ktre dotd pozostaway zagadk. Stanowi one wielki krok do przodu w ewolucji mzgu naczelnych. V.S. Ramachandran
20
Wystpujca w korze mdku komrka Purkinjego ma bardzo silnie rozgazione drzewo dendrytyczne. Umoliwia ono odbir tysicy impulsw potrzebnych do precyzyjnego ustalenia czasu trwania zoonego ruchu, ktrego si uczymy.
Mdek
Mdek jest kluczowy dla sprawnego i pynnego wykonywania ruchw. Jest jak pikna maszyneria neuronalna, ktrej skomplikowana komrkowa architektura zostaa zbadana z du dokadnoci. Podobnie jak jdra podstawy, mdek jest silnie powizany wzajemnymi poczeniami z polami kory mzgowej zaangaowanymi w kontrol ruchu, a take ze strukturami pnia mzgu. Uszkodzenie mdku prowadzi do osabienia koordynacji ruchw, utraty rwnowagi, zaburze mowy oraz wielu zaburze poznawczych. Brzmi znajomo? Alkohol wywiera silny wpyw na mdek. Mdek jest te niezbdny w uczeniu si nowych zada ruchowych i ich adaptacji do zachodzcych zmian. Prawie wszystkie ruchy dowolne zale od precyzyjnej kontroli obwodw ruchowych, a od mdku zaley ich optymalne dostrajanie si, np. czasowe. Kora mdku ma bardzo regularny ukad, ktry powsta prawdopodobnie aby przetwarza olbrzymi ilo informacji z ukadw czuciowych, kory ruchowej, rdzenia krgowego oraz pnia mzgu. Nabycie umiejtnoci zrcznego wykonania zoonych ruchw zaley od komrkowego mechanizmu uczenia si zwanego dugotrwaym osabieniem synaptycznym (LTD, ang. - long-term depression), osabiajcego si niektrych pocze synaptycznych (patrz Rozdzia 10). Istnieje wiele teorii dotyczcych funkcjonowania mdku; wiele z nich zawiera myl, e mdek wytwarza model pracy ukadu ruchowego co w rodzaju symulatora wirtualnej rzeczywistoci twojego wasnego ciaa, w twojej gowie. Powstaje on dziki plastycznoci synaptycznej, ktra jest nieodcznym elementem skomplikowanej sieci pocze nerwowych. Tak wic, zap pik jeszcze raz i zdaj sobie spraw, e niemal wszystkie stopnie w hierarchii ruchowej orodkowego ukadu nerwowego s w to zaangaowane poczwszy od planowania czynnoci w relacji do widzianego przez nas poruszajcego si
Warto wiedzie
Jdra podstawy
aksony korowe
10.000 zakocze neuronw korowych 1.000 synaps dopaminowych na drzewku dendrycznym neuron w prkowiu
Zaskakujca historia dopaminy Chemia leca u podstaw wykonywania czynnoci i nabywania przyzwyczaje angauje neuroprzekanik - dopamin, ktra jest uwalniana w pobliu neuronw zwojw podstawnych, gdzie dziaa na receptory metabotropowe (Rozdzia 3), stanowic zarwno bodziec do dziaania, jak i nagrod za prawidowe wykonanie czynnoci. Nowe, intrygujce odkrycie wskazuje, e wyrzut dopaminy jest najwikszy, gdy nagroda jest niespodziewana. Oznacza to, e neurony dopaminowe s najbardziej aktywne podczas takiego stadium uczenia si, kiedy bardzo pomocne staje si silnie wzmocnienie systemu ruchowego za wytworzenie prawidowego ruchu. Ruchy mog by zatem, powizane w sekwencj poprzez uwalnianie kolejnych porcji dopaminy. Z czasem, szczeglnie, jeli zoone ruchy nabieraj charakteru nawyku, ukad ten dziaa prawidowo bez nagrody dopaminowej. W tym wanie momencie, zwaszcza jeli wyuczone ruchy musz by wykonywane w cile okrelonym czasie, paeczk przejmuje mdek.
.
Znasz angielski? Dowiedz si jak naukowcy rozgryli zagadk kontroli ruchu: http://www.pbs.org/wgbh/aso/tryit/brain/
21
C D E F
Pierwsze kroki
Pierwszym krokiem w rozwoju mzgu jest podzia komrek. Kolejnym kluczowym etapem jest rnicowanie komrek: pojedyncze komrki przestaj si dzieli i przybieraj specyficzny charakter, np. waciwy dla neuronw lub komrek glejowych. Rnicowanie porzdkuje komrki w przestrzeni. Odmienne rodzaje neuronw migruj do rnych miejsc w procesie tworzenia struktur. Pierwszy znaczcy etap tworzenia struktur ma miejsce u czowieka w czasie trzeciego tygodnia ciy, gdy na zarodek skadaj si zaledwie dwie poczone warstwy Pytka nerwowa zwija si w cewk nerwow. A. Ludzki zarodek w wieku 3 tygodni po zapodnieniu. B. (patrz te ryc. na str. 23) Rowek nerwowy tworzcy grzbietow powierzchni zarodka. C. Kilka dni pniej zarodek wytwarza powikszone fady gowowe w przedniej czci. Pytka nerwowa pozostaje otwarta w czci gowowej i ogonowej, ale jest ju zamknita porodku. D, E, F. (patrz te ryc. na str. 23) Rne poziomy przekroju osi przednio-tylnej zarodka .
22
Zawijanie
W tydzie pniej, pytka nerwowa zawija si, zamyka w cewk i tonie w zarodku, gdzie zostaje owinita w powstajcy nabonek. Dalsze znaczce zmiany zachodz w cigu kilku kolejnych tygodni, w tym zmiany w ksztacie, podziaach, migracji i przyleganiu komrek. Przykadowo, cewka nerwowa wygina si w taki sposb,
26 dni
rowek nerwowy
grzebie nerwowy
B
28 dni
35 dni
E
D
49 dni
Ksztatowanie si ludzkiego mzgu pomidzy (A) 4 i (D) 7 tygodniem ycia. Rne obszary powikszaj si i wida rozmaite zagicia wzdu osi przednio-tylnej.
23
Rne rodzaje wskazwek naprowadzajcych spotykane przez neurony (niebieskie) w czasie wyduania swoich aksonw i stokw wzrostu (kolce na przednim kocu). Zarwno lokalne, jak i odlege wskazwki mog przyciga (+) lub odpycha () stoek wzrostu. Podano kilka konkretnych przykadw wskazwek naprowadzajcych.
ale nie zawsze jest moliwe lub podane zbudowanie od razu kompletnego i doskonaego mzgu. Na przykad dokadne odwzorowanie pomidzy neuronami w siatkwce i w mzgu, niezbdne do ostrego widzenia, czciowo ksztatuje si dopiero pod wpywem aktywnoci elektrycznej wywoywanej przez bodce napywajce do siatkwki. Selekcjonowanie spord nadmiernego zestawu pocze nastpuje take w okresie krytycznym, po ktrym podstawowa struktura ukadu wzrokowego jest kompletna, co nastpuje w wieku okoo omiu tygodni u map i prawdopodobnie po roku u ludzi.
Naprowadzanie aksonu
Kiedy neuron osignie ju swoj indywidualn tosamo i przestaje si dzieli, wydua swj akson za pomoc powikszonej kocwki znanej jako stoek wzrostu. Troch jak zwinny przewodnik grski, stoek wzrostu jest wyspecjalizowany w poruszaniu si przez tkank. Sprawnie poda waciw ciek rozcigajc za sob akson, co przypomina troch psa na rozwijanej smyczy. Kiedy tylko stoek wzrostu osignie swj cel, traci zdolno ruchu i tworzy synaps. Naprowadzanie aksonu jest najwysz umiejtnoci nawigacyjn, rwnie precyzyjn na krtkich i dugich dystansach. Stoek wzrostu musi nie tylko dotrze do namierzonej komrki docelowej, ale take omin pozostae stoki dce do innych miejsc. W osigniciu celu pomagaj stokom wzrostu wskazwki naprowadzajce, ktre je przycigaj (+) lub odpychaj (). Mechanizmy molekularne odpowiedzialne za regulacj ekspresji tych wskazwek s do tej pory sabo zrozumiane.
Rewolucja genomowa
Szybko powstaje kompletny katalog genw potrzebnych aby zbudowa mzg. Dziki ogromnemu potencjaowi metod biologii molekularnej, moemy sprawdza funkcje genw przez wpywanie na ich ekspresj gdziekolwiek i kiedykolwiek chcemy w czasie rozwoju. Aktualnie gwnym zadaniem jest rozszyfrowanie hierarchii kontroli genetycznej, ktra przeksztaca warstwewk komrek w dziaajcy mzg. Jest to jedno z najwikszych wyzwa neurobiologii.
Warto wiedzie
Komrki macierzyste s komrkami, ktre maj zdolno zmiany we wszystkie inne rodzaje komrek. Niektre z nich, zwane zarodkowymi komrkami macierzystymi, mno si w bardzo wczesnych fazach rozwoju. Inne znajdowane s w szpiku kostnym i w sznurze ppowinowym, czcym matk z jej nowonarodzonym dzieckiem. Neurobiolodzy staraj si dowiedzie, czy komrki macierzyste mog by uywane do naprawy uszkodzonych neuronw w dorosym mzgu. Wikszo bada przeprowadza si obecnie na zwierztach, ale istnieje nadzieja, e ostatecznie bdziemy mogli naprawia rejony mzgu uszkodzone w wyniku chorb takich jak choroba Parkinsona.
24
W pewnym okresie rozwoju w twoim mzgu przybywa 250 000 komrek na minut. Przeczytaj na ten temat po angielsku na stronie internetowej: http://faculty.washington.edu/chudler/dev.html
Dysleksja
Czy pamitasz, jak trudno sprawiaa Ci nauka czytania? W przeciwiestwie do mowy, ktrej ewolucyjne pochodzenie jest bardzo stare, umiejtno pisania i czytania pojawia si stosunkowo pno w rozwoju czowieka. Okoo tysica lat temu spoecznoci ludzkie rozproszone w rnych czciach wiata uwiadomiy sobie, e tysice sw skadaj si z maej liczby pojedynczych dwikw (np. 44 gosek w jzyku angielskim), ktrym odpowiada jeszcze mniejsza liczba symboli wzrokowych (liter). Niektre dzieci pomimo znacznego wysiku nie potrafi opanowa biegle posugiwania si tymi symbolami. Nie ma to zwizku z ich moliwociami intelektualnymi, lecz z nieprawidowociami funkcjonowania mzgu. Szacuje si, e co dziesita osoba przejawia znaczne trudnoci w nauce czytania i pisania, okrelane jako dysleksja rozwojowa. Dysleksja to bardzo powszechne zaburzenie. Trudnoci w opanowaniu sztuki czytania mog sta si przyczyn prawdziwej frustracji dla dzieci, ktre na ni cierpi . Cz z nich z tego powodu traci pewno siebie, buntuje si i bywa agresywna. Jednak u wielu osb dysleksja moe wspwystpowa z wybitnymi uzdolnieniami w innych dziedzinach ycia, takich jak sport, nauka, programowanie, handel czy sztuka - o ile wczeniej problemy z czytaniem nie spowoduj cakowitej utraty nadziei, ambicji i wiary we wasne siy. Zatem dysleksja nie jest wycznie naukow zagadk, ale take problemem spoecznym. Okrelenie biologicznego podoa dysleksji pozwoli na lepsze zrozumienie procesu czytania, wypracowanie skutecznych technik terapeutycznych, a co za tym idzie popraw komfortu ycia osb z dysleksj.
Zdolno do sekwencyjnego odbierania dwikw i liter zaley od prawidowo funkcjonujcych ukadw: suchowego i wzrokowego. W przypadku nieznanych sw, a wszystkie s nieznane dla pocztkujcego czytelnika, kada litera musi zosta rozpoznana i odpowiednio umiejscowiona w sowie. Nie jest to proste, poniewa podczas czytania zachodzi seria szybkich skokowych ruchw oka wzdu wiersza tekstu. Ruchy te przerywane s duszym okresem zatrzymania wzroku (fiksacja oczu), w trakcie ktrego rozpoznawane s litery. Obraz, jaki pada na siatkwk oka musi by zintegrowany z sygnaami z ukadu ruchowego oka (informujcymi o kierunku patrzenia). Wydaje si, e wanie integracja informacji wzrokowej i ruchowej oka stanowi problem dla wielu osb z dysleksj.
Ruchy oczu podczas czytania. Wychylenia rysika w gr lub d ilustruj ruchy oczu w lewo lub prawo Istotn rol w stabilnym ukierunkowywaniu wzroku na kad kolejn liter, co pozwala na okrelenie ich waciwego porzdku w sowie, odgrywa ukad wielkokomrkowy (od wielkoci neuronw, z jakich si skada). Ukad ten rozciga si od siatkwki oka, przez kor mzgow, mdek, a do motoneuronw mini oczu. Gdy podczas czytania wzrok przestaje by nakierowany na kolejne litery, ukad wielkokomrkowy wysya do ukadu ruchowego oczu sygna zwrotny, aby ponownie nakierowa wzrok na waciwy cel.
Nauka czytania
Czytanie wymaga wzrokowego rozpoznania formy sw (ksztatu liter i ich porzdku) - czyli tego, co nazywamy pisowni. Nastpnie litery musz zosta przeoone na dwiki, czyli fonemy reprezentujce te litery. Aby tego dokona osoba uczca si czyta musi uwiadomi sobie wewntrzn struktur wypowiadanych sw (wiadomo fonologiczna). Niestety wikszo osb z dysleksj analizuje wolno i niedokadnie zarwno ortograficzne jak i fonologiczne waciwoci sowa.
