Neurobiolodzy z Uniwersytetu Genewskiego opublikowali wyniki swojej pracy poświęconej biologicznemu podłożu schizofrenii. Podczas przeprowadzonego badania oryginalnego, posługując się mysim modelem tego zaburzenia, próbowali prześledzić różnice pod względem neurofizjologii należącego do hipokampa pola CA1 i zachowania pomiędzy genetycznie zmodyfikowanymi zwierzętami a myszami typu dzikiego. Co więcej, podjęta została próba odwrócenia zaburzeń na poziomie neuronalnym u dorosłych organizmów za pomocą metod: farmakologicznej i chemogenetycznej, a uzyskane wyniki były wręcz spektakularne.

Poważne zaburzenie o niejasnej genezie

Schizofrenia jest zaburzeniem psychicznym, które dotyka około 1-1,5% populacji ludzkiej, nie oszczędzając żadnej warstwy społecznej ani żadnego kręgu kulturowego. Występuje z jednakową częstością u obu płci, nieco większe ryzyko dotyczy natomiast osób urodzonych od stycznia do kwietnia na naszej półkuli oraz żyjących w większych skupiskach ludności. Podłoże neurobiologiczne tego zaburzenia pozostaje wciąż nie w pełni wyjaśnione, nie oznacza to jednak, że nie zostały podjęte w tym kierunku żadne próby. Wręcz przeciwnie, schizofrenia stanowi natchnienie dla szerokiej rzeszy badaczy i płodny grunt dla rozwoju teorii próbujących opisać jej genezę. Istotne dla zrozumienia ważkości badania przeprowadzonego przez genewskich neurobiologów jest przedstawienie teorii neurorozwojowej. Zakłada ona, że za wystąpienie objawów odpowiadają uszkodzenia ośrodkowego układu nerwowego, które nastąpiły jeszcze w życiu płodowym. Dopełnieniem może być teoria podatności-stresu, według której istnieje genetycznie określona podatność, podczas gdy szkodliwe czynniki, działające już w łonie matki, przyczyniają się do zaburzenia migracji neuronów oraz synaptycznego pruningu, czyli eliminacji połączeń między komórkami nerwowymi we wczesnym życiu osobniczym. Za struktury mózgu biorące udział w powstawaniu objawów uważa się płat czołowy - dokładniej jego zmniejszoną aktywację - oraz hipokamp, na którego funkcjonowanie nowe światło rzucili autorzy eksperymentu.[1]

Hipokamp chorych myszy był zdesynchronizowany

Dla potrzeb badań naukowych opracowano zwierzęcy model schizofrenii. Opierano się przy tym na odkryciu delecji na długim ramieniu chromosomu 22., która wśród mutacji genetycznych stanowi największy pojedynczy czynnik ryzyka wystąpienia u danego osobnika opisywanego zaburzenia. Spośród różnic w neurofizjologii genetycznie zmodyfikowanych myszy, naukowcy skupili się na funkcjonowaniu pola CA1 hipokampa. Aby zobrazować aktywność komórek, wprowadzono do nich materiał genetyczny warunkujący ekspresję znacznika fluorescencyjnego GCaMP6, umożliwiającego późniejszą obserwację w mikroskopie dwufotonowym. Tak zmodyfikowane neurony następnie pobudzano karbacholem, a wywołaną aktywność rejestrowano. Jak się okazało, komórki nerwowe pochodzące od myszy stanowiących model zaburzenia nie wykazywały znaczących różnic w częstotliwości, amplitudzie, czy czasie trwania potencjałów wobec komórek zwierząt zdrowych. Tym, co charakteryzowało sieci neuronalne u organizmów zmodyfikowanych, była znaczna ich desynchronizacja w stosunku do próby kontrolnej.

W kolejnym etapie posłużono się techniką patch-clamp, pozwalającą na rejestrację prądów przepływających przez niewielkie, izolowane fragmenty błon komórkowych. Przy jej pomocy potwierdzono wcześniejsze doniesienia o tym, że populacja komórek piramidowych hipokampa w mysim modelu schizofrenii odznacza się mniejszą liczbą spontanicznych postsynaptycznych potencjałów o charakterze hamującym (spontaneous inhibitory postsynaptic currents, sIPSC) na sekundę w stosunku do neuronów pozyskiwanych od zwierząt typu dzikiego. Ważną poszlaką było również ujawnienie, że interneurony wykazujące ekspresję parwalbuminy (PVI) otrzymują z kolei więcej sIPSC na sekundę, przez co ich pobudliwość jest zmniejszona.

Czy PVI mają coś wspólnego z desynchronizacją?

