Nowa biologia

[WYKŁAD popularnonaukowy]

By móc w pełni podziwiać zmiany w naukach biologicznych mające miejsce tu i teraz, niezbędne wydaje się zrozumienie niektórych zasad logiki.

Kamil Aftyka

I
Jeśli naukowcy pragną dowiedzieć się, jakie części ludzkiego mózgu są zaangażowane w procesy tak różne jak przywoływanie wspomnień, odbiór dźwięków albo rozwój choroby Parkinsona, bardzo często korzystają z pomocy funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI). Z zewnątrz urządzenie to wygląda jak jedno z tych, w których lekarze z różnych seriali medycznych skanują swoich pacjentów w poszukiwaniu guzów bądź innych anomalii. Różnica między fMRI a wieloma innymi technikami obrazowania mózgu polega jednak na tym, że ta pierwsza metoda pozwala zobaczyć, które części mózgu wymagają dostarczenia większych ilości tlenu na różnych etapach badania. To z kolei umożliwia określenie aktywności danych obszarów – wedle założenia, że im więcej tlenu zużywają komórki, tym bardziej są czynne. Dzięki temu można obserwować, które części działają najintensywniej, gdy ochotnikowi przebywającemu w rezonansie każe się przypomnieć sobie datę wygranego przez Polaków powstania albo wysłuchać jakiejś melodii.

Spośród różnorakich problemów metodologicznych związanych z fMRI wyłania się jeden najpoważniejszy. To, że dane rejony mózgu są aktywne podczas wykonywania określonej czynności wcale nie musi oznaczać, że są one odpowiedzialne za badany proces poznawczy. Jeśli pacjent podczas słuchania muzyki pomyśli o niezrobionej pracy domowej, po przeanalizowaniu wyników może się okazać, że rejony mózgu odpowiedzialne za przywoływanie nieprzyjemnych wspomnień są również odpowiedzialne za percepcję słuchową. Zazwyczaj rozwiązaniem tego problemu byłoby przeprowadzenie badań na dużej grupie ludzi, co umożliwiłoby odsianie wyników statystycznie nieistotnych. Niestety w większości tego typu eksperymentów bierze udział garstka osób, a w badaniach z liczniejszą grupą osób czasem wyniki fMRI są w stanie pokazać, że podczas wykonywania konkretnego zadania uaktywnia się praktycznie każdy rejon mózgu. Tu pojawia się wniosek dość intuicyjny: to, że między dwoma zdarzeniami (tutaj: aktywnością fragmentu mózgu i danym procesem poznawczym czy zachowaniem) zachodzi korelacja nie oznacza, że jedno zdarzenie wywołuje drugie lub na odwrót.

Znaczenie tego stwierdzenia jest jednak dużo poważniejsze niż może się wydawać na pierwszy rzut oka. Jeżeli spróbuję zwalczyć u siebie grypę, korzystając z leku homeopatycznego albo antybiotyku i po kilku dniach od stosowania któregokolwiek ze środków zauważę poprawę (i do tego dzieje się tak przy każdej mojej infekcji), mogę dojść do wniosku, że to tym substancjom zawdzięczam uzdrowienie. A tak naprawdę wyzdrowiałbym po kilku dniach bez żadnej medycznej interwencji, bo to mój układ odpornościowy pokonał infekcję samodzielnie. Wszystko to mogę powiedzieć znając przeprowadzane wcześniej badania kliniczne sprawdzające skuteczność obu terapii w leczeniu grypy. Dzięki temu, że w takich testach części osób (grupie kontrolnej) podaje się placebo, czyli środek bez substancji czynnej, można określić, czy lek podawany reszcie badanych wywołuje istotne zmiany w organizmie, czy też jego podawanie jest jedynie skorelowane z procesem zdrowienia. Tak naprawdę wykluczanie nieistotnych korelacji jest fundamentalnym powodem, dla którego wprowadza się we wszystkich naukach eksperymentalnych grupy kontrolne.

To dlatego nieumiejętność kontroli zmiennych podczas badań funkcjonalnym rezonansem magnetycznym powoduje, że fMRI może wykazać tylko korelację między aktywnością danych partii mózgu a zachowaniem czy powstawaniem myśli, ale niekoniecznie już związek przyczynowo-skutkowy między tymi dwoma zdarzeniami.

II
Craig Venter przyczynił się w istotny sposób do pomyślnego zakończenia sekwencjonowania ludzkiego genomu (przedsięwzięcie to jest powszechnie znane jako Human Genome Project), ale założony przez niego instytut badawczy podejmuje się realizacji jeszcze śmielszych pomysłów. Kilka tygodni temu świat obiegła informacja, że stworzony przez zespół Ventera całkowicie nowy gatunek bakterii z rodzaju Mycoplasma zawiera najmniejszy możliwy genom. Oznacza to, że jeśli spróbowano by usunąć jakikolwiek spośród 473 genów składających się na cały genom, organizm nie byłby w stanie się rozmnażać, a co za tym idzie straciłby zdolność przetrwania. Te 473 odcinki DNA połączone w całość są zarazem wystarczające (przynajmniej w przybliżeniu) i konieczne, by kierować żywym organizmem. Dotychczas mogliśmy wyciszać poszczególne geny i w ten sposób sprawdzać, czy są one konieczne dla prawidłowego funkcjonowania wybranego organizmu. Jednak dopiero teraz poznaliśmy zestaw genów, który jest również wystarczający dla życia. Z punktu widzenia poznawczego jest to niezwykle interesujący wynik.