100 m
Osoba z dysleksj
Preparaty histologiczne ciaka kolankowatego bocznego przedstawiajce dobrze zorganizowane komrki w obszarze drobno i wielkokomrkowym osoby czytajcej pynnie i komrki niewaciwie zorganizowane u osoby z dysleksj.
25
Co mona zrobi?
W oparciu o rne podejcia teoretyczne wypracowano szereg metod terapeutycznych. Wikszo z nich nawizuje do hipotezy deficytu wielokomrkowego. Inne, odnoszce si do dysleksji powierzchniowej i gbokiej (powstaych wskutek uszkodzenia lewopkulowych struktur zawiadujcych mow) zalecaj zastosowanie odmiennych sposobw leczenia. Co wane jednak, skuteczno wszystkich metod leczenia zaley od wczesnej diagnozy dysleksji. Naukowcy do dzi nie s zgodni co do skutecznoci rnych podej terapeutycznych w leczeniu dysleksji. Jedno z podej sugeruje i dysleksja jest wynikiem bdnego uczenia si przetwarzania informacji dwikowej przy zachowaniu normalnych zdolnoci plastycznych mzgu. W leczeniu wykorzystuje si gry komputerowe, podczas ktrych dzieci suchaj dwikw mowy. Dwiki te spowalnia si do poziomu, przy ktrym granice pomidzy poszczeglnymi goskami staj si bardzo wyrane, a nastpnie stopniowo zmniejsza si odstp czasowy pomidzy nimi. Rezultaty takiej terapii s niezwykle obiecujce, ale wymagaj dalszych niezalenych bada. Podejcie takie ilustruje jak normalne procesy plastycznoci zachodzce w mzgu mog spowodowa niekorzystny efekt, gdy wejd w interakcj z rozwojowymi zaburzeniami genetycznymi. Jest to uderzajcy przykad, jak geny i rodowisko oddziauj na siebie. Ciekawe jest, e niekiedy osoby z dysleksj przewyszaj osoby czytajce pynnie w takich zadaniach jak rozrnianie kolorw, czy globalne rozrnianie ksztatw. To moe by zwizane z faktem, e wielu dyslektykw cechuje holistyczny sposb mylenia oraz zdolno tworzenia odlegych i niespodziewanych asocjacji. Warto wspomnie, e Leonardo Da Vinci, Hans Christian Andersen, Edison, Einstein i wielu innych twrczych artystw i wynalazcw cierpiao na dysleksj.
26
Plastyczno
W biegu ycia nasz mzg stale si zmienia. T zdolno mzgu do zmieniania si nazywamy plastycznoci przez analogi z modelem z plasteliny, ktrego wewntrzne czci skadowe mog stale zmienia ksztat. Nie mzg jako cao, ale jego pojedyncze neurony mog by modyfikowane z rnych powodw w czasie rozwoju, gdy jestemy modzi, w odpowiedzi na uszkodzenia mzgu, oraz w czasie uczenia si. Istniej rne mechanizmy plastycznoci, z ktrych najwaniejszym jest plastyczno synaptyczna sposb, w jaki neurony zmieniaj sw zdolno do wzajemnego porozumiewania si.
Ksztatowanie przyszoci
Jak to widzielimy w poprzednim rozdziale, poczenia midzy neuronami we wczesnych okresach ycia wymagaj precyzyjnego dostrojenia. Gdy oddziaujemy z naszym rodowiskiem poczenia synaptyczne zaczynaj si zmienia nowe poczenia si tworz, uyteczne wzmacniaj, rzadko uywane ulegaj osabieniu lub nawet tracone s na dobre. Synapsy aktywne i te, ktre aktywnie si zmieniaj s utrzymane, a pozostae s wycinane. To w wyniku zasady: uywaj lub stra ksztatujemy nasz przyszo. Transmisja synaptyczna obejmuje uwalnianie neuroprzekanika chemicznego, ktry wwczas aktywuje swoiste molekuy biakowe zwane receptorami. Normalna odpowied elektryczna na uwolnienie neurotransmitera jest miar siy synaptycznej. Moe si ona zmienia a zmiana ta moe trwa sekundy, minuty, a moe nawet utrzyma si przez cae ycie. Neurobiolodzy s szczeglnie zainteresowani dugotrwaymi zmianami siy synaptycznej, ktre mog by wywoane krtkimi okresami aktywnoci neuronalnej, zwaszcza dwoma procesami, zwanymi dugotrwaym wzmocnieniem (LTP), ktre zwiksza si synaptyczn, i dugotrwaym hamowaniem (LTD), ktre ja osabia.
Glutaminian jest uwolniony z zakoczenia synaptycznego, przekracza szczelin synaptyczn i wie si do rnych rodzajw receptora glutaminianowego AMPA, NMDA i mGluR. Niektre synapsy glutaminianergiczne posiadaj rwnie receptor kainowy.
27
Receptory NMDA (czerwone) s maszyn molekularn do uczenia si. Przekanik jest uwalniany tak w stanie aktywnoci podstawowej, jak i przy indukowaniu LTP (gra, po lewej). Miejsce, w ktrym jon magnezowy (mae czarne kka, gra po prawej) blokuje kana wapniowy znajduje si wewntrz bony komrkowej. Magnez jest ze wypchnity przez nasilon depolaryzacj (nastpny rysunek poniej). Dzieje si tak, kiedy neuron musi zmieni sile swojego poczenia z innymi neuronami. LTP moe si przejawia bd jako zwikszenie liczby receptorw. AMPA (te receptory, d na lewo), bd jako zwikszenie efektywnoci receptorw AMPA (d, po prawej).
28
wiczenie mzgu
Zmiany funkcjonowania receptorw AMPA nie s jeszcze caa histori. Kiedy wspomnienia staj si trwalsze w mzgu zachodz zmiany strukturalne. Synapsy z wmontowan wiksz liczb receptorw AMPA w wyniku LTP zmieniaj swj ksztat i mog powiksza wymiary, albo nowe synapsy mog pczkowa z dendrytw tak, e praca jednej synapsy jest teraz wykonywana przez dwie. I odwrotnie synapsy, ktre trac receptory AMPA w wyniku indukcji LTD mog widn i umiera. Fizyczna istota naszych mzgw zmienia si w odpowiedzi na aktywno mzgu. Mzgi lubi wiczenia wiczenia umysowe oczywicie. Tak, jak nasze minie staj si silniejsze, gdy uprawiamy wiczenia fizyczne, tak obecnie wydaje si, e nasze poczenia synaptyczne staj si liczniejsze i lepiej zorganizowane, gdy je intensywnie uywamy.
Po wejciu do neuronu jon wapniowy wie si do biaek znajdujcych si tu przy synapsach w ktrych aktywowany by receptor NMDA. Wiele z tych biaek jest fizycznie zwizanych z receptorami NMDA tworzc maszyn molekularn. Niektre z nich s enzymami aktywowanymi przez wap, co prowadzi do chemicznej modyfikacji innych biaek wewntrz synapsy lub w jej ssiedztwie. Te modyfikacje chemiczne s pierwszymi stadiami tworzenia si pamici.
Wewntrzny lekarz
Plastyczno synaptyczna odgrywa jeszcze jedn niezwykle istotn funkcj w naszych mzgach pomaga mzgowi wyzdrowie po uszkodzeniu, Dla przykadu, jeeli neurony kontrolujce pewne okrelone ruchy ulegaj zniszczeniu, tak jak to si dzieje po wylewie lub powanych uszkodzeniach gowy, nie wszystko koniecznie ulega zniszczeniu. W wikszoci przypadkw nerwy nie odrastaj. Zamiast tego inne neurony si adaptuj i mog czasem podj podobne role funkcjonalne, jakie wykonyway neurony utracone, tworzc inne, ale podobne sieci. Jest to proces przeuczania si, ktry podkrela pewne ozdrowiecze moliwoci mzgu.
Jeffery Watkins Chemik farmaceutyczny, ktry przeobrazi badania nad pobudzajcymi aminokwasami odkrywajc zwizki takie, jak AP5 (poniej), dziaajce na swoiste receptory glutaminianowe
29
Uczenie si i pami
Wspomnienia s istot naszej tosamoci. Kady na swj wasny sposb zapamituje zdarzenia, fakty, odczucia i umiejtnoci niektre na bardzo krtko, inne na cae ycie. Mzg dysponuje kilkoma systemami pamici, ktre charakteryzuj si rnymi waciwociami i wykorzystuj odrbne sieci neuronowe. Obecnie sdzi si, e tworzenie nowych wspomnie zaley od plastycznoci synaptycznej (patrz Rozdzia 10), ale cigle nie mamy pewnoci, jakie s neuronalne mechanizmy wydobywania informacji z pamici. Chocia wszyscy narzekamy na swoj pami, zwykle dziaa ona cakiem dobrze. Zaczyna zawodzi dopiero w starszym wieku i w pewnych chorobach neurologicznych. Prby poprawienia pamici mogyby by korzystne, ale miayby te pewn wad pamitalibymy o wszystkich nieistotnych sprawach, ktrych nie warto pamita.
Uywamy go do zapamitywania zda na tyle dugo, e rozumiemy przebieg rozmowy, do wykonywania oblicze arytmetycznych w pamici, a take do zapamitania, gdzie przed chwil pooylimy klucze. Najwaniejsz cech tego systemu jest dokadno - kosztem ograniczonej pojemnoci i trwaoci. Czsto si mwi, e w pamici operacyjnej mona przechowa 72 elementy; wanie dlatego wikszo numerw telefonw zawiera najwyej 7-8 cyfr. Moesz sprawdzi pojemno i trwao pamici operacyjnej w prostym eksperymencie przeprowadzonym razem z kolegami.
Organizacja pamici
W mzgu nie ma jednego, szczeglnego obszaru, ktry by zbiera i przechowywa wszystkie informacje, jakich kiedykolwiek si nauczylimy. System pamici operacyjnej przechowuje informacje w umyle przez krtki czas w aktywnej, uwiadomionej formie. Znacznie wikszy, ale bardziej bierny magazyn informacji zwany jest pamici dugotrwa.
Wewntrzny skryba
Experyment: badanie pamici krtkotrwaej W eksperymencie powinny wzi udzia co najmniej dwie osoby, chocia lepiej by uczestniczya w nim caa klasa. Jedna osoba pisze na kartce cigi liter. Zaczyna od najkrtszego, dwuliterowego szeregu (np. XB), wyduajc kady nastpny o jedn liter, a do cigu 10-literowego. Musi przy tym uwaa, by litery w cigu nie utworzyy sensownego sowa (np. 5-literowy szereg moe mie posta: QVHKZ, a 10-literowy - DWCUKQBPSK). Gdy wybrana osoba uoy ju wszystkie serie liter, odczytuje je kolejno na gos. Druga osoba (lub caa klasa) w ok. 5 sekund po wysuchaniu kadej serii prbuje odtworzy j z pamici i napisa litery we waciwej kolejnoci. Eksperyment zaczyna si od najatwiejszego, dwuliterowego szeregu, po czym testowane jest zapamitywanie coraz duszych szeregw. Wikszo ludzi potrafi dokadnie zapamita seri skadajc si z 7-8 liter w duszych pojawiaj si bdy. Tylko nieliczni potrafi bezbdnie odtworzy cigi 10-literowe. Pojemno pamici krtkotrwaej jest opisywana jako magiczna liczba 7 plus lub minus 2.
Notes wzrokowo-przestrzenny
Centralny wykonawca
Pami operacyjna
W mzgu istnieje system, ktry potrafi bardzo dokadnie przechowa i przetworzy niewielka liczb informacji.
Centralny wykonawca kontroluje przepyw informacji, wspierany przez dwa dodatkowe magazyny pamici. Jednym z nich jest magazyn fonologiczny wraz z ptl bezgonego powtarzania tego systemu uywasz, gdy w mylach mwisz sam do siebie. Nawet gdy czytasz sowa lub liczby, informacja wzrokowa jest zapisywana w kodzie fonologicznym i przez krtki czas przechowywana w tym dwuczciowym systemie. Drugim magazynem jest notes wzrokowo-przestrzenny, ktry przechowuje informacj o obrazach i obiektach przez czas potrzebny do przetworzenia tej informacji. Pami operacyjna mieci si gwnie w patach czoowych i ciemieniowych. Badania, w ktrych zastosowano techniki PET i fMRI (patrz Rozdzia 15) wykazay, e suchowe czci pamici operacyjnej znajduj si przede wszystkim w pacie czoowym i ciemieniowym lewej pkuli mzgu
30
Pami dugotrwaa
Pami dugotrwaa take jest podzielona na rne systemy, umiejscowione w sieciach neuronalnych rozproszonych w caym mzgu. Rne sieci peni rne funkcje. Oglnie mwic, najpierw informacja dostaje si do ukadw czuciowych a nastpnie do drg nerwowych, gdzie zachodzi coraz bardziej skomplikowane przetwarzanie informacji. Na przykad, informacja docierajca do ukadu wzrokowego przesyana jest tak zwan drog brzuszn z kory wzrokowej do przyrodkowych struktur skroniowych za porednictwem kaskady obwodw, ktre analizuj ksztat, barw i struktur obiektw oraz oceniaj, czy obiekt jest znany czy nieznany. Na kocu powstaje pewien rodzaj pamici danego obiektu, ktra obejmuje rwnie to, kiedy i gdzie by widziany.
