nagroda nobla w 2014 roku za odkrycie w mózgu komórek

Transkrypt

Listy do redakcji / Letters to Editor
NAGRODA NOBLA W 2014 ROKU ZA ODKRYCIE
W MÓZGU KOMÓREK STANOWIĄCYCH SYSTEM
POZYCJONOWANIA
THE 2014 NOBEL PRIZE FOR DISCOVERY OF CELLS
THAT CONSTITUTE A POSITIONING SYSTEM
IN THE BRAIN
Michał Placek*
Politechnika Wrocławska, Wydział Podstawowych Problemów Techniki,
Katedra Inżynierii Biomedycznej, 50-370 Wrocław, Wybrzeże Wyspiańskiego 27
* e-mail: [email protected]
STRESZCZENIE
Nagrodę Nobla z fizjologii lub medycyny w roku 2014 otrzymali Brytyjczyk John O'Keefe oraz małżeństwo
Norwegów May-Britt Moser i Edvard I. Moser. Naukowcy zostali nagrodzeni tą prestiżową nagrodą za odkrycie
komórek w mózgu, które odpowiadają za orientację przestrzenną i nawigację w terenie. W artykule opisano, na
drodze jakich eksperymentów udało się odkryć biologiczny system pozycjonowania. Ponadto omówiono
działanie tego systemu, a także przytoczono fakty z życiorysów noblistów. W podsumowaniu wskazano, jakie
znaczenie mają te odkrycia dla życia codziennego i medycyny.
Słowa kluczowe: Nagroda Nobla, komórki miejsca, komórki siatki
ABSTRACT
The 2014 Nobel Prize in Physiology or Medicine was awarded to British John O'Keefe and Norwegian
married couple May-Britt Moser and Edvard I. Moser. Scientists received this prestigious award for discovery of
brain cells responsible for the sense of place and the ability to navigate. This article describes experiments which
allowed to discover biological positioning system. Furthermore, the functionality of this system is discussed and
some facts from Nobel Prize winners' biographies are reported. In conclusion it is pointed out how these
discoveries may impact medicine and people's everyday life.
Keywords: Nobel Prize, place cells, grid cells
1. Wstęp
Orientacja przestrzenna i umiejętność nawigacji mają fundamentalne znaczenie dla egzystencji ludzi
i zwierząt. Ale skąd właściwie wiemy, gdzie się znajdujemy? W jaki sposób potrafimy odnaleźć drogę
z jednego miejsca do innego? Te pytania od wieków nurtowały uczonych i filozofów. Istniały
koncepcje głoszące, że zdolności te zawdzięczamy zapisanym w naszych mózgach „mapom
Acta Bio-Optica et Informatica Medica Inżynieria Biomedyczna, vol. 21, nr 1, 2015
68
kognitywnym” (ang. cognitive maps). Nie wiedziano jednak, w jaki sposób owe mapy mogłyby być
przechowywane w mózgu [1, 2]. Odpowiedzi na te pytania poznaliśmy dzięki odkryciom Laureatów
Nagrody Nobla z medycyny A.D. 2014.
Rys. 1. Laureaci Nagrody Nobla (od lewej: John O'Keefe, May-Britt Moser, Edvard I. Moser) [2]
Rysunek 1 przedstawia laureatów Nagrody Nobla – odkrywców biologicznego systemu nawigacji.
John O'Keefe jest obecnie profesorem University College w Londynie. W dniu przyznania nagrody
miał on 74 lata. May-Britt Moser i Edvard I. Moser są profesorami Norweskiego Uniwersytetu Nauki
i Technologii w Trondheim. W dniu ogłoszenia decyzji Komitetu Noblowskiego mieli odpowiednio
51 i 52 lata.
2. Odkrycie komórek stanowiących biologiczny system pozycjonowania
2.1. Komórki miejsca
Pierwszy składnik biologicznego systemu pozycjonowania został odkryty przez Johna O'Keefa.
Wspólnie ze swoim uczniem Dostrovskym badał on aktywność neuronów w hipokampie szczurów.
Inni naukowcy już wcześniej rejestrowali sygnały z komórek nerwowych u żywych zwierząt, jednakże
zazwyczaj były to eksperymenty polegające na pobudzaniu osobników różnymi bodźcami i analizie
odpowiedzi. Nowatorskim czynnikiem w badaniach O'Keefa było wykorzystanie technologii
pozwalającej na rejestracje sygnałów z pojedynczych neuronów u zwierząt swobodne poruszających
się po ograniczonym obszarze [3]. Prowadzenie badań podczas nieskrępowanego przemieszczenia się
pozwoliło odkryć związek między aktywnością pewnych komórek nerwowych a lokalizacją
zwierzęcia. Okazało się, że niektóre neurony piramidowe w obszarze CA1 hipokampu ulegały
aktywacji (czyli częstym, krótkotrwałym i gwałtownym zmianom potencjału elektrycznego błon
komórkowych), kiedy osobnik znajdował się w określonym miejscu [4]. Z tego właśnie względu
O'Keefe nazwał te neurony komórkami miejsca (ang. place cells).