Ruszając tym tropem, neurobiolodzy z Uniwersytetu Genewskiego postawili sobie pytanie, czy to PVI mogą być odpowiedzialne za zmiany w synchronizacji sieci neuronalnej. Z pomocą przyszła im metoda chemogenetyczna. Przy użyciu wektora wirusowego do neuronów pochodzących od zwierząt typu dzikiego wprowadzony został materiał genetyczny kodujący specjalny receptor, zaprojektowany tak, żeby swoistym dla niego ligandem był tlenek klozapiny N (CNO). Połączenie CNO z receptorem wywoływało zmniejszenie pobudliwości PVI, co skutkowało desynchronizacją pracy pola CA1 - tak, jak to miało miejsce w hipokampie myszy będących nosicielkami mutacji.

Próba synchronizacji sieci neuronalnej

Ale czy możliwe jest odwrotne działanie - czyli zsynchronizowanie sieci neuronalnej przez zwiększenie pobudliwości PVI? Zagadnienie to zostało zgłębione za pomocą metody farmakologicznej - podawanie białka neuroreguliny 1 (NRG1P) - oraz chemogenetycznej, analogicznej do wykorzystanej uprzednio - tym razem jednak połączenie CNO z receptorem miało zwiększać pobudliwość. Obie strategie okazały się skuteczne i pomiary metodą patch-clamp wykazywały zwiększenie częstotliwości pobudzeń u mutantów do poziomu porównywalnego z populacją zdrową. Pozostało jeszcze tylko przyjrzenie się funkcjonowaniu komórek w skali sieci przy użyciu mikroskopii fluorescencyjnej. Ku uciesze naukowców, prawidłowa dynamika sieci neuronalnej pola CA1 została przywrócona.

Zmiany w zachowaniu zwierząt

Czy ten zdumiewający rezultat przełożył się na coś więcej niż tylko satysfakcję zespołu badawczego? Czy zmutowane myszy mogły odczuć jakąś różnicę? Gryzonie będące organizmami modelowymi w tym oraz podobnych badaniach odznaczały się nadmiernym pobudzeniem ruchowym w stosunku do osobników zdrowych. Aktywność taką bada się w teście otwartego pola (open field test, OFT), rejestrując drogę przebytą przez zwierzę w określonym czasie. Gdy osobnikom z próby badanej podawano dootrzewnowo NRG1P lub uzyskiwano stymulację PVI grzbietowej części pola CA1 poprzez metodę chemogenetyczną, w OFT pokonywały trasę zbliżoną do zwierząt zdrowych.

W kolejnym teście badano odruch na bodziec akustyczny, który miał wystraszyć myszy oraz hamowanie słabszego potencjału poprzedzającego (prepulse inhibition, PPI) - które wykazują istotne zmiany w przebiegu schizofrenii.[2] U organizmów modyfikowanych reakcja na przestraszenie była nadmierna, a PPI obniżone, jednak po zastosowaniu wcześniej wspomnianych metod stymulacji komórek PVI, uzyskiwano wyniki jak dla typu dzikiego. Warto nadmienić, że podawanie CNO nie wpływało przy tym na podwyższenie PPI, więc najprawdopodobniej PPI powstaje niezależnie od przetwarzania informacji przez hipokamp.

Na koniec tego triathlonu badań behawioralnych sprawdzono pamięć myszy za pomocą warunkowania lęku związanego z umieszczaniem zwierząt w nieznanym przez nie wcześniej otoczeniu i zapewnianiu nieprzyjemnych bodźców (contextual fear conditioning).[3] Gryzoń po ponownym znalezieniu się w takim miejscu przypomina sobie przykre doznania i zastyga na pewien czas w bezruchu. Nie inaczej, także i w tej konkurencji po stymulacji farmakologicznej lub chemogenetycznej, mutanci poprawiali swój wynik w zakresie pamięci zależnej od hipokampa.

Wyniki napawają optymizmem

Rezultaty są bardzo obiecujące i zwracają uwagę świata neuronauki. Doniesienia o tym, że nabyte we wczesnych fazach rozwoju osobniczego funkcjonalne zaburzenia sieci neuronalnych mogą być skorygowane u organizmów dorosłych - i że pociąga to za sobą przywrócenie zachowań typowych dla organizmów zdrowych - są nadzieją dla milionów pacjentów z zaburzeniami neurorozwojowymi. Odkrywanie znaczenia interneuronów wykazujących ekspresję parwalbuminy w powstawaniu schizofrenii stawia je w centrum zainteresowania jako potencjalny cel działań terapeutycznych. Nasza wiedza na temat PVI wciąż jest niewystarczająca i możemy spodziewać się wysypu badań dotyczących innych właściwości tej populacji komórek. Być może jesteśmy świadkami narodzin nowej gwiazdy na firmamencie neurobiologii.