Wiedza na temat zwierzt jest zorganizowana w formie drzewka. Jeszcze nie wiemy, jak sieci neuronalne mzgu dokonuj takiej organizacji. Nie wystarczy wiedzie, czym jest fortepian, by umie na nim gra. Umiejtno jazdy na rowerze jest cenna, ale nie mniej wane jest uwiadomienie sobie, e pewne sytuacje na drodze mog by niebezpieczne. Umiejtnoci s przyswajane powoli, poprzez dugotrway trening, natomiast uczenie oparte na emocjach zachodzi znacznie szybciej. Czsto musi przebiega szybko, zwaszcza w przypadku tych rzeczy, ktrych uczymy si ba. Oba typy uczenia zwane s warunkowaniem. S w nie zaangaowane okrelone obszary mzgu jdra podstawy i mdek s istotne dla nabywania umiejtnoci, natomiast ciao migdaowate jest wan struktur dla uczenia emocjonalnego. Wiele zwierzt uczy si umiejtnoci ma to ogromne znaczenie dla ich przetrwania.
Kaskada obszarw mzgu, w ktrych informacja wzrokowa najpierw jest przetwarzana na potrzeby percepcji, a potem pamici. S rne sposoby mylenia o tej kaskadzie analiz. Po pierwsze, w korze mzgu znajduj si obszary, w ktrych powstaje reprezentacja tego, na co patrzymy. Ta reprezentacja jest przechowywana, a nastpnie wykorzystywana do rozpoznawania obiektw z naszego otoczenia. Zdolno rozpoznawania znanych ludzi (na przykad politykw) na podstawie karykatur zamieszczanych w gazetach odzwierciedla dziaanie tego systemu. Bardzo blisko z nim zwizany jest system zwany pamici semantyczn ogromny magazyn przechowujcy ca zgromadzon przez nas wiedz o wiecie. Wiemy, e Pary jest stolic Francji,
Szympansy ucz si owienia termitw za pomoc patyka. Mode ucz si tego, obserwujc swoich rodzicw.
31
To nie uszkodzenie jako takie budzi nasze zainteresowanie, tylko to, e dziki uszkodzeniu czy chorobie moemy pozna prawidowe dziaanie.
Ludzie cierpicy na schorzenie zwane amnezj nie pamitaj spotka z innymi ludmi, chocia miay one miejsce zaledwie p godziny wczeniej. Nie pamitaj, czy wanie co jedli, czy dopiero powinni zje. Gdy im pokaza skomplikowan figur tak jak ta w okienku poniej potrafi j poprawnie skopiowa, ale ju po 30 minutach nie umiej narysowa jej z pamici tak dokadnie, jak wikszo z nas. Czsto nie pamitaj, co si wydarzyo zanim zachorowali. Zjawisko to nosi nazw amnezji wstecznej. Takie ycie, pozbawione struktury czasowo-przestrzennej, zostao okrelone przez pacjenta z amnezj jako cige budzenie si ze snu. Ta sama osoba pamitaa jednak znaczenia sw i umiaa posugiwa si jzykiem Zachowaa take pami operacyjn umoliwiajc prowadzenie normalnej NC rozmowy. Ale gdybymy NC po kilku minutach sprbowali powtrzy dokadnie t sam rozmow, A A przekonalibymy si, e poprzedniej zupenie nie pamita.
Pacjenci z amnezj (A) potrafi poprawnie skopiowa skomplikowane rysunki takie jak ten powyej. Jednak w porwnaniu do osb zdrowych (NC), nie pamitaj ich zbyt dugo.
Dwie struktury s bardzo wane dla pamici epizodycznej: kora okoowchowa (PRH), dziki ktrej zdarzenia z przeszoci wydaj nam si znane, oraz hipokamp (HIPPO), ktry koduje informacje o wydarzeniach i miejscach.
32
Neurobiologia pamici
Uwane badania pacjentw z deficytami neurologicznymi pomagaj nam odkry, gdzie znajduj si obszary mzgu zaangaowane w procesy pamici. Jednak by wykaza, jak te procesy przebiegaj na poziomie neuronw i chemicznych przekanikw, naley przeprowadza dokadniejsze badania z udziaem zwierzt laboratoryjnych. Neurobiolodzy obecnie sdz, e pewne sposoby ksztatowania pocze neuronalnych w rozwijajcym si mzgu maj te zastosowanie podczas wczesnego uczenia si. Powstawanie wizi midzy dzieckiem i matk jest badane u modych kurczt w procesie zwanym wdrukowaniem (wpajaniem; ang. imprinting).
Hipokamp
Cztery zapisy aktywnoci elektrycznej, zarejestrowanej tu obok komrek hipokampa. Na dwch zapisach (1, 2 i czasami 4) wida impulsy nerwowe, ktre odzwierciedlaj wyadowania neuronw w okrelonym miejscu (czerwona plama na kolistym tle). Rozcignicie skali czasu (czerwone kko) uwidacznia ksztat zapisu.
Jak powstaj te mapy i inne lady pamiciowe? Wedug jednego z pogldw, za ich tworzenie odpowiada plastyczno synaptyczna zwizan z receptorami NMDA. W Rozdziale 10 opisalimy, jak indukowanie plastycznoci synaptycznej zmienia si pocze w sieci neuronw.
33
Warto wiedzie
Londyscy takswkarze musz wietnie zna miasto zanim zaczn wozi pasaerw. Gdy eksperymentatorzy poprosili dowiadczonych takswkarzy, by lec w skanerze wyobraali sobie przejazd z Marble Arch do Elephant i Castle, zobaczyli wzrost aktywnoci w korze zakrtu hipokampa w prawej pkuli (czerwone plamki). Obrazowanie mzgw takswkarzy za pomoc strukturalnego MRI wykazuje zmiany we wzgldnej wielkoci poszczeglnych czci hipokampa, co moe by zwizane z tym, e pamitaj wiele szczegw z mapy miasta chocia inne czynniki te mog peni jak rol.
Szczur musi pywa w basenie dopki nie znajdzie platformy, na ktrej moe stan.
.
Istot tych technik jest wykorzystanie najnowszej wiedzy o tym, jak informacja jest kodowana, przechowywana, konsolidowana (utrwalana) i wreszcie przypominana. Przykadem moe by wiczenie koncentracji uwagi, robienie przerw podczas nauki czy czste powtarzanie, ktre sprzyja utrwalaniu wiedzy. Dla niektrych starszych ludzie z zaburzeniami pamici przydatne jest korzystanie z systemu radiowego (pagera) w kadym momencie przypomina im, co teraz powinni zrobi, a tym samym pomaga w zorganizowaniu dnia, czego nie byliby w stanie zrobi samodzielnie. Wane jest take poznanie rnych zasad dziaania pamici epizodycznej i nabywania umiejtnoci nie nauczysz si adnej umiejtnoci tylko o niej suchajc, co si sprawdza w wypadku pamici epizodycznej. Kady, kto prbuje przyswoi sobie jak umiejtno musi czsto wiczy, o czym zawsze nauczyciele muzyki przypominaj swoim uczniom.
Alan Baddeley ktry opracowa model pamici operacyjnej, skdajcy si z kilku wspdziaajcych systemw.
Ptla fonologiczna, notes wzrokowo-przestrzenny i centralny wykonawca znajduj si w rnych czciach mzgu..
34
Znasz angielski? wicej ekserymentw badajcych pami znajdziesz na stronie internetowej http://www.exploratorium.edu/brain_explorer/memory.html
Stres
Nawet prowadzc pozornie spokojne ycie dowiadczamy stresu: w czasie egzaminw, zawodw sportowych lub, gdy spotykaj nas niepowodzenia w kontaktach z innymi ludmi. Dlaczego w takich sytuacjach pojawia si stres i co wywouje to nieprzyjemne odczucie? Czy stres ma jakie pozytywne dziaanie? Co dzieje si, gdy co idzie nie tak? Neurobiologowie zaczynaj dopiero poznawa chemiczn reakcj mzgu w odpowiedzi na stres.
O podwzgrze-przysadka-nadnercza
Stres i mzg
Stres jest postrzegany przez mzg, ktry koordynuje te odpowied. Nasze wiadome pobudzenie mzgu jak sytuacj wspdziaa z przenoszonymi przez krenie: substancjami odywczymi, hormonami, sygnaami i molekuami stanu zapalnego, ktre wraz z informacjami z nerww obwodowych monitoruj organy ciaa i odbieraj wraenia czuciowe. Mzg scala te informacje, generujc seri specyficznych, stopniowych odpowiedzi - wiemy jak to przebiega dziki neuroendokrynologii. Hormony krce we krwi monitorowane s przez mzg, umoliwiajc organizmowi radzenie sobie ze stresem.
O podwzgrze-przysadka-nadnercza (PPN). Podwzgrze w rodku osi kontroluje uwalnianie hormonw z przysadki, ktre dziaaj na nadnercza. Uwolnione hormony, w wyniku sprzenia zwrotnego ujemnego, dziaaj na rnych poziomach osi.
35
Krzywa w ksztacie dzwonu opisujca stres. Niewielki stres dziaa pozytywnie, ale zbyt duy negatywnie.
Stres i starzenie si
Starzeniu si mzgu towarzyszy oglne obnienie jego sprawnoci w stopniu zalenym od cech osobniczych. Niektrzy zachowuj z wiekiem due zdolnoci umysowe (korzystne starzenie si), podczas gdy inni nie radz sobie tak dobrze (niekorzystne starzenie si). Czy jestemy w stanie pozna molekularne podstawy tego zjawiska? U osb niekorzystnie starzejcych si poziom kortyzolu jest wyszy. Ten wzrost poprzedza spadek zdolnoci umysowych i zmniejszenie si wielkoci hipokampa. Dowiadczenia na szczurach i myszach wykazay, e utrzymywanie niskiego poziomu hormonu stresu od urodzenia, lub choby od redniego wieku, zapobiega pojawianiu si defektw pamici widocznych w populacjach kontrolnych. Tak wic osobniki wykazujce nadmiern odpowied hormonaln na stres niekoniecznie te, ktre poddane byy licznym stresom, ale te, ktre reaguj najsilniej na stresory - s tymi, ktre wraz z wiekiem trac pami i cierpi na inne zaburzenia kognitywne. Jeli podobna zaleno wystpuje u ludzi, moe bdziemy mogli zmniejszy obcienie wywoane stresem przez stosowanie lekw przeciwdepresyjnych, ktre utrzymaj ukad stresu osi PPN pod kontrol. Stres dominuje w yciu wspczesnego czowieka i na ten temat mona by powiedzie duo wicej. Ale aby to opisa, musimy zaj si take systemem odpornociowym.
36
System odpornociowy
Jeszcze kilka lat temu mzg by uwany za organ immunologicznie uprzywilejowany poniewa reakcje immunologiczne czy stany zapalne nie wydaway si wpywa na jego funkcje. W rzeczywistoci mzg jest w znacznym stopniu chroniony przed czynnikami zew-ntrznymi przez barier krew-mzg, ktr tworz wyspecjalizowane komrki rdbonka naczy krwiononych, utrudniajce przechodzenie duych czsteczek i komrek ukadu odpornociowego do mzgu. Jednak w wyniku intensywnych bada interakcji ukadu odpornociowego i nerwowego, pogld na mzg jako organ uprzywilejowany zmieni si radykalnie w ostatnim dziesicioleciu, a neuroimmunologia staa si jednym z najbardziej aktywnych obszarw nauki. Ponadto, odpowied ostrej fazy wywouje znane nam wszystkim objawy takie jak gorczka, bl, senno, utrata apetytu oraz zobojtnienie. Kada z powyszych odpowiedzi pomaga zwalcza chorob, oszczdza energi i przyspiesza procesy naprawcze, jednak ich nadmierna lub zbyt duga aktywacja jest szkodliwa i musi by starannie kontrolowana.
Obrona organizmu
System odpornociowy (immunologiczny) stanowi pierwsz lini obrony organizmu przed chorobotwrczymi mikroorganizmami (bakterie wirusy, grzyby), odpowiedzialnymi zarwno za pospolite przezibienia jak i zagraajce yciu powane choroby np. AIDS, zapalenie opon mzgowych czy grulic. Nasz system obronny funkcjonuje w wieloraki sposb. Pierwsza reakcja zachodzi wewntrz zakaonej, zranionej lub objtej stanem zapalnym tkanki i jest zwizana z obrzkiem, blem, zmianami w przepywie krwi oraz uwalnianiem miejscowych czynnikw stanu zapalnego. Komrki systemu odpornociowego zwane leukocytami i makrofagami oraz biaka ostrej fazy wdruj do miejsca inwazji, gdzie identyfikuj, zabijaj i usuwaj chorobotwrczych agresorw.
37
zoony i obejmuje interakcje wielu hormonw i neuroprzekanikw. Co wicej, niektre odmiany agodnego stresu mog korzystnie wpywa na aktywno ukadu odpornociowego.