Rys. 2. Przyporządkowanie komórek miejsca do różnych fragmentów środowiska [5]
Zmieniając wielokrotnie otoczenie szczura i szukając innych przyczyn pobudliwości tych
69
neuronów, O'Keefe doszedł do wniosku, że ich aktywność nie zależy jedynie od bodźców czuciowych
(tak jak w przypadku zwykłych neuronów czuciowych), ale również w dużej mierze od lokalizacji
osobnika. Różne komórki miejsca zostają przypisane do różnych miejsc w środowisku tworząc tym
samym w mózgu wewnętrzną reprezentację tego środowiska [6, 7]. W innej przestrzeni te same
neurony, które poprzednio wskazywały na miejsce we wcześniejszym środowisku, mogą zostać
przypisane do nowego miejsca [8]. Rysunek 2 ilustruje przykładowe przyporządkowanie komórek
miejsca do obszarów w terenie, po którym porusza się szczur. Kropki oznaczają punkty w terenie,
gdzie zanotowano aktywację neuronu, a każdy kolor odpowiada innemu neuronowi. W bardziej
złożonych środowiskach jedna komórka miejsca zwykle odpowiada nie jednemu, lecz większej liczbie
różnych miejsc [9].
2.2. Komórki siatki
Inny składnik biologicznego systemu nawigacji został odnaleziony 34 lata po odkryciu komórek
miejsca. May-Britt Moser i Edvard Moser zastanawiali się, czy aktywność komórek miejsca ma swoje
źródło bezpośrednio w hipokampie, czy też pochodzi z innego obszaru mózgu. Ponieważ najwięcej
połączeń nerwowych do hipokampu wchodzi z kory śródwęchowej, właśnie w obrębie tej kory
Moserowie postanowili szukać komórek kodujących położenie w środowisku. Eksperymenty również
prowadzili na szczurach poruszających się swobodnie po ograniczonym obszarze. Udało im się
potwierdzić obecność w korze śródwęchowej komórek o cechach komórek miejsca [10].
Przełomowym odkryciem było znalezienie nowego rodzaju komórek – komórek siatki (ang. grid cells)
[11]. Komórki siatki również były aktywowane, kiedy szczur osiągał określone położenie. Najbardziej
zadziwiająca była jednak regularność przyporządkowania miejsc w terenie do komórek siatki. Miejsca
te formowały heksagonalną siatkę, co obrazuje rysunek 3. Odległości między tymi miejscami są
w przybliżeniu stałe dla konkretnego środowiska, natomiast zmieniają się dla różnych środowisk.
W bardziej rozległych przestrzeniach odległości te są większe niż w małych i nieskomplikowanych.
Takie dopasowanie pozwala komórkom siatki na utworzenie mapy o skali dostosowanej do wielkości
odwzorowywanego obszaru.
Rys. 3. Miejsca aktywacji komórek siatki formujące heksagonalną siatkę [1]
Moserowie doszli do wniosku, że komórki siatki muszą być odpowiedzialne za poczucie
odległości w terenie i biorą udział w obliczaniu przebytej drogi. Komórki miejsca odkryte przez
O'Keefa w hipokampie wprawdzie tworzą mapę środowiska, jednakże nie pozwalają bezpośrednio
obliczyć dystansu z takiej mapy, ze względu na brak regularności przyporządkowania fragmentów
środowiska poszczególnym komórkom. Dopiero komórki siatki wzbogacają zbudowaną przez
komórki miejsca mapę o miarę odległości.
2.3. Komórki kierunku głowy i komórki krawędzi
Zostały odkryte również inne rodzaje komórek, które składają się na wewnętrzny system nawigacji.
Komórki kierunku głowy (ang. head direction cells) zostały po raz pierwsze odkryte u szczurów
w roku 1985 i swoim działaniem przypominają nieco kompas [12]. Każda komórka kierunku głowy
ma przypisany charakterystyczny kierunek w płaszczyźnie poziomej i wykazuje największą
70
aktywność, kiedy głowa osobnika jest zwrócona właśnie w tym kierunku. Wraz ze wzrostem kąta
między kierunkiem wskazywanym przez głowę a kierunkiem charakterystycznym dla danej komórki,
spada aktywność tejże komórki [13]. W 2008 roku zespół, w którym również pracowali Moserowie,
zaobserwował istnienie kolejnego typu komórek – komórek krawędzi (ang. border cells) [14, 15].