Słowniczek pojęć do artykułu

czynnik ryzyka - każdy czynnik, którego wystąpienie wiąże się z wyższym ryzykiem zapadnięcia na daną chorobę, ale nie musi istnieć między nimi związek przyczynowo-skutkowy np. niepalenie papierosów jest czynnikiem ryzyka choroby Alzheimera, mimo że nie wiemy, czy bezpośrednio się do niej przyczynia.

delecja - jest rodzajem mutacji, w której fragment kodu genetycznego zostaje usunięty; często dopowiada się, na którym chromosomie, a nawet jego części (ramieniu - krótszym lub dłuższym) do niej doszło interneurony wykazujące ekspresję parwalbuminy (PVI) - neurony odgrywające rolę w powstawaniu schizofrenii i niektórych form autyzmu, ze względu na udział w przetwarzaniu informacji płynących z procesów poznawczych i regulowaniu zachowań społecznych.

metoda chemogenetyczna - metoda wykorzystana w opisanym badaniu, w której naukowcy wprowadzili do komórki gen (patrz: wektor wirusowy ), w wyniku czego na komórce pojawił się pożądany receptor, a za jego pomocą wywoływano konkretną reakcję komórki.

mikroskop dwufotonowy - rodzaj mikroskopu fluorescencyjnego; komórki organizmów żywych obserwowane pod mikroskopem często byłyby słabo widoczne, dlatego nadaje się im niekiedy wręcz krzykliwe kolory - w klasycznej mikroskopii za pomocą różnych barwników, natomiast w mikroskopii fluorescencyjnej można wykazać obecność konkretnych struktur np. za pomocą znaczników fluorescencyjnych.

model zwierzęcy - zwierzęta, u których za pomocą manipulacji genetycznych lub chirurgicznych wywołano chorobę występującą u człowieka, żeby móc prowadzić na nich dalsze badania postsynaptyczny potencjał hamujący - powoduje, że komórka, z którą połączony jest dany neuron, jest mniej wrażliwa na bycie przez niego pobudzoną.

pruning - fizjologiczny proces usuwania połączeń pomiędzy komórkami nerwowymi, zachodzący intensywnie w okresie dojrzewania.

technika patch-clamp - służy do pomiaru przepływu impulsu przez mały fragment błony komórkowej, który jest zasysany do pipety; znajduje się na nim stosunkowo niewielka liczba kanałów jonowych i przyrządy pomiarowe są w stanie zarejestrować prądy płynące przez poszczególne kanały warunkowanie lęku - metoda uczenia np. zwierząt laboratoryjnych reagowania lękiem na konkretny bodziec.

wektor wirusowy - jest sztucznie wyprodukowanym wirusem, za jego pomocą naukowcy mogą “zarazić” konkretne komórki organizmu wybranymi przez siebie genami; geny zawierają instrukcje o tym, jak wyprodukować konkretne elementy, a komórki są niczym fabryki - zatem wprowadzając do nich odpowiednie instrukcje, możemy wpływać na ich metabolizm albo produkować nowe receptory.

zwierzę typu dzikiego - reprezentatywny dla danego gatunku osobnik, który nie posiada danej mutacji, czyli taki, o którym można powiedzieć, że jest zdrowy.

Na podstawie:

Thomas Marissal, Rodrigo F. Salazar, Cristina Bertollini, Sophie Mutel, Mathias De Roo,

Ivan Rodriguez, Dominique Müller, Alan Carleton (2018). Restoring wild-type-like CA1 network dynamics and behavior during adulthood in a mouse model of schizophrenia.

https://doi.org/10.1038/s41593-018-0225-y

Bibliografia:

 [1] Gałecki P., Szulc A., “Psychiatria", Edra Urban & Partner Wydawnictwo, Wrocław 2018, wyd.1

Więcej informacji dotyczących samego zaburzenia w znakomitym, przystępnie napisanym podręczniku psychiatrii.

[2] Neal R. Swerdlow, Martin Weber, Ying Qu, Gregory A. Light, David L. Braff, “Realistic expectations of prepulse inhibition in translational models for schizophrenia research“

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2771731/

Badanie dotyczące PPI i jego znaczenia w schizofrenii.

[3] Peter Curzon, Nathan R. Rustay, Kaitlin E. Browman, “Cued and Contextual Fear Conditioning for Rodents“ w: “Methods of Behavior Analysis in Neuroscience.”, wyd. 2

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK5223/

Więcej na temat warunkowania lęku.