38
Sen
Z Z Zz
Fazy snu
Sen nie jest takim biernym stanem, jakim si wydaje. Jeli do skry gowy osoby badanej w pracowni snu (s tam wygodne ka!) przyoymy elektrody, sygna elektroencefalogramu (EEG) pokae nam, e aktywno elektryczna mzgu przechodzi kilka wyranych faz. Podczas czuwania mzg przejawia aktywno elektryczn o niskiej amplitudzie. Kiedy zasypiamy, EEG nieco si spaszcza, by potem stopniowo zwiksza amplitud i zmniejsza czstotliwo w miar jak przechodzimy przez kolejne fazy snu. Ten etap nazywa si snem wolnofalowym (SWS, ang. slow-wave sleep). Przyczyny opisanych zmian w aktywnoci elektrycznej mzgu nie zostay dotd poznane. Sdzi si jednak, e kiedy neurony w mzgu przestaj odpowiada na sygnay z zewntrz stopniowo si ze sob synchronizuj. Minie szkieletowe rozluniaj si, bo neurony, ktre je kontroluj s hamowane, ale na szczcie neurony odpowiedzialne za oddychanie i prac serca dziaaj normalnie. W cigu nocy wielokrotnie przechodzimy przez kolejne fazy snu. W jednej z nich, sygna EEG przypomina fale rejestrowane u osb czuwajcych czemu towarzysz szybkie ruchy gaek ocznych przy zamknitych powiekach. Jest to faza snu paradoksalnego (REM, ang. rapid eye movement), w ktrej najczciej pojawiaj si marzenia senne. Osoby wybudzone w fazie REM zwykle twierdz, e niy nawet te, ktre mwi, e nigdy nie miewaj snw (moesz to wyprbowa na czonkach swojej rodziny!). Wikszo z nas co noc ma okoo 4-6 krtkich epizodw snu REM, przy czym u modszych dzieci epizody snu paradoksalnego s dusze. Ta faza snu wystpuje rwnie u zwierzt.
Czuwanie
REM Faza 1 Faza 2 Faza 3 Faza 4
Kadego wieczoru udajemy si na spoczynek do sypialni, kadziemy do ka i odpywamy do krainy snu. Wikszo z nas pi po osiem godzin na dob, co oznacza e mniej wicej jedn trzeci ycia spdzamy bez wiadomoci cz z tego nic. Jeli sprbujesz zrezygnowa ze snu na rzecz nocnego imprezowania lub caonocnej nauki do egzaminu, twoje ciao i umys szybko poka ci, e to zy pomys. Sen mona odwlec, ale nigdy na dugo. Cykl snu i czuwania jest jedn z wielu rytmicznych aktywnoci ciaa i mzgu. Skd si one bior, jakie czci mzgu s w nie zaangaowane i jak to wszystko dziaa?
Rytm ycia
Sen i czuwanie s przejawami wewntrznego rytmu, ktry w pierwszych latach ycia dostraja si do cyklu dni i nocy. Nazywamy go rytmem okoodobowym. Wyznacza on wan dla naszego ycia rytmik: niemowlta pi krtko, ale czsto - zarwno w cigu dnia, jak i nocy, starsze dzieci czsto drzemi po obiedzie, doroli natomiast pi gwnie w nocy. Sen ma dobroczynne dziaanie Winston Churchill, premier Wielkiej Brytanii w czasie II Wojny wiatowej, zwyk ucina sobie krtkie, 5-minutowe drzemki niekiedy w trakcie posiedze rzdu! Nakadanie si wzorca snu i czuwania na rytm dnia i nocy jest czciowo kontrolowane przez niewielk grup komrek podwzgrza zwanych, z uwagi na pooenie tu nad skrzyowaniem nerww wzrokowych, jdrami nadskrzyowaniowymi (SCN, ang. suprachiasmatic nuclei). Neurony w tej strukturze poczone s niespotykan iloci synaps, dziki czemu mog wzajemnie synchronizowa swoj aktywno jako cz zegara biologicznego mzgu. U ludzi zegar ten tyka w tempie wolniejszym ni rytm 24-godzinny, ale jest stale korygowany dziki sygnaom wzrokowym informujcym mzg o porze dnia. Dowiedziono tego przeprowadzajc badania snu u ludzi, ktrzy zamieszkali na dugi czas w gbokich jaskiniach, pozbawieni wszelkich wskazwek co do rzeczywistej pory dnia - ich wzorce aktywnoci stabilizoway si z biegiem czasu na ok. 25-godzinnym cyklu snu i czuwania.
Godziny snu
Normalny 8-godzinny sen skada si z wielu nastpujcych po sobie faz ukadajcych si w charakterystyczny wzr, z fazami snu REM zaznaczonymi na czerwono, pojawiajcymi si okoo 4 razy w cigu nocy.
Brak snu
SCN aktywne w cigu dnia SCN wyciszone w nocy
Kilka lat temu amerykaski nastolatek, Randy Gardner, podj prb pobicia rekordu Guinessa w obywaniu si bez snu. Udao mu si czuwa przez ponad 264 godziny pod opiek lekarzy Marynarki Wojennej USA. Nie polecamy podejmowania takich prb samemu!
39
Dlaczego pimy?
Rola snu wci pozostaje zagadk. Niektrzy uwaaj, e sen jest tylko wygodnym przystosowaniem do pozostawania w znieruchomieniu, ktre ma zwierztom zapewni bezpieczestwo. Wydaje si jednak mao prawdopodobne, aby byo to jedyne wytumaczenie dla tak ewolucyjnie starego zjawiska. Dowiadczenia z brakiem snu pozwalaj sdzi, e sen REM i niektre fazy snu wolnofalowego s konieczne dla regeneracji mzgu. Fazy te pojawiaj si w 4 pierwszych godzinach od zanicia. By moe moment, kiedy mzg nie musi by w peni czujny, jest najlepszy na dokonanie niezbdnych przygotowa do kolejnego okresu aktywnoci, podobnie jak statek najlepiej jest remontowa, kiedy znajduje si w suchym doku. Naukowcy uwaaj take, e sen jest konieczny do konsolidacji wszystkiego, czego nauczylimy si w cigu dnia. Jest on zatem konieczny do powstawania ladw pamiciowych. Ukad ten pooony jest w pniu mzgu a za jego dziaanie odpowiedzialny jest szereg neuroprzekanikw modulujcych, wrd ktrych wan rol odgrywa adenozyna. Za przejcie innych czci mzgu w kolejne fazy snu odpowiadaj mechanizmy synchronizujce je z orodkiem w pniu mzgu. Ogromn rol w zrozumieniu podoa aktywnoci rytmicznej odegraa neurogenetyka. Zidentyfikowano wiele genw bdcych molekularnymi skadnikami zegara biologicznego. Wiele bada przeprowadzono na muszce owocowej (Drosophila melanogaster), u ktrej stwierdzono istnienie dwch genw per i tim ktrych produkty oddziauj wzajemnie by regulowa wasn syntez. Synteza mRNA i biaek w godzinach porannych powoduje akumulacj biaek i ich czenie si, co blokuje dalsz syntez. Pod wpywem wiata biaka te ulegaj degradacji i ich ilo stopniowo maleje osigajc pod koniec dnia poziom umoliwiajcy ponown aktywacj genw per i tim. Taki cykl powtarza si i moe by obserwowany nawet w neuronach w wyizolowanych skrawkach (utrzymywanych przy yciu na szalkach w laboratorium). Ssaczy zegar dziaa w zadziwiajco podobny sposb. To, e te same biaka steruj mechanizmem zegara u tak odlegych organizmw nie powinno by jednak niespodziank jeli wzi pod uwag, e rytmy okoodobowe pojawiy si bardzo wczenie w toku ewolucji.
Warto wiedzie
dzie noc dzie noc 10 20 dzie noc dzie noc
Dni
30 40
Zmutowane myszy natychmiast dostosowuj swj zegar biologiczny do zmienionych warunkw owietlenia
Aby lepiej zrozumie molekularne podoe rytmw okoodobowych neurobiolodzy wyhodowali myszy, u ktrych metodami inynierii genetycznej wyczono niektre geny aktywne w jdrach nadskrzyowaniowych. Myszy te, nazywane VIPR2, s zupenie zdrowe, a ich zachowanie zmienia si pomidzy dniem i noc jak u normalnych zwierzt. Na powyszym rysunku czarne plamki pokazuj kiedy mysz bya aktywna. Mona zaobserwowa zwyczajne wzorce zachowania zwierzta s aktywne w nocy (obszary zacieniowane). Jednak kiedy nagle przesunie si czas wczenia i wyczenia wiate o 8 godzin (okoo 25. dnia dowiadczenia), zwyke myszy maj objawy jet-lagu: dostosowanie wzorca aktywnoci do nowych warunkw owietlenia zajmuje im kilka dni. Tymczasem myszy zmodyfikowane genetycznie przestawiaj si natychmiast. Badania tego rodzaju pomagaj nam pozna sposb w jaki wiato wpywa na dziaanie genw zegara okoodobowego.
40
Obrazowanie mzgu
Frenolodzy myleli, e mona zrozumie mzg poprzez badanie wypukoci na powierzchni czaszki. Mimo i dzi wydaje si to troch nacigane, idea aby zrozumie mzg fascynowaa ludzi od wielu pokole. Dzi dziki nowoczesnym technikom obrazowania mzgu stao si to moliwe. Wspczesne skanery uywaj rnych rodkw, eby wygenerowa wspaniae obrazy struktury neuronw i wkien, przepywu krwi i metabolizmu energetycznego, oraz zmian w aktywnoci neuronalnej.
Po lewej:
Wpywy uzyskane przez E.M.I. ze sprzeday nagra zespou The Beatles pomogy sfinansowa skonstruowanie pierwszych skanerw mzgu. Te i pniejsze maszyny umoliwiy naukowcom badanie mzgu na nowy sposb.
Po prawej: Wspczesny skaner MRI. Badany ley na stole, ktry wjeda do cewki magnetycznej, gdzie wykonywany jest skan przez 30 minut do 1 godziny.
41
Obraz naczy krwiononych w mzgu. Zmiany w przepywie krwi mog by rejestrowane i su jako wskanik aktywnoci neuronalnej.
Zastosowanie technik komputerowych pozwala okreli przy pomocy PET i MRI miejsce w mzgu gdzie dochodzi do zmian przepywu krwi.
42
Dziki zaawansowanym analizom mona budowa modele efektywnego poczenia struktur uczestniczcych w badanym procesie. W czasie percepcji ruchu badacze rejestruj aktywacje w obszarze V5. Mechanizm ten zaczyna si jednak aktywacj w obszarze V2 oraz w strukturze znajdujcej si gboko w mzgu zwanej poduszk (ang. Pulvinar). Jednoczenie tylna kora ciemieniowa kontroluje ten proces..
Badanie neuroobrazowania mog jednak czasami zaskakiwa. Na przykad nie obserwuje si aktywacji w patach skroniowych mzgu w czasie wykonywania zada angaujcych pami dugotrwa. Dziki neuroobrazowaniu oraz wiedzy neuropsychologicznej uzyskujemy coraz wicej informacji na temat funkcjonowania mzgu. Dane te skaniaj badaczy do tworzenia nowych koncepcji oraz rewidowania wczeniejszych teorii choby z zakresu dziaania ludzkiej pamici. Coraz bardziej wyszukane metody matematyczne wykorzystywane s do analizy danych z neuroobrazowania. Jedna z najnowszych matematycznych technik umoliwia obserwowanie, ktre z aktywowanych rejonw mzgu w czasie wykonywania badanego procesu s ze sob powizane i jak konkretne rejony mzgu wpywaj na siebie wzajemnie w czasie wykonywania skomplikowanych zada poznawczych. Dalszy rozwj technik neuroobrazowania oraz matematycznych metod analiz pozwoli badaczom na coraz bardziej precyzyjne opisywanie mechanizmw dziaania naszego mzgu.
Osoba badana w skanerze moe otrzymywa bardzo zrnicowane bodce wzrokowe. Bodce tego typu aktywuj pierwszorzdow kor wzrokow V1 oraz V2. Dziki analizom mona zaobserwowa, i percepcja kolorowych obiektw (strona lewa) aktywuje obszary V4, natomiast percepcja poruszajcych si kropek (strona prawa) aktywuje obszar V5.
Analizy danych z funkcjonalnego rezonansu magnetycznego przeprowadza si przy uyciu specjalistycznego oprogramowania SPM (ang. Statistical Parametric Maping). Program ten przeprowadza bardzo skomplikowane i czasochonne wyliczenie w celu sprawdzenia, czy otrzymana aktywacja mzgu jest istotna statystycznie i tworzy kolorowe mapy, w ktrych kolor ty oznacza bardzo siln, a kolor niebieski sabsz aktywacj. Kiedy okrelony rejon mzgu aktywuje si w czasie wykonywania jakiego zadania, badacze mwi, i miejsce to wieci si. Jeeli na przykad osoba badana w czasie eksperymentu bdzie widziaa migajc czarno-bia szachownic, wieci bdzie si pierwszorzdowa kora wzrokowa rejon mzgu odpowiedzialny za pierwsze etapy widzenia. Prezentowanie kolorowych, ruszajcych si obiektw wywouje aktywacj innych struktur mzgu. Tego typu eksperymenty poszerzaj nasz wiedz na temat mechanizmw rzdzcych przetwarzaniem bodcw wzrokowych w mzgu. Podobne badania przeprowadzane s take dla innych modalnoci takich jak such czy dotyk. W czasie bardziej skomplikowanych eksperymentw identyfikuje si obszary mzgu zwizane z procesami czytania czy identyfikowania semantycznego znaczenia poszczeglnych sw. Bada si take procesy uczenia i identyfikuje si obszary mzgu odpowiedzialne za percepcj blu.
Warto wiedzie
Nisko Logothetis jest modym eksperymentatorem badajcym aktywacj na poziomie neuronw oraz sygnau rejestrowane-go przy uyciu funkcjonalnego rezonansu magnetycznego. Dziki symultanicznym pomiarom elektroencefalograficznym oraz fMRI mona bada zwizek potencjaw wywoanych z sygnalem (BOLD).
43
3 1 2
Twj mzg to 100 000 000 000 komrek, 3 200 000 kilometrw przewodw i 1 000 000 000 000 000 (ta liczba nazywa si biliard przyp. tum.) pocze synaptycznych wszystko to way 1.5 kg i zajmuje objto okoo 1.5 litra. A zuywa mniej energii ni lampka nocna.