Komórki tego typu ulegają aktywacji, gdy osobnik poruszając się zamkniętym środowisku napotyka
na ściany i inne przeszkody.
3. Sylwetki noblistów
3.1. Życiorys Johna O'Keefe’a
John O'Keefe urodził się 18 listopada 1939 roku w Nowym Jorku. Studia licencjackie ukończył na
City College of New York. Dalszą edukację kontynuował na Uniwersytecie McGill w Montrealu,
gdzie uzyskał tytuł magistra, a następnie doktora. W pracy doktorskiej O'Keefe badał procesy
zachodzące w ciele migdałowatym u swobodnie poruszającego się kota pobudzanego różnymi
bodźcami [16]. W 1967 roku, po obronie pracy doktorskiej, John O'Keefe przeprowadził się do
Wielkiej Brytanii i związał się z University College London, który obecnie jest częścią Uniwersytetu
Londyńskiego. Tytuł profesora O'Keefe uzyskał w 1987 roku. Nadano mu także brytyjskie
obywatelstwo [17].
Osiągnięciem, za które Komitet Noblowski zdecydował się uhonorować O'Keefe'a Nagrodą Nobla,
było odkrycie w hipokampie komórek miejsca odpowiedzialnych za orientację przestrzenną [4].
W dalszych eksperymentach naukowiec pokazał, że komórki miejsca mają funkcje pamięciowe [7, 18]
i są zdolne adaptować się do różnych otoczeń [19].
O'Keefe jest autorem 110 publikacji (stan na styczeń 2015 r.) [20]. Wśród nich jest bestselerowa
książka „The Hippocampus as a Cognitive Map” [21]. Jest także współedytorem dwóch innych
książek [22, 23]. John O'Keefe jest laureatem wielu prestiżowych nagród: Feldberg Foundation Prize
(2001), Grawemeyer Award in Psychology (2006), British Neuroscience Association Award (2007),
Gruber Prize in Neuroscience (2008), Louisa Gross Horwitz Prize (2013), Kavli Prize (2014) [24].
Ukoronowaniem jego pracy naukowej jest oczywiście Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii
i medycyny przyznana w 2014 roku.
3.2. Życiorysy państwa Moserów
May-Britt Moser (ur. 4 stycznia 1963 r.) i Edvard I. Moser (ur. 27 kwirtnia 1962 r.) są Norwegami
[25, 26]. Oboje ukończyli psychologię na Uniwersytecie w Oslo w 1990 roku, a 5 lat później obronili
doktoraty z dziedziny neurofizjologii. Wspólnie odbyli staże badawcze na Uniwersytecie w Edynburgu oraz Uniwersytecie Londyńskim, gdzie pracowali z Johnem O'Keefem. Od roku 1996 państwo
Moserowie są pracownikami Norweskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii w Trondheim. Edvard
Moser uzyskał tytuł profesora w 1998 roku, a jego żona dwa lata później. Obecnie oboje piastują
funkcje kierownicze na Kavli Institute for Systems Neuroscience należącego do Norweskiego
Uniwersytetu Nauki i Technologii [27].
Państwo Moserowie poszukiwali elementów systemu pozycjonowania w innych obszarach mózgu
poza hipokampem [28]. Udało im się potwierdzić obecność w korze śródwęchowej komórek
o cechach komórek miejsca [10]. Po bardziej wnikliwych badaniach naukowcom udało się odkryć
komórki siatki odpowiedzialne za poczucie odległości w terenie [11]. To osiągnięcie zadecydowało
o przyznaniu Nagrody Nobla małżeństwu Norwegów [1].
Państwo Moserowie należą do następujących stowarzyszeń: Royal Norwegian Society of Sciences
and Letters, Norwegian Academy of Science and Letters, Norwegian Academy of Technological
Sciences. May-Britt i Edvard Moseroswie są piątym w historii małżeństwem nagrodzonym Nagrodą
Nobla. Wcześniej zdobyli wiele innych prestiżowych nagród [25, 26]. Do tych, które otrzymali
wspólnie, należą: Prize for young scientists awarded by the Royal Norwegian Academy for Sciences
and Letters (1999), 28th annual W. Alden Spencer Award (2005), 14th Betty and David Koetser
Award for Brain Research, 10th Prix „Liliane Bettencourt pour les Sciences du Vivant” (2006), 30th
Eric K. Fernström’s Great Nordic Prize (2008), Louis-Jeantet Prize for Medicine, Anders Jahre Award
71
(2011), Perl-UNC Neuroscience Prize (2012), Louisa Gross Horwitz Prize (2013), Karl Spencer
Lashley Award, Körber European Science Prize (2014).