PROPhOtOnQuAnTiQuE by nc sa
Craig Venter (na zdjęciu w gazecie) przyczynił się w istotny sposób do sukcesu Human Genome Project; teraz kieruje instytutem, który rozwija mało znaną jeszcze dyscyplinę nauki – biologię syntetyczną. [Fot.: PROPhOtOnQuAnTiQuE, CC BY NC SA 2.0]
Wykorzystując, tak jak wyżej, pojęcia „wystarczający” i „konieczny” spróbuję nakreślić chyba jeszcze poważniejsze zagadnienie, tym razem na skrzyżowaniu nauk biologicznych i filozofii. Czy świadome procesy poznawcze – przywoływanie wspomnień, emocje, doznania zmysłowe – da się zrównać z procesami fizjologicznymi zachodzącymi w mózgu? By odpowiedzieć na tak postawione pytanie, sięgnę najpierw do historii medycyny.
W literaturze zapisał się na stałe przypadek pacjenta o inicjałach H.M. By ulżyć w cierpieniach wywołanych lekooporną padaczką, lekarze uszkodzili mu przyśrodkową część płata skroniowego mózgu. Choć pomogło to w zwalczeniu choroby, po pewnym czasie stało się jasne, że pacjent stracił zdolność zapamiętywania nowych rzeczy. Było to wyraźnym sygnałem (potwierdzonym później wiele razy na podstawie podobnych przypadków), że uszkodzony chirurgicznie fragment mózgu H.M. jest niezbędny dla właściwego funkcjonowania pamięci. Po wielu latach badań udało się też wskazać konkretne mechanizmy komórkowe, które najprawdopodobniej są niezbędne, by powstawały ślady pamięciowe (mowa tu o LTP i LTD, czyli odpowiednio długotrwałym wzmocnieniu synaptycznym i długotrwałym osłabieniu synaptycznym). Wykazano na przykład, że blokada pewnych białek biorących udział w tych procesach uniemożliwia u myszy zapamiętywanie nowych rzeczy.

Aktualnie największą zagadkę stanowi pytanie, czy te specyficzne mechanizmy komórkowe, jeśli zajdą w określonym miejscu i określonym czasie, są wystarczające, by powstało nowe wspomnienie. Jeśli odpowiedź brzmi „tak”, to gdybyśmy wywołali zajście takiego procesu w mózgu, powinniśmy się spodziewać, że wytworzymy w sposób sztuczny jakieś dodatkowe wspomnienie. Do niedawna zaprojektowanie eksperymentu, który umożliwiłby sprawdzenie tego z dużą precyzją, było bardzo trudne. Na szczęście, dzięki nowo rozwiniętej technice zwanej optogenetyką, takie manipulacje daje się już z sukcesem przeprowadzać na zwierzętach laboratoryjnych. Stosując metody optogenetyczne, możemy doprowadzić do tego, że do konkretnych komórek nerwowych zostaną wbudowane receptory, które pod wpływem bodźca świetlnego wywołują określoną reakcję w komórce. Kiedy zaświecimy na mózg myszy, zmodyfikowane komórki zareagują i będziemy w stanie wywołać pożądane procesy komórkowe.

W ten sposób Sadegh Nabavi z Aarhus University wykazał, że wywoływanie LTD w konkretnych populacjach komórek nerwowych powoduje, że myszy nie są w stanie zapamiętać nieprzyjemnego bodźca i przestają na niego reagować. Odwrócenie tego procesu poprzez wywołanie LTP powoduje, że myszy zapamiętują bodziec i na niego reagują. Jest to prawdopodobnie najmocniejszy jak na razie dowód na to, że zachodzenie obu tych zjawisk jest wystarczające do wytwarzania nowych wspomnień.

Praktycznie każdego tygodnia optogenetyka dostarcza nam coraz to nowych dowodów na to, że stymulując bardzo dokładnie wybrane sieci neuronów, można wywołać określone procesy poznawcze u modeli zwierzęcych. Myślę, że może to dodać pewnej głębi rozważaniom o relacji między mózgiem a świadomością. Jest to również wskazówka, że przynajmniej o niektórych procesach poznawczych będzie można powiedzieć, że są tożsame z procesami fizjologicznymi zachodzącymi w mózgu.

Tekst po raz pierwszy wydrukowany w wydaniu 3 #magazynutrójki.
Fotografia po lewej: Neil Conway, CC BY 2.0

O etycznych aspektach wywoływania sztucznych wspomnień za pomocą optogenetyki możesz przeczytać tutaj.

Reklamy

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Google+

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s