44
45
amigwka matematyczna
Pami rozproszona przywoywana zawartoci Wyobra sobie sie zbudowan z czterech przewodw biegncych poziomo przecinajcych si z czterema biegncymi pionowo, z przecznikami w miejscach ich skrzyowa (ryc. A). Ta matryca bdzie pamici. Informacja prezentowana jest matrycy w postaci liczb dwjkowych takich jak 0011 i 0110; ustawiamy wcznik w pozycj ON za kadym razem, gdy 1 w poziomym przewodzie spotka si z 1 pionowym (co pokazano na niebiesko na ryc. B). Zapisana jest tu informacja o parowaniu si tych dwch liczb. Matryca moe jednak rwnoczenie przechowywa informacje o innych liczbach, takich jak 1010 i 0110. Kocowy stan matrycy bdzie mie 7 wcznikw w pozycji ON, tak jak pokazano na ryc. C. Gdy matrycy w kocowym stanie znw zaprezentowa (w poziomych przewodach) pierwszy numer 0011 i wczy prd w pionowych przewodach zawsze, gdy przecznik jest w pozycji ON (ryc D), wynikiem bd prdy w pionowych przewodach o wartociach proporcjonalnych do 2120. To nie jest numer, z ktrym liczba 0011 bya pocztkowo skojarzona. Ale gdy podzieli w sposb cakowity 2120 przez czn liczb jedynek w liczbie wejciowej (0+0+1+1=2) otrzyma si na kocu 1010. Tak, wic matryca zapamitaa, e 0011 idzie w parze z 1010, pomimo tego, e zostaa do niej dopisana dodatkowa informacja. Moesz atwo sprawdzi, e to zadziaa take dla drugiej pary liczb.
NOMAD to ruchliwy i zmylny prototyp mylcych maszyn przyszoci. Ma okoo 60 cm wzrostu, cylindryczny tuw, chwytliwe ramiona, oczy, uszy i inne czujniki, ktre pomagaj mu w nawigacji. To, co odrnia NOMADa od innych robotw, to to, e dziaa on bez zakodowanych instrukcji, czy regu. Zamiast tego ma symulowany komputerowo mzg zbudowany z 10 000 neuronw z ponad milionem wzajemnych pocze, ktry odbiera sygnay z otoczenia i na nie reaguje. Radzi sobie z nowymi sytuacjami i uczy si na bdach, wdrujc po swoim wybiegu usianym pomalowanymi klockami. Niektre klocki s w paski i przewodz prd, co sprawia, e s smaczne. Inne s w kropki i nie przewodz tak dobrze, co sprawia, e smakuj gorzej. Patrzc na klocki i prbujc ich czujnikami elektrycznymi na swoich wysignikach, NOMAD uczy si omija klocki w kropki i siga po smaczne klocki w paski.
Sdzimy, e jest to rodzaj pamici, jakim posuguje si mzg. Nie przechowuje on informacji w specyficznych miejscach jak komputer PC. Informacja jest rozprzestrzeniona w sieci, zapisana jako zmiany wag synaptycznych, i moe by przywoana przez odwoanie si do jej zawartoci. Problem polega na tym, e ten rodzaj pamici wysyca si bardzo szybko. Jednake z tysicem par przewodw, matryca moe, bez zbyt wielkich zakce, pomieci wiele nakadajcych si par informacji.
46
Kiedy co le dziaa...
Mzg jest wraliwym organem. Wypadki mog powodowa urazy gowy w nastpstwie ktrych mzg moe przesta normalnie funkcjonowa. Choroby mzgu mog wywoywa rnorodne, trudne do zrozumienia objawy. Do diagnozowania chorb mzgu potrzebne s zarwno umiejtnoci kliniczne neurologa i psychiatry, jak i wyrafinowane testy biomedyczne i obrazowanie mzgu. Badania naukowe chorb mzgu wymagaj jeszcze wikszych kompetencji. Niektre choroby, na przykad padaczka i depresja, s stosunkowo czste, nawet u dzieci i modziey. Inne, takie jak schizofrenia s rzadsze, lub jak choroba Alzheimera, dotykaj tylko osoby w starszym wieku. W powstawaniu niektrych chorb due znaczenie maj czynniki genetyczne, co skania do postawienia trudnego pytania: czy chcielibymy wiedzie, e posiadamy mutacj predysponujc do zachorowania? Badania neurobiologiczne przyniosy dwa gwne odkrycia prowadzce do polepszenia jakoci ycia osb cierpicych na padaczk. Po pierwsze moemy projektowa leki tumice aktywno drgawkow bez tumienia normalnej aktywnoci mzgu. Po drugie, postp w technologiach obrazowania mzgu oznacza, e w przypadku niektrych osb cierpicych na drgawki uniemoliwiajce normalne funkcjonowanie, moliwe jest dokadne zlokalizowanie rda tych drgawek, operacyjne usunicie chorej tkanki mzgu, co powoduje zmniejszenie czstoci drgawek i zmniejsza ryzyko rozszerzenia choroby na cigle zdrowe obszary mzgu. Leczenie chirurgiczne padaczki wydaje si by drastyczne, jednak bardzo czsto przynosi zadziwiajco dobre rezultaty.
47
Choroby genetyczne
Lekarze od dawna rozpoznawali i diagnozowali choroby mzgu zalenie od obszaru objtego chorob. Nazwa wielu chorb jest opisem objawu choroby, podanym po acinie lub po grecku, na przykad ischialgia (bl nerwu kulszowego, czyli rwa kulszowa). Ogrom informacji z dziedziny genetyki, jakie zgromadzono w cigu ostatniego dziesiciolecia cakowicie zmieni ten stan rzeczy. Niektrzy ludzie dziedzicz problemy z kontrol ruchu, co powoduje z czasem coraz wiksze zaburzenia rwnowagi. Choroba ta nazywana jest ataksj rdzeniowo-mdkow, a nazwa ta jest przykadem tradycyjnego sposobu nazywania chorb. Obecnie znany jest powodujcy j defekt genetyczny. Wiele innych chorb mona obecnie klasyfikowa biorc pod uwag ich przyczyn, a testy genetyczne s rutynowo stosowane w przypadku podejrzenia zachorowania na ataksj rdzeniowo-mdkow i inne choroby genetyczne. Diagnoz mona wykona znacznie szybciej i ze znacznie wiksz pewnoci ni dawniej.
Rycina przedstawiajca uszkodzenie mzgu po udarze i otaczajcy je obszar pcienia zagroony uszkodzeniem.
48
Drzewo genealogiczne przedstawiajce rodzin ze skonnoci do schizofrenii i problemw z uczeniem. Zwraca uwag, e niekiedy schorzenie moe pomin jakie pokolenie.
Choroba Huntingtona jest chorob neurodegeneracyjn poczon z nieprawidowymi, mimowolnymi ruchami ciaa. Zostaa nazwana nazwiskiem lekarza, ktry po raz pierwszy j opisa. Jest spowodowana mutacj dynamiczn w obrbie jednego z najwikszych genw ludzkiego genomu, tzw. huntingtynie. Niektre formy choroby Parkinsona o wczesnym przebiegu (powodujcej spowolnienie ruchw, sztywno mini, drenie, zaburzenia rwnowagi) s spowodowane mutacjami w genie kodujcym parkin. Testy genetyczne mog pomaga w diagnostyce i by uywane do poradnictwa dla innych czonkw rodziny odnonie ich ryzyka zapadnicia na dane schorzenie, lub przekazania go dzieciom. Cho rewolucja genetyczna zmienia ju sposb, w jaki lekarze radz sobie z chorobami ukadu nerwowego, jest to jedynie pocztek dugiej drogi odkry. Ten sam defekt genetyczny moe powodowa rne choroby u rnych ludzi. Rne defekty genetyczne mog wywoywa bardzo podobne schorzenia. Zrozumienie, jaki czynnik odpowiada za te rnice i jak konstrukcja genetyczna kadego czowieka wspdziaa z otoczeniem, w jakim on yje i buduje wok siebie, jest jednym z wielkich wyzwa ery genomiki.
Zagadnienie do dyskusji Gdyby dowiedzia/a si, e istnieje u ciebie ryzyko zachorowania na chorob genetyczn, to czy chciaby/chciaaby si co do tego upewni? Czy byoby waciwe identyfikowanie genu w okresie podowym i przeprowadzanie aborcji w przypadku wykrycia choroby? Czy wane s lata produktywnie spdzone przez chorych przed rozwiniciem si choroby?
49
Mimo intensywnych poszukiwa, nadal nie ma sposobu na powstrzymanie postpu choroby Alzheimera. Wanie dlatego badania z uyciem zwierzt s tak wane. Wiadomo, e w chorobie Alzheimera szczeglnie podatne na uszkodzenie s komrki nerwowe wykorzystujce neuroprzekanik acetylocholin. Leki wzmagajce dziaanie pozostaej acetylocholiny przez blokowanie enzymw, ktre normalnie ten neuroprzekanik rozkadaj, powoduj niewielki efekt terapeutyczny zarwno u zwierzt dowiadczalnych, jak i w niektrych przypadkach klinicznych. Jednake leki te nie powoduj spowolnienia postpw choroby, ktra jest nadal nieuleczalna. Podsumowujc wskazwki pochodzce z genetyki, wydaje si, e krokiem w kierunku pokonania choroby Alzheimera moe by zrozumienie zalenoci midzy chemi mzgu i funkcjami psychologicznymi, a take poszerzenie wiedzy o mechanizmach uszkodzenia komrki.
Depresja
To, e depresja i neurodegeneracja mog by ze sob zwizane, moe wydawa si zaskakujce. Jednak obecnie wiadomo, e pacjenci cierpicy na powane zaburzenie depresyjne mog traci komrki mzgu. Depresja jako choroba nie jest tym samym, co doek psychiczny, ktrego wszyscy od czasu do czasu dowiadczamy. Z naprawd powan chorob mamy do czynienia, kiedy zy nastrj przedua si do tygodni lub miesicy. Zaczyna wtedy przesania wszystko do tego stopnia, e pacjenci pragn mierci i mog prbowa popeni samobjstwo. U osb cierpicych na depresj pojawiaj si te inne charakterystyczne objawy: zaburzenia snu, obnienie aknienia, osabienie koncentracji i pamici oraz utrata zainteresowania yciem. Na szczcie jest to choroba w duym stopniu wyleczalna. Leki przeciwdepresyjne, ktre wzmacniaj dziaanie neuromodulatorw takich jak serotonina i noradrenalina, mog szybko (w cigu tygodni) wyleczy t chorob. Skuteczna jest rwnie terapia przez rozmow. czna terapia chemiczna i psychologiczna moe by szczeglnie pomocna. Depresja to zadziwiajco czste schorzenie - jedna osoba na pi cierpi w jakim momencie swojego ycia na depresj o rnym stopniu natenia.
Co dziaa le? W miar postpw choroby Alzheimera obumieraj komrki mzgu. Kora staje si ciesza, a komory mzgu powikszaj si. W praktyce, diagnoz stawia si na podstawie charakterystycznych objaww klinicznych. Moe ona zosta potwierdzona tylko po mierci, kiedy podczas badania mikroskopowego mzgu wykryje si utrat komrek, zogi biaka amyloidu w blaszkach starczych oraz zwyrodnienie wkienkowe - zgrupowania spltanych ze sob biaek wkienkowych, ktre s normalnymi skadnikami komrek mzgu. Obecne badania maj na celu udoskonalenie diagnostyki dziki nowym testom neuropsychologicznym, koncentrujcym si na odrnieniu wystpujcych we wczesnych etapach rozwoju choroby problemw psychiatrycznych od tych zwizanych na przykad z depresj.
Na wybarwionym skrawku mzgu widoczna jest blaszka starcza (kwadrat) i wybarwione na ciemno zwyrodnienie wkienkowe (strzaka)
Rwnie w tym przypadku genetyka umoliwia zrozumienie rda choroby, wskazujc na mutacj w genie kodujcym prekursor amyloidu i w genach kodujcych preseniliny (enzymy tnce prekursor amyloidu). Dziedziczenie pewnej formy apolipoproteiny E (apoE), nazywanej apoE-4, zwiksza ryzyko zapadnicia na chorob Alzheimera. Niemniej czynniki genetyczne nie wyczerpuj tematu. Czynniki rodowiskowe, takie jak toksyny i inne zaburzenia, takie jak uraz gowy, rwnie mog odgrywa wan rol. Niemniej czynniki genetyczne s na tyle wane, e stworzono genetycznie zmodyfikowane zwierzta posiadajce cechy typowe dla choroby Alzheimera. Badania z uyciem tych zwierzt musz by interpretowane bardzo ostronie, jednak mog pomc wnikn w biologi procesu chorobowego.
50
Schizofrenia
Kolejn chorob psychiczn, w ktrej ujawniaj si anomalie zarwno chemii mzgu jak i jego struktury jest schizofrenia. Jest to choroba postpujca i potencjalnie bardzo wyniszczajca, ktra dotyka 1 osob na 100. Choroba czsto rozpoczyna si w okresie modzieczym. Uwaa si, e dramatycznie zawaya na yciu wikszej liczby ludzi ni nowotwr. Kluczowe objawy schizofrenii to urojenia (niecodzienne przekonania zwykle dziwne, oskarycielskie sdy) i halucynacje (zaburzenia postrzegania, w trakcie ktrych osoby chore dowiadczaj nienormalnych wrae czuciowych, takich jak syszenie gosw, kiedy nikogo nie ma w pobliu). Czsto wystpuje postpujce upoledzenie zdolnoci poznawczych, kontaktw spoecznych i niezdolno do pracy. Z chorob t wie si wiele nieporozumie. Nie ma ona nic wsplnego z rozszczepieniem jani. Osoby chore nie s rwnie z zasady agresywne. Najczciej osoby cierpice na schizofreni s bardziej przeraone ni agresywne. Choroba ma oczywist skadow genetyczn, lecz podobnie jak w przypadku innych chorb, wane jest te rodowisko i poziom stresu. Niemniej, mimo zmian psychologicznych, choroba ta jest przede wszystkim chorob mzgu. Wiadomo od dawna, e komory mzgu s powikszone oraz aktywno patw czoowych jest nieprawidowa.