4. Podsumowanie
Prace noblistów pozwoliły zrozumieć, w jaki sposób mózg realizuje funkcje poznawcze i zarządza
pamięcią przestrzenną. Komórki odpowiedzialne za wewnętrzny system nawigacji zostały odkryte
uszczurów, ale ich występowanie zostało stwierdzone również u wielu innych gatunków ssaków
[29, 30]. W szczególności potwierdzono istnienie komórek miejsca i komórek siatki u ludzi [31].
Zaobserwowano również, że aktywność neuronów w hipokampie w danym momencie może
odzwierciedlać nie tylko aktualną lokalizacje w przestrzeni, ale także odnosić się do miejsc
odwiedzonych uprzednio (ang. retrospective coding), a nawet zdradzać informacje, dokąd osobnik
zamierza udać się w nadchodzącej chwili (ang. prospective coding) [32].
Hipokamp jest jedną z pierwszych struktur, które ulegają uszkodzeniu w wyniku rozwoju chorób
mózgu, takich jak choroba Alzheimera czy demencja [1]. Podczas testów na myszach z mutacją
genetyczną wywołującą chorobę Alzheimera zaobserwowano, że pogorszenie pamięci przestrzennej
koreluje z osłabieniem aktywności komórek miejsca [33]. Upośledzenie struktur odpowiedzialnych za
pamięć i orientację przestrzenną sprawia, że cierpiący na te choroby ludzie zaczynają się gubić
w dobrze znanym wcześniej otoczeniu, tracą poczucie kierunku, nie potrafią odnaleźć przedmiotów
we własnym domu. Pomimo nieustannego rozwoju medycyny, nadal brakuje skutecznych metod
zapobiegania i leczenia tych zaburzeń. Wiedza o biologicznym systemie nawigacji może przyczynić
się do poznania, a w konsekwencji do opracowania metod zatrzymania procesu osłabienia zdolności
kognitywnych dotykającego osoby cierpiące na choroby niszczące mózg [1].
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
Informacje o biologicznym systemie pozycjonowania opracowane przez Komitet Noblowski:
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2014/advanced-medicineprize2014.pdf
Ogłoszenie decyzji Komitetu Noblowskiego o przyznaniu Nagrody Nobla z fizjologii lub medycyny w roku 2014:
http://www.nobelprize.org/mediaplayer/index.php?id=2366
F. Strumwasser: Long-term recording from single neurons in brain of unrestrained mammals, Science, vol. 127, 1958,
s. 469–670.
J. O'Keefe, J. Dostrovsky: The hippocampus as a spatial map. Preliminary evidence from unit activity in the freelymoving rat, Brain Research, vol. 34, 1971, s. 171–175.
Rysunek ilustrujący przyporządkowanie komórek miejsca do różnych fragmentów środowiska:
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Place_Cell_Spiking_Activity_Example.png
J. O'Keefe: Place units in the hippocampus of the freely moving rat, Experimental Neurology, vol. 51, 1976, s. 78–109.
J. O'Keefe, D.H. Conway: Hippocampal place units in the freely moving rat: why they fire where they fire,
Experimental Brain Research, vol. 31, 1978, s. 573–590.
R.U. Muller, J.L. Kubie: The effects of changes in the environment on the spatial firing of hippocampal complex-spike
cells, The Journal of Neuroscience, vol. 7(7), 1987, s. 1951–1968.
A.A. Fenton, H.Y. Kao, S.A. Neymotin, A. Olypher, Y. Vayntrub, W. Lytton, N. Ludvig: Unmasking the CA1
ensemble place code by exposures to small and large environments: More place cells and multiple, irregularly
arranged, and expanded place fields in the larger space, Journal of Neuroscience, vol. 28(44), 2008, s. 11250–11262.
M. Fyhn, S. Molden, M.P. Witter, E.I. Moser, M.B. Moser: Spatial representation in the entorhinal cortex, Science,
vol. 305, 2004, s. 1258–1264.
T. Hafting, M. Fyhn, S. Molden, M.B. Moser, E.I. Moser: Microstructure of a spatial map in the entorhinal cortex,
Nature, vol. 436, 2005, s. 801–806.