Warto wiedzie
Wyniki
Naukowcy
Pocztkowo nie wiedzielimy, co si dzieje z nasz crk Sue. Dobrze rozpocza studia na uniwersytecie i radzia sobie atwo na egzaminach z pierwszego roku. Potem zacza si zmienia sta si spokojna i wycofana. Poprzednio bya zupenie inna, wylewna i towarzyska. Przestaa spotyka si z przyjacimi, nie chodzia na zajcia i spdzaa cae dnie w ku. Pewnego dnia powiedziaa nam, e otrzymaa specjalny przekaz z telewizora, mwicy jej, e ma szczeglne waciwoci i e satelity kontroluj jej myli za pomoc telepatii. miaa si bez powodu, a nastpnie pakaa. Bez wtpienia co byo nie tak. Powiedziaa, e wszdzie wok syszy gosy opowiadajce o wszystkim, co robi. Okazao si, e cierpi na schizofreni. Najpierw bya w szpitalu przez okoo dwa miesice. Teraz regularnie przyjmuje leki. Chocia jej stan ostatnio poprawi si i nie ma ju dziwnych pomysw na temat satelit, jednak nadal nie interesuje si niczym. Musiaa przerwa studia. Przez jaki czas pracowaa w sklepie, lecz musiaa znw i do szpitala na kilka tygodni i stracia t prac. Po prostu ju nie jest t sam osob.
Znasz angielski? Polecane strony internetowe:: http://www.bbsf.org.uk British epilepsy association: http://www.epilepsy.org.uk Stroke: http://www.strokecenter.org National Institute of Neurological disorders and stroke: http://www.ninds.nih.gov
51
Kontekst socjalny
Niektrzy naukowcy badajcy UN uwaaj, e ich koncepcje s odlege od spoecznej rzeczywistoci. Rzadko jednak jest to prawd. W XVII wieku Kartezjusz wykorzysta metafor hydrauliczn dla wytumaczenia jak humory mzgu poruszaj miniami. Metafor t zapoyczy z rozwiza inynierii wodnej, ktre widzia w ogrodach francuskiego zamku. Na pocztku XX wieku neurofizjolodzy, oddajc klimat industrializacji, opisywali zawie okablowanie mzgu jako zaczarowane krosno, a nieco pniej jako wielk central telefoniczn. Obecnie obfitujemy w metafory komputerowe, takie jak ta, i kora mzgowa dziaa jak prywatna sie www. Po czci metafory te s skrtami mylowymi pomocnymi w przekazywaniu zoonych idei. S one rwnie pomysami z ktrych wyrastaj wymylne teorie dotyczce mzgu. Badacze UN mog angaowa si w rozwaanie problemw naukowych odlegych od codziennego ycia. Czsto prowadzi to do abstrakcyjnego i wypenionego argonem wiata. Jednake, wiele zagadnie nauk o UN moe by podanych w sposb oderwany od codziennoci, ale przystpny. Nawet jeli dotycz one badania przepyww jonw (ktre s podstaw przekazu potencjau czynnociowego), uwalniania i dziaania przekanikw chemicznych, czy te sposobu w jaki aktywno elektryczna neuronw w korze wzrokowej oddaje wygld wiata widzialnego. wiat realny nigdy jednak nie pozostaje daleko. Kiedy wiemy ju jak dziaaj przekaniki chemiczne, naturalnym krokiem s rozwaania nad pigukami mdroci, ktre mog pomc w lepszym zapamitywaniu. Rwnoczenie, ta wiedza moe prowadzi do prb tworzenia neurotoksyn (substancji dziaajcych na UN np. inhibitorw pewnych enzymw) ktre zaburz ten podstawowy proces. Od tego ju tylko krok do elementw wojny biologicznej.
Gdyby dostpny by lek, ktry pomgby ci zda egzaminy, czy wziby go? Czy jest jaka rnica midzy tym, a postpowaniem sportowca uywajcego sterydw, by poprawi swoje wyniki?
MYLENIE O MZGU DOTYCZY NAS WSZYSTKICH, JEST TO DOSOWNIE EPSKA SPRAWA
Mniej wyszukane dylematy etyczne dotycz przyszoci obrazowania mzgu. Techniki obrazowania mzgu mog na przykad, przy odpowiednich procedurach testowych, umoliwi odrnianie prawdziwych i faszywych wspomnie danej osoby. Pewnego dnia sdy mog dysponowa technologi skanowania mzgu, rodzajem mzgowego odcisku palca, ktry pomgby okreli wiarygodno wiadkw. To stawia nas przed interesujcym zagadnieniem, ktre mona okreli prywatnoci poznawcz.
52
Tylko porozumiewaj si
W krajach, w ktrych naukowcy robi najwicej, aby komunikowa si z szerok publicznoci, jest zagadkowa tendencja do niszego poziomu zaufania do nich. Korelacja nie jest jednak tym samym, co przyczyna. Mao prawdopodobne jest, aby przyczyn spadku zaufania wobec naukowcw byy ich starania, aby zaangaowa szerok publiczno w dyskusj nad wpywem nauki na spoeczestwo. Jest raczej tak, e publiczno zainteresowana nauk staje si coraz bardziej uwiadomiona, bardziej sceptyczna wobec nowych cudownych lekw i bardziej wiadoma powolnego i czasem niepewnego postpu nauki. Nie ma wic powodu, by zmniejszajc brak zaufania sprzyja powrotowi do lepej ignorancji. Jedn z przesanek dla angaowania w sprawy nauk o UN modych ludzi i publicznoci zainteresowanej nauk jest to, e naukowcy nadal nie s zgodni co do gwnych zasad swej dziedziny. Media, zamiast koncentrowa si na oddzielnych odkryciach, powinny promowa mylenie o nauce jako o procesie. Procesie przeplatanym niepewnoci i debat. Neuroetyka jest dziedzin now. Osobliw ironi jest to, e to Richard Feynman, fizyk-teoretyk, okreli powd uprawiania przez siebie nauki jako przyjemno odkrywania. I to wanie on rzuci si w wir badania przyczyn katastrofy jednego z amerykaskich promw kosmicznych, Challengera, ktry eksplodowa chwil po starcie. Wpyw nauki na spoeczestwo dosiga nas wszystkich.
53
Wielu modych adeptw wiedzy karier naukow kojarzy z laboratorium i biaym kitlem. Mamy nadziej, e dziki tej broszurce uwiadomi sobie, jak wiele istnieje aspektw neurobiologii i zrozumiej, e badania mzgu wpywaj w zoony sposb na ycie czowieka. W polu pomidzy laboratorium a szpitalem i wieloma innymi kolejami ycia ludzkiego znajduje si wiele ekscytujcych moliwoci badawczych.
Studiowaam nauki przyrodnicze i angielski na poziomie A, po czym zaczam studiowa biologi w Edynburgu. Specjalizowaam si na ostatnim roku i naprawd znalazam moj nisz. Miaam to szczcie, eby otrzyma stanowisko asystenta badawczego w Zakadzie Neurobiologii Poznawczej Edinburgh University. I to w kocu doprowadzio mnie do doktoratu.
Medycyna
W Wielkiej Brytanii, podobnie jak w Polsce, dyplom ukoczenia studiw jest rwnowany dyplomowi magisterskiemu. Wiele uniwersytetw ma tam Szkoy Medyczne i ostatnio, w zwizku z powstaniem wielu nowych takich szk medycznych, zwikszya si liczba studentw medycyny. Specjalizacje takie, jak neurologia, neurochirurgia, psychiatria i radiologia rozpoczynaj si na wyszych latach, ale czsto pojawiaj si moliwoci pracy w laboratoriach neurobiologii eksperymentalnej w okresie wakacji i urlopw dziekaskich. Rywalizacja na kursy medyczne jest dua, ale rwnie wielkie s korzyci kariery w dziedzinie medycyny. Przywilejem pracy na Uniwersytecie jest swoboda intelektualna. Kady dzie jest inny.. Codziennie uczysz si czego nowego, codziennie jeste pod napiciem i stawiasz czoa wyzwaniom. Maria Fitzgerald, Profesor London University. Urokiem bya i jest perspektywa poznania, miego zaskoczenia odkryciem, i wynikajce z nich niewielkie, skokowe powikszenia obszaru naszej wiedzy. Richard Ribchester, neurofizjolog z University of Edinburgh
Od czasw szkolnych byem zdecydowany na karier w medycynie i staraem si na uniwersytet w Edynburgu ze wzgldu jego dobr reputacj. Na trzecim roku miaem okazj zapisa si na wtrcony kurs magisterski i wybraem neurobiologi. Rok ten da mi okazj studiowania w zakresie bada podstawowych, a nie tylko samej medycyny. Studia te day mi wiele wiedzy i radochy.
54
Badania neurobiologiczne
Moliwoci badawcze w neurobiologii s olbrzymie. Rozcigaj si one od obrazowania mzgu i bada behawioralnych po neurofizjologi i badania z zakresu genetyki molekularnej. Badacze uniwersyteccy zawsze gorco zachcaj chtnych studentw do znajdowania odpowiadajcych im cieek kariery akademickiej.
Przemys komputerowy
Neurobiologia moe nie wpa ci do gowy jako przedmiot studiw uniwersyteckich jeeli interesuje Ci kariera komputerowca lub informatyka. Tym niemniej, jak pokazalimy w tej ksieczce, ronie zainteresowanie stylem mzgowym informatyki, a zainteresowanie to bdzie roso wraz z rozwojem Internetu. Wzrasta zainteresowanie niemedycznymi zastosowaniami naszej wiedzy o dziaaniu mzgu.
Nauczanie w szkole
Neurobiologia nie jest przedmiotem w szkoach. Jednak ukoczenie studiw magisterskich lub doktorskich z tego zakresu pozwoli ci dobrze naucza biologii, a na dodatek da ci wiele innych umiejtnoci, wczajc w to sprawnoci matematyczne, ktre s bardzo pomocne w karierze pedagogicznej.
Nauka i media
Od dziennikarstwa po radio i telewizj kariera w mediach to staa rywalizacja i wyrzeczenia. Istnieje jednak wiele okazji, aby wkroczy na pole upowszechniania nauki. Nauka nieustannie posuwa si naprzd i trzeba relacjonowa nowe odkrycia, zarwno w celach edukacji jak i interesu publicznego. Postp w badaniach nad mzgiem nie jest wyjtkiem. Budzi on ogromne zainteresowanie spoeczne, dobrze rozpoznane przez media a najnowsze odkrycia mog mie znaczny wpyw na spoeczestwo. Dobre podstawy naukowe i zrozumienie istoty bada, zdobyte w czasie uzyskiwania stopni naukowych, bardzo uatwiaj upowszechnianie skomplikowanych odkry w sposb wierny i skuteczny zarwno dla uczonych i laikw.
Nauka i sztuka
Nauka i sztuka nie wykluczaj si nawzajem. Projekty przykuwajce wyobrani s niezbdne dla przedstawienia nauki szerokiemu ogowi. Muzea, galerie, media i inne organizacje zachcaj i finansuj twrcz, eksperymentujc wspprac midzy naukowcami a artystami
55
Podzikowania
Jestemy wdziczni wielu osobom, ktre dostarczyy tekst i ryciny zawarte w tej ksieczce. Mamy nadziej, e lista poniej obejmuje wszystkie te osoby i przepraszamy kadego, kto uczestniczy w projekcie, a zosta pominity. Ilustracje: Maddelena Miele i Robert Filipkowski. Ilustracje na okadce: Peter Brophy, Beverley Clark, Michael Hausser, David Linden, Richard Ribchester; wewntrz okadki: Peter Somogyi, Elaine Snell, Lisa Cokayne-Naylor. Rozdz. 1: Marina Bentivoglio, Nobel Forum. Rozdz. 2: Tobias Bonhoeffer, Peter Brophy, Eric Kandel, Nobel Forum. Rozdz. 3: Marianne Fillenz, Rozdz. 4: Leslie Iversen. Rozdz. 5: Susan Fleetwood-Walker, Han Jiesheng, Donald Price. Rozdz. 6: Colin Blakemore, Andy Doherty, Bill Newsome, Andrew Parker. Rozdz. 7: Beverley Clark, Tom Gillingwater, Michael Hausser, Chris Miall, Richard Ribchester, Wolfram Schultz. Rozdz. 8: Andrew Lumsden. Rozdz. 9: John Stein. Rozdz. 10: Graham Collingridge, Andrew Doherty; Kathy Sykes. Rozdz. 11: Ted Berger, Livia de Hoz, Graham Hitch, Eleanor Maguire, Andrew Doherty, Leslie Ungerleider, Fareneh Vargha-Khadem. Rozdz. 12: Jonathan Seckl. Rozdz. 13: Nancy Rothwell. Rozdz. 14: Anthony Harmar. Rozdz. 15: Mark Bastin, Richard Frackowiak, Nikos Logothetis, Eleanor Maguire, Lindsay Murray, Elisabeth Rounis, Semir Zeki. Rozdz. 16: Rodney Douglas, Gerry Edelman, Jeff Krichmar, Kevan Martin. Rozdz. 17: Malcolm Macleod, Eve Johnstone, Walter Muir, David Porteous, Ian Reid. Rozdz. 18: Colin Blakemore, Kenneth Boyd, Stephen Rose, William Saffire. Rozdz. 19: Yvonne Allen (BNA), Victoria Gill. Ilustracje wewntrz tylnej okadki: Eric Kandel (do cytatu), Richard Morris. Tylna okadka: Jennifer Altman, David Concar; Spike Gerrell. Koordynator przekadw: Dr Duncan Banks (d.banks@open.ac.uk), The Open University, UK (BNA website manager). Podzikowania do wydania polskiego Pragniemy podzikowa wszystkim, ktrzy tumaczyli lub adaptowali tekst angielskiego oryginau na potrzeby polskiej wersji. Szczeglne podzikowania nale si prof. Barbarze Przewockiej, ktra dodatkowo czuwaa nad prac edytorsk i ostatecznym ksztatem ksieczki. Prof. Magorzata Kossut i prof. Ryszard Przewocki kolejno wspierali projekt organizacyjnie. Poszczeglne rozdziay przetumaczyli i opracowali wybitni naukowcy, specjalici z danych dziedzin: Grzegorz Hess, Katarzyna Jednorg, Wadysaw Laso, Jerzy azarewicz, Katarzyna ukasiuk, Matylda Macias, Artur Marchewka, Ksenia Meyza, Aleksander Michalski, Irena Nalepa, Dorota Nowicka, Seweryn Olkowicz, Elbieta Pyza, Iwona Szatkowska, Waldemar Turski, Joanna UrbanCieko, Jerzy Vetulani, Wioletta Waleszczyk i Marek Wypych. ywic nadziej, e powysza lista jest pena, przepraszamy kadego, kto zosta pominity. Graficzne opracowanie polskiej wersji rycin jest zasug Mikoaja Przewockiego. Skad tekstu Elbieta Dziedzicka, koordynacja projektu Lidia Radwan.
Polecane lektury
Jest wiele fascynujcych lektur na temat mzgu, a take o synnych ludziach nauki. Na pocztek polecamy nastpujce: Oliver Sacks, Mczyzna, ktry pomyli swoj on z kapeluszem Wyd. Zysk i S-ka przekad Barbara Lindenberg ISBN: 83-7150-234-6. Zajmujco i z poczuciem humoru opisany wpyw uszkodze mzgu na umys.
Jean-Dominique Bauby, Skafander i motyl Wyd. sowo/obraz/terytoria, 1997 przekad Krzysztof Rutkowski ISBN: 83-87316-30-X. Osobisty, poruszajcy opis ycia po wylewie krwi do mzgu.
Richard P. Feynman, Pan raczy artowa, Panie Feynman! Wyd. Znak, 2007 przekad Tomasz Biero ISBN 83-7006-459-0. Amerykaski fizyk noblista, twrca elektromechaniki kwantowej, opowiada nie tylko o swoim odkrywaniu tajemnic materii. Relacjonuje rwnie, jak reformowa brazylijskie szkolnictwo, gra na perkusji, otwiera zamki szyfrowe, walczy z biurokracj rzdow i robi karier artystyczn.
56
Trzeba wiedzie, e z mzgu samego pyn nasze przyjemnoci, rado, miech, wesoo, a take nasze smutki, bl, ao i zy....
Wsparcie finansowe
Projekt ten zosta dofinansowany przez British Neuroscience Association, Neurology & GI Centre of Excellence for Drug Discovery, GlaxoSmithKline i Centre for Neuroscience Uniwersytetu w Edynburgu. Autorzy s wdziczni za hojne wsparcie
An introduction to IBRO and the CDROM Neuroscience: Science of the Brain IBRO: Who we are and what do we do? IBRO, The International Brain Research Organization, is an international network of neuroscience organizations that promotes and supports neuroscience training and research around the world. Our members have a common interest in the brain. Some are academic or industrial research scientists who are attempting to learn how the brain works. They also study the changes that occur when the brain goes wrong in the hope of discovering new cures and treatments. Other members are doctors and clinical practitioners who treat patients who suffer from psychiatric illnesses and brain disorders. Many of us are teachers and students. IBRO is active all around the world. Our members are divided into six regional groups. Our primary purpose is to support young people who wish to enter careers in brain research or become clinicians treating psychiatric disorders. The six world regions are: Africa Regional Committee (ARC) Asia-Pacific Regional Committee (APRC) Central and Eastern Europe Regional Committee (CEERC) Latin America Regional Committee (LARC) US/Canada Regional Committee (NARC) Western Europe Regional Committee (WERC)
Throughout the world IBRO runs Workshops and Schools, teaching young scientists about the brain (neuroscience) and giving them the opportunity to learn practical skills for research. We provide Studentships and Postdoctoral Fellowships so that aspiring neuroscientists from developing countries can travel and work in the worlds most prestigious laboratories. We help young people who have been tutored by world-renowned neuroscientists to return to their home countries and set up laboratories where they will study the brain disorders that are important to them and their own communities. We help these Returning Scientists to develop their careers in their own countries by giving them access to our equipment exchange program (IBRO-Equip) and knowledge database, IBRO-Edu. We also help young people travel to international conferences where they can present their own research findings for discussion and learn about the most recent advances in their field. The members of IBRO hope that these activities will encourage brilliant young people from all over the world to fulfil their potential as neuroscientists. This is a very important aspiration. The human brain is a fundamental part of our body as the nervous system controls everything that we perceive, think and do. Without a healthy brain, an individual cannot access reliable information about the world, and make appropriate physical and emotional responses. The brain remains one of the least understood parts of our body, yet illnesses relating to the brain affect almost every family. At least one in every four people will suffer a short- or long-term brain disorder at some point in their lives. Brain disorders affect the way we interact with each other and the manner in which our communities and families work. Often there is a progressive deterioration in mental faculties that eventually results in a need for long-term care and prevents the sufferer from making a social or economic contribution to their families. Our limited understanding of the brain means that many brain disorders are presently untreatable and often sufferers are stigmatized. Public Education about the Brain can assist individuals, their families and communities to cope with brain disorders and access help. By working with schoolchildren, we hope to inspire a few young people to become the future brain scientists we so badly need. The CDROM Neuroscience: Science of the Brain is part of IBROs public education effort. It contains a booklet consisting of short articles about aspects of the brain. The British Neuroscience
Association (BNA) and European Dana Alliance for the Brain (EDAB) originally commissioned the booklet and the articles are written by leading neuroscientists. IBRO has commissioned the translation of this booklet into over 20 languages. We want to enable you to promote better public understanding of the brain. You are welcome to download these files, print and distribute the material in part or in its entirety to be used as part of any Brain Awareness event. You may also make copies of this CDROM. You may not use this material for personal gain. The project to translate material for the purpose of public education was initiated in 2005. As a pilot exercise, the booklet was translated into Mandarin and Spanish. Volunteer translators for the remaining versions were recruited to the project in 2006. The project has been managed and organized by K. Esther Binns, Chair of IBROs Public Education Committee). Esther would like to express her personal thanks to Duncan Banks of the BNA and Open University, UK for his considerable help and advice. Without Duncan these translations would not have been produced.
Africa Regional Committee (ARC) The ARC is made up of neuroscientists and clinicians who work in Africa. Some of our members also work in Europe and America but are of African origin and hold this world region in very high regard. Africa is IBROs poorest region. Many citizens still do not receive any formal education, let alone have the opportunity to attend a university and learn about the brain. Yet there are many extremely talented young people in Africa. There are also several universities with good reputations in medical science and biology. When young Africans are given the opportunity to learn, they exploit this potential to the full. These students are best placed to advance neuroscience in this region by studying the brain disorders that affect people on this continent. In the 1970s, IBRO set out to develop neuroscience research and training in Africa. A series of workshops helped to identify the problems and chart a course of development. This initiative now continues under ARC. One of our major achievements has been the formation of the Society of Neuroscientists of Africa (SONA), which has organized an international neuroscience meeting biennially since 1993. The meetings have been held all over Africa: Nairobi, Kenya; Marrakech, Morocco; Cape Town, South Africa, Dakar, Senegal, and Abuja, Nigeria. The meeting provides a forum for African neuroscientists who rarely have the opportunity to attend international neuroscience conferences to present their work as well as interact with neuroscientists from outside Africa. Since 2001, ARC has organized IBRO African Neuroscience Schools providing teaching and research training in neuroscience to junior faculty and graduate students. This programme has been highly successful. So far 14 schools have been held and nearly 250 students have participated. Students have gone on to obtain PhD in neuroscience in the USA, Canada and Sweden, as well as to visit laboratories in Italy, Australia and the UK. ARC also supports regional neuroscience meetings in Africa promoting the formation of regional neuroscience societies. To date there are six African neuroscience societies represented on the IBRO Governing Council (Moroccan Association of Neuroscience, Kenya Society for Neuroscience, Association pour la Promotion des Neurosciences (DR Congo), Southern African Neuroscience Society, Nigerian Society for Neuroscience, Society of Neuroscientists of Africa). In addition, a number of African neuroscientists are represented on IBRO committees. ARC also provides travel support for African neuroscientists to present their work at international conferences. Through the initiative of Marina Bentivoglio, there is also the Levi-Montalcini Fellowship, which provides support for African women to pursue higher degrees in Africa or outside. Through the support of the US/Canada Regional Committee, African students have also attended summer courses at the Marine Biology Laboratory, Woods Hole and Cold Spring Harbor Laboratory. Raj Kalaria is Chair of the African Regional Committee. The booklet on this CDROM has been translated into Arabic, Farsi, French and Swahili at the request of some of our African members. Asia-Pacific Regional Committee (APRC) This Committee covers the most diverse region of IBRO, both geographically and culturally. Member societies cover a vast area, from Japan to Australia and New Zealand and from Jordan to the Philippines. It includes members from wealthy nations with substantial neuroscience research communities such as Japan and Australia, emerging economies such as China and India, much smaller communities such as Iran, Malaysia, Singapore, Thailand and United Arab Emirates, as well as poorer countries where the only chance to study neuroscience is in another, wealthier country.
Many languages are used in teaching in this region. This CDROM has translations of the teaching booklet in Arabic, Bengali, Farsi, Hindi, Japanese, Mandarin and Punjabi. IBRO trains students from the region in the latest neuroscience knowledge and techniques through its schools in Hong Kong, India and Thailand and associate schools in China, India, Thailand, Iran, and Singapore. Two more were held in Karachi (mid-November 2006) and Dubai (mid-December 2006). Local support provides matching funds for the schools programme, e.g the International Society for Neurochemistry co-sponsored a school in Singapore. There are more than 400 alumni from the educational programmes organized by APRC. IBRO offers Exchange Fellowships to young neuroscientists to carry out research for six months in a host laboratory within the APRC region. Offers are made only to applicants who can provide strong justification that he/she would return to their home country after the exchange. IBRO supports travel awards for young people to attend courses in other countries, to present papers in conferences, as well as to participate in the congresses held by the Federation of Asian and Oceanian Neuroscience Societies (FAONS) every four years. The 4th FAONS Congress was held in Hong Kong, China, November 30December 2, 2006 and included a mini-symposium for IBRO alumni. New discoveries about the brain from laboratories in the Asia-Pacific region and the rest of the world will take centre-stage at IBRO's 7th World Congress of Neuroscience in Melbourne, Australia in July 2007. World-class brain research in the Asia-Pacific Region is done in the larger universities (such as in Tokyo, Osaka, Fukuoka, Beijing, Shanghai, Hong Kong, Seoul, Melbourne, Canberra and Sydney), as well as in Research Centres dedicated to neuroscience such as the RIKEN Brain Research Institute in Wako, Japan, the Institute of Neuroscience in Shanghai, the Institute of Biophysics in Beijing, the National Brain Research Centre near Delhi, the National Institute of Mental Health and Neurological Sciences in Bangalore, the Prince of Wales Medical Research Institute in Sydney, the Howard Florey Institute in Melbourne, and the new National Neuroscience Institute in Singapore. Ying Shing Chan from Hong Kong has been the Chair of the Asia-Pacific Regional Committee since 2002. Elspeth McLachlan (Sydney) was the Founding Chair when the Committee was established in 1999. Central and Eastern Europe Regional Committee (CEERC) Historically, the CEERC supports brain researchers from all former socialist Eastern European countries and now independent countries that were part of the USSR. Thus, besides Central European countries and Russia, which extends to the Pacific Ocean, the CEERC supports Armenia, Georgia, Azerbaidjan, and Northern Asian countries, too (Kazakhstan, Uzbekistan, Turkmenia, Tadjikistan, Kirgizia). At the end of the twentieth century great political change occurred throughout our region. Many Central European countries have now joined the European Union and there has been a revolution in the politics of education, student mobility and science research. In many ways there is now little difference between Western and Eastern European countries in respect of brain research development and achievements. In recognition of the changes that have occurred, IBRO has recently brought together the neuroscience schools programmes of Western and Eastern Europe to create PENS (Programme of European Neuroscience Schools). The CEERC meets each year to discuss strategic issues and applications... In 2006 we awarded 19 stipends to representatives of 12 countries of the region to attend the FENS Forum. Research awards within the region were given to R. Averkin (Ukraine) for work in Russia (Moscow) in 2006, and to M. Balcerzyk (Poland) for a short-term visit to Ukraine (Kiev). A new CEERC initiative, IBRO Lecturers Visits to the Region resulted in one award (up to 1,500Euros) for the visit of Prof. H. Atwood (Canada) to Kazan (Russia). Eight conferences are supported in 2006. Thus IBRO is helping to train young Eastern Europeans to pioneer brain research in their home countries. Academics who have received training and support from IBRO include Natalia Lozovava (Ukraine), who is currently working on the effects of cannabis-like chemicals on the brain at the Center for Neurogenomics and Cognitive Research, Vrije Universiteit Amsterdam, Netherlands.