J.B. Ranck: Head direction cells in the deep cell layer of dorsal presubiculum in freely moving rats, [w:] C.V. G.
Buzsáki, (ed.): Electrical Activity of the Archicortex, Akademiai Kiado, Budapest 1985, s. 217–220.
J.S. Taube, R.U. Muller, J.B. Ranck: Head-Direction Cells Recorded from the Postsubiculum in Freely Moving Rats. I.
Description and Quantitative Analysis, The Journal of Neuroscience, vol. 10(2), 1990, s. 420–435.
T. Solstad, C.N. Boccara, E. Kropff, M.B. Moser, E.I. Moser: Representation of geometric borders in the entorhinal
cortex, Science, vol. 322, 2008, s. 1865–1868.
F. Savelli, D. Yoganarasimha, J.J. Knierim: Influence of boundary removal on the spatial representations of the medial
enthorinal cortex, Hippocampus, 18, 2008, s. 1270–1282.
J. O'Keefe: Response properties of amygdalar units in the freely moving cat, Ph.D. thesis, McGill University, 1967.
Informacja o nadaniu O'Keefowi Neuroscience Prize: http://gruber.yale.edu/neuroscience/john-okeefe
72
[18] J. O'Keefe, A. Speakman: Single unit activity in the rat hippocampus during a spatial memory task, Experimental Brain
Research, vol. 68, 1987, s. 1–27.
[19] C. Lever, T. Wills, F. Cacucci, N. Burgess, J. O'Keefe: Long-term plasticity in hippocampal place-cell representation
of environmental geometry, Nature, vol. 416, 2002, s. 90–94.
[20] Witryna zespołu badawczego Johna O'Keefa: http://www.ucl.ac.uk/cdb/research/okeefe
[21] J. O'Keefe, L. Nadel: The Hippocampus as a Cognitive Map, Oxford Univeristy Press, 1978.
[22] N. Burgenss, K.J. Jeffery, J. O'Keefe, (eds.): The Hippocampal and Parietal Foundations of Spatial Cognition, Oxford
University Press, Oxford 1998.
[23] P. Andersen, R. Morris, D. Amaral, T. Bliss, J. O'Keefe: The Hippocampus Book, Oxford University Press, 2007, New
York.
[24] Informacje o Johnie O'Keefie z Wikipedii: http://en.wikipedia.org/wiki/John_O%27Keefe_(neuroscientist)
[25] Informacje o M.B. Moser z Wikipedii: http://en.wikipedia.org/wiki/May-Britt_Moser
[26] Informacje o E.I. Moser z Wikipedii: http://en.wikipedia.org/wiki/Edvard_Moser
[27] Witryna zespołu badawczego państwa Moserów: http://www.ntnu.edu/kavli/research/moser
[28] V.H. Brun, M.K. Otnass, S. Molden, H.A. Steffenach, M.P. Witter, M.B. Moser, E.I. Moser: Place cells and place
recognition maintained by direct entorhinal-hippocampal circuitry, Science, vol. 296, 2002, s 2243–2246.
[29] N.J. Killian, M.J. Jutras, E.A. Buffalo: A map of visual space in the primate entorhinal cortex, Nature, vol. 491, 2012,
s. 761–764.
[30] M.M. Yartsev, N. Ulanovsky: Representation of three-dimensional space in the hippocampus of flying bats, Science,
vol. 340, 2013, s. 367–372.
[31] J. Jacobs, C.T. Weidemann, J.F. Miller, A. Solway, J.F. Burke, X.X. Wei, N. Suthana, M.R. Sperling, A.D. Sharan,
I. Fried, M.J. Kahana: Direct recordings of grid-like neuronal activity in human spatial navigation, Nature
Neuroscience, vol. 6, 2013, s. 1188–1190.
[32] J. Ferbinteanu, M.L. Shapiro: Prospective and retrospective memory coding in the hippocampus, Neuron, vol. 40,
2003, s. 1227–1239.
[33] F. Cacucci, M. Yi, T.J. Wills, P. Chapman, J. O´Keefe: Place cell firing correlates with memory deficits and amyloid
plaque burden in Tg2576 Alzheimer mouse model, PNAS, vol. 105, 2008, s. 7863–7868.
otrzymano / submitted: 09.02.2015
zaakceptowano / accepted: 20.03.2015
73

nagroda nobla w 2014 roku za odkrycie w mózgu komórek

Transkrypt

Podobne dokumenty

Prof. dr hab. inż. Zbigniew Moser - Instytut Metalurgii i Inżynierii

wódka smirnoff black whisky johnnie walker red