Pavel Balaban is Chair of the Central and Eastern European Regional Committee. There has been great interest in this translation project throughout Eastern Europe and we have been able to make the following translations: Armenian, Croatian, Greek, Polish, Romanian, Russian, Ukrainian. The translations into Farsi and Arabic may also be useful. Latin American Regional Committee (LARC) The LARC is active throughout Central America, the Caribbean and South America. It is made up of 14 neuroscience societies within the region. The most northerly is Mexico and the most southerly is Chilli. Many people in this region speak either Portuguese or Spanish and this booklet is available in both languages. The French version may be useful in some Caribbean areas. The IBRO schools have helped to train many of the regions brightest young scientists. During 2006 alone there were five schools located in Argentina, Brazil, Chilli and Venezuela. A strong partnership between LARC and the Spanish Society for Neuroscience has resulted in a regular European School for Latin American students in Seville, Spain. We are active in supporting the continued education and careers of the IBRO School Alumni through a range of travel and research fellowships. For example, Lucia Francini, Institute for Genetic Engineering and Molecular Biology (INGEBI), Buenos Aires, Argentina, is spending a year in Dr Bruce Lahns laboratory, in the Department of Human Genetics, University of Chicago, Chicago, IL, USA. Her research relates to determining the genes associated with cognitive skills such as language and learning and the genetic deficits that can lead to problems such as schizophrenia, dyslexia, autism and attention deficit/hyperactivity disorder (ADHD). We hope that after this period of training Lucia and others will return to work in their home countries. Help to return home after training is made possible by the Return Home Programme, which has recently announced the award of fellowships to two young neuroscientists in the region. So after respective training periods in Italy and Canada, Elaine Gavioli, Universidade do Extremo Sul Catarinense, Criciuma, Brazil and Valeria Della-Maggiore, Dept. of Physiology of the School of Medicine, Universidad de Buenos Aires, Argentina, will return to work in their home countries. Marta Hallak is Chair of the Latin American Regional Committee. US/Canada Regional Committee (IAC-USNC/IBRO) and the& Western European Regional Committee (WERC) The Largest and most active communities of brain research are based in either North America or Western Europe where they are well supported by the American Society for Neuroscience (SfN) and the Federation of European Neuroscience Societies (FENS), IBRO works closely with these organizations but reserves much of its resources for the four regions where neuroscience is less well supported. The US/Canada RC and WERC organize schools that bring students from around the world to the premier research departments and locations so that they can experience first-rate research with the worlds leading brain researchers. We support studentships and fellowships for foreign students in North American and Western European laboratories and provide travel fellowships so that students can travel to the worlds most prestigious Brain Science conferences. Biology is widely taught in schools in these areas and neuroscience degrees are available in many universities. The booklet on this CDROM is useful for public education and high-school students (1418 years) and is available in English and several other European languages (Portuguese, Spanish, French and Greek). Both North America and Western Europe have diverse multicultural populations in which some members of the community use the language of their country of origin rather than the first language of their nation. These individuals can be educationally disadvantaged in schools and communities where science is not taught in their first language. The non-European language translations of this booklet may be of great use for such groups. The full list of languages available can be found at the end of this document.
Workshops and schools Each of the IBRO regions organises schools and workshops so that the regions most promising students can be given training on particular areas of brain research and practical techniques. Together the regional committees run around 20 schools each year. The IBRO schools board supports and links these schools by offering advice on the organisation of individual schools and teaching programmes: Arranging for teaching materials to be shared and disseminated amongst the schools. Working in partnership with other national and international organisations providing similar teaching and learning opportunities. Our aims are to strengthen and expand the programme by attracting sponsors and new partnerships, help to publicize and explain the Programme to the membership and public. All the attendees at IBRO schools are eligible to become IBRO School Alumini and thereby benefit from the mutual support of other students and tutors throughout their future careers in brain research. IBRO is committed to promoting the best practice in all areas of brain research and thus in addition to the above schools we run workshops devoted to the use and role of animals in research. The Visiting Lecture team IBRO is working to bring the best academic teaching on neuroscience to students all over the world. Our Visiting Lecture Team is composed of five internationally recognised researchers who are able to offer an experiment based lecture course in basic neuroscience at host institutions in developing countries. The course normally covers; mechanisms of impulse conduction and synaptic transmission; structure, function and pharmacology of membrane receptors and channels; information processing in sensory systems; regulation of behavioural patterns; and neurodevelopment. Teaching is given in 35 lecturers over nine days. Since 1994 the VLTP has given 31 courses in 20 countries. These are amazing opportunities, as students form developing countries can rarely expect to be taught by world leaders in their field. Fellowships Students that have attended the courses run by the visiting lecture team or attended IBRO schools may decide to begin a career in brain research. IBRO wants to foster the careers of the most promising young neuroscientists from diverse geographical and scientific areas. We focus our support on the less well-developed countries where funding for research is very limited. Fellowships are offered so that young scientists can broaden the scope of their training in neuroscience by working abroad in good laboratories, or participating at international neuroscience meetings. Return home programme Students who have benefited from the best teaching opportunities through our VLT, Schools and Fellowships have the potential can become excellent neuroscientists. So it will not surprise you to know that they are sought after by academic and industrial institutions all over the world and often tempted to leave their home countries and take jobs in Western Europe and America. IBRO believes that this practice weakens the academic community in developing countries, so we try to encourage our students to make their careers in their country of origin. The return home programme provides grants, fellowships and travel assistance to support the careers of students who return to their countries of origin.
Oliver Mazodze an alumnus of IBROs African schools in Kenya and South Africa travelled to the UK to spend 6 weeks as a visiting scientist in the neurophysiology laboratory at GlaxoSmithKline"s Harlow research facility. Oliver is tenured member of the Dept. of Biological Sciences at Bindura University of Science Education in Zimbabwe. Whist in the UK he has learned in vitro electrophysiological techniques for the study of neuronal activity. He intends to use these techniques to begin researching the potential neurophysiologic effects of extracts derived from a widely used African medicinal plant. The training at GSK was under the guidance of Dr Jon Spencer and Professor Andy Randall, two scientists he first met in their capacity as tutors at the IBRO African School held in November 2004 in Nairobi.
Oliver Mazodze (left) with Andy Randall (right)
Wael Mohamed Yousef attended IBRO schools in Mali and Kenya and now works as an assistant lecturer of neuropharmacology at the Faculty of Medicine, University of Menoufiya, Egypt. Weal was awarded a scholarship from the Egyptian Government to study fro a PhD in neuropharmacology with Professor Byron C. Jones, Biobehavioral Health and Pharmacology, at Penn State University, USA. During his 5 years in the USA Weal will learn advanced techniques in the neuroscience and work on the development of new drugs needed for many patients suffering from neurological diseases. Afterwards he hopes to return and work in Egypt.
Bin Liu from a small island in the Shandong Province of China is one of just three people who have obtained a doctoral degree from this region. She obtained her PhD in Physiology from Qingdao University in China in 2004 and has since become an Assistant Professor at the Center for New Drugs Evaluation, School of Pharmacy in Shandong University. In 2005 she won an IBRO Research Fellowship to work in the Department of Anatomy at Northeastern Ohio Universities College of Medicine. Her studies in the USA focused on observing the effects of gonadal steroid hormones against neurotoxins, which target the nigrostriatal dopaminergic system of rodents. This fellowship has meant that Bin has received training in an excellent laboratory and is now well placed to contribute to neuroscience research in China.
Bin Liu
Dimiter Prodanov from Bulgaria attended an IBRO VLTP course in 1998, in Sofia, Bulgaria. He has recently been awarded the John G. Nicholls Fellowship for 2006. He will spend a year Dr Jean Delbeke of the Department of Physiology & Pharmacology, the Neural Rehabilitation Engineering Laboratory at the Catholic University of Louvain, Brussels, Belgium. The John G. Nicholls IBRO Fellowship was created in honour of John G. Nicholls who headed IBROs Visiting Lecture Team Programme (VLTP) from 1994 to 2002. The Fellowship aims to assist annually one promising Dimiter Prodanov young researcher who wishes to further his/her training in neuroscience at a distinguished foreign laboratory for one year. The successful candidate is expected to return to his/her home country after the training, bringing new knowledge and skills in the neurosciences.
Given the impact that brain disorders can have on individuals, families and their communities and the high global prevalence of these illnesses, we believe that each person needs some understanding of the brain and how this part of our bodies can be kept healthy. So, together with other international organisations that support brain research we are working to improve the publics general understanding of the central nervous system. The Brain Campaign is an initiative by many like organisation to encourage those involved in research to engage with public and share their knowledge and findings worldwide. While many of the organisations involved have focussed their effort on their own world region, IBRO is committed to public education in neuroscience in the developing world. We actively and financially support activities and events being organised by academics in developing countries and taking place in the most remote locations. We want all people in all corners of the globe to have access to public education about the brain. We want all governments and health programmes to take the brain and psychiatric illness seriously. Since 2003 IBRO has supported this aspiration by helping to finance around 25 public education events in approximately 15 countries. A wide variety of events have received support. Some activities have taken place in schools in remote villages while others attract a massive audience by occurring at agricultural shows or in train stations. Sometimes the event covers many aspects of brain function and disease but at other times the focus is on a single disease or problem (eg Drugs, head injury and epilepsy) that is relevant to the local community. Many of the events that we have supported in the past have taken place during a single week in March. This week is designated Brain Awareness Week. The organisations supporting Brain Awareness Week, which include IBRO, want this to be a global celebration of the brain where those involved in research explain the latest advances in understanding brain function and treating brain disorders to people all over the world. During Brain Awareness Week 2006 there were several hundred events in over 62 countries. Brain education events including those that are part of Brain Awareness Week are attempting to spread knowledge of the brain to a wide audience that speaks in many languages. It is often helpful to back up an event with some literature. Unfortunately, suitable written material is often unavailable in local languages. IBRO has recognised this problem and is seeking to address the issue by providing Multilingual teaching materials. The booklet on this CDROM is available in the following languages: Arabic, Armenian, Bengali, Croation, English, Farsi, French, Greek, Hindi, Japanese, Mandarin, Polish, Portuguese, Punjabi, Romanian, Russian, Serbian, Spanish, Swahili, and Ukrainian. We hope that some of these translations will be useful in your work to promote better public understanding of the brain. If you would like to access these materials in other languages or are willing to make translations for us in another language we would be delighted to make contact with you.
Neuroscience: Science of the Brain. The original English Language version of this booklet was prepared and edited on behalf of The British Neuroscience Association and the European Dana Alliance for the Brain by Richard Morris (University of Edinburgh) and Marianne Fillenz (University of Oxford). You are reading one of the translations of the booklet that were commissioned by the public education committee of the International Brain Research Organisation. These translations have been made by members of IBRO as part of their global effort to improve public understanding of the Brain. IBRO is grateful to all the volunteers who have made these translations possible. See list The graphic design of the original booklet was by Jane Grainger (Grainger Dunsmore Design Studio, Edinburgh). We are grateful for contributions from our colleagues in the Division of Neuroscience, particularly Victoria Gill, and others in the neuroscience community in Edinburgh. We also thank members of the University Department of Physiology in Oxford, particularly Colin Blakemore, and helpful colleagues in other institutions. Their names are listed below. The British Neuroscience Association (BNA) is the professional body in the United Kingdom that represents neuroscientists and is dedicated towards a better understanding of the nervous system in health and disease. Its members range from established scientists holding positions in Universities and Research Institutes through to postgraduate students. The BNAs annual meetings, generally held in the spring, provide a forum for the presentation of the latest research. Numerous local groups around the country hold frequent seminars and these groups often organise activities with the general public such as school visits and exhibitions in local museums. See http://www.bna.org.uk/ for further information. The goal of The European Dana Alliance for the Brain (EDAB) is to inform the general public and decision makers about the importance of brain research. EDAB aims to advance knowledge about the personal and public benefits of neuroscience and to disseminate information on the brain, in health and disease, in an accessible and relevant way. Neurological and psychiatric disorders affect millions of people of all ages and make a severe impact on the national economy. To help overcome these problems, in 1997, 70 leading European neuroscientists signed a Declaration of Achievable Research Goals and made a commitment to increase awareness of brain disorders and of the importance of neuroscience. Since then, many others have been elected, representing 24 European countries. EDAB has more than 125 members. See http://www.edab.net/ for further information. The International Brain Research Organisation Is an independent, international organization dedicated to the promotion of neuroscience and of communication between brain researchers in all countries of the World. A present we represent the interests of about 51,000 neuroscientists in 111 countries. Since our formation in 1960 we have set up a number of active programmes to stimulate international contacts in brain research. We sponsor Symposia and Workshops and Neuroscience schools, worldwide. We offer postdoctoral fellowships and travel grants to students from less favoured countries. We also publish the Journal Neuroscience. See http://www.ibro.info/ for further information. The project to translate this booklet was initiated in 2005 by myself as chair of the IBRO Committee for Public Education. Special thanks are due to Duncan Banks of the British Neuroscience Association and Open University, Milton Keynes, UK who has made it technically possible to make so many translations and produced the CDROM.
10
11