Neurony i astrocyty
W istocie szarej rozrastające się astrocyty szczelnie otaczają synapsy wykazując ekspresję receptorów dla neu-rotransmiterów, białek transportujących oraz kanałów jono-wych. W istocie białej ich rozrost jest kierunkowy – tworząc punkty kontaktowe z przewężeniami Ranviera astrocyty wykazują ekspresję kanałów jonowych i białek transpor-tujących (Butt 2011). Nie wykazano natomiast jak dotąd, że rozrost astrocytów wokół przewężeń wiąże się z ekspresją receptorów dla neurotransmiterów, aczkolwiek stwierdzono, że w czasie rozchodzenia się potencjału czynnościowego odpowiadają one na uwolniony przez aksony neuronów glu-taminian i ATP (Fields i Ni 2010). Wykazano, że aktywność neuronów wyzwala falę wapniową w komórkach astrogleju, najczęściej poprzez sygnał pochodzący od glutaminianu (Wang i wsp. 2006). W odpowiedzi astrocyty uwalniają ATP, co powoduje nasilenie i propagację fali wapniowej w sieci komórek glejowych, angażując w ten proces, jak dotąd wykazano, receptory P2Y1 i P2X7 (Hamilton i wsp.
2008, 2010). Adenozynotrójfosforan uwalniany z astrocytów i jego metabolit adenozyna mogą jednocześnie wpływać na przekaźnictwo synaptyczne (Newman 2003, Pascual i wsp. 2005, Gordon i wsp. 2009). Stwierdzono na przy-kład, że fala wapniowa, w wywołaniu której pośredniczy
uwalniane z astrocytów ATP stymuluje sekrecję gluta-minianu i D -seryny, które mogą działać przeciwstawnie do efektów wywoływanych przez ATP. W ten sposób astro-cyty mogą wpływać na nasilenie lub osłabienie transmisji synaptycznej (Fellin i wsp. 2006, Koizumi i wsp. 2003).
Rola, jaką ATP odgrywa w modulowaniu aktywności synap-tycznej neuronów jest jednak nadal w trakcie intensywnych badań (Agulhon i wsp. 2010).
Neuronalne synapsy purynergiczne występują relatyw-nie rzadko w układzie nerwowym w porównaniu do wszech-obecnej wśród komórek glejowych komunikacji za pośred-nictwem zewnątrzkomórkowych puryn. Może to sugerować, że pozasynaptyczne uwalnianie ATP jest bardzo ważne dla funkcjonalnej integracji sieci komórek glejowych (Butt 2011).
Wiadomo, że głównym źródłem ATP są astrocyty, które uwalniają neuroprzekaźnik w celu wzajemnej komunikacji oraz komunikacji z innymi komórkami glejowymi poprzez receptory purynowe (Hamilton i wsp. 2008). Jednakże nie wiadomo dotychczas, czy zachodząca przy udziale ATP komunikacja międzykomórkowa odbywa się w wyspecja-lizowanych punktach kontaktowych oraz czy miejsce uwal-niania i receptory mają tę samą lokalizację, co mogłoby precyzować szlaki komunikacyjne między komórkami gle-jowymi, jak ma to miejsce w przypadku neuronów połą-czonych w sieć przez synapsy (Butt 2011). Jak dotąd więk-szość dowodów wskazuje, że sygnał w sieci astrocytów rozprzestrzenia się promieniście we wszystkich kierunkach od jego źródła poprzez połączenia ścisłe i uwalniany przez półkanały ATP, który aktywuje receptory na sąsiednich komórkach glejowych (Scemes i Giaume 2006).
Nasze zrozumienie zjawiska komunikacji między komórkami glejowymi opiera się jednakże wciąż tylko na obserwacji fali wapniowej w mikroskopie konfokalnym lub fluorescencyjnym i jest wyznaczane przez czułość detek-cji wapnia w komórkach (Butt 2011). Dodatkowo wyka-zano, że astrocyty mogą wykazywać także spontaniczną falę wapniową zarówno w hodowlach (Shigetomi i wsp. 2008), jak i w warunkach in vivo (Hirase i wsp. 2004). Niewiele także wciąż wiadomo na temat fizjologicznych skutków komunikacji między komórkami glejowymi. Nie można jednak zapominać o znaczeniu pośredniczonej przez ATP komunikacji wapniowej w regulacji tych podstawowych funkcji jakie pełnią astrocyty, ponieważ są one absolutnie niezbędne do pełnienia normalnych czynności mózgu, a ich zaburzenia odgrywają kluczową rolę w epilepsji, neurode-generacji czy demielinizacji. Główną funkcją astrocytów jest pobieranie K+ i glutaminianu uwalnianych podczas nor-malnej neuronalnej aktywności, co wydaje się regulowane przez receptory purynowe. Wykazano bowiem, że recep-tory P2Y i P2X7 są zaangażowane w regulację aktywno-ści kanału potasowego, przez co kontrolują transport K+ w nabłonku (Leipziger 2003), a receptory P2Y1 mogą zwięk-szać aktywność Na+/K+ ATPazy (Broch -Lips 2010). Recep-tory P2X7 wydają się także uczestniczyć w spadku ekspresji akwaporyny, białka biorącego udział w transporcie jonów i wody w astrocytach (Lee i wsp. 2008) oraz w obniżeniu
pobierania glutaminianu i ekspresji transportera dla glu-taminianu (GLAST) (Liu i wsp. 2010).
Wykazano, że sygnał wapniowy pośredniczony przez ATP dostarcza także mechanizmu, poprzez który neurony mogą stymulować tworzenie mieliny przez oligodendrocyty (Matute i wsp. 2007). Stwierdzono, że w okresie różnico-wania się oligodendrocytów receptory adenozynowe pod-legają wyciszeniu (down regulation), natomiast receptory P2Y1 i P2X7 ulegają ciągłej ekspresji zarówno w okresie rozwoju, jak i w dojrzałych oligodendrocytach. Aktywacja receptora P2X7 w warunkach patologicznych, takich jak ischemia i stwardnienie rozsiane skutkuje demielinizacją i utratą oligodendrocytów (Domercq i wsp. 2010).
oligodendrocyty
Wykazano, że komórki prekursorowe oligodendrocytów (w tym komórki NG2 – NG2 -proteoglycan -expressing cells) wchodzą w ścisły kontakt z synapsami lub przewężeniami Ranviera i odpowiadają na ATP i glutaminian uwalniane przez synapsy i aksony (Bergles i wsp. 2000). Ponadto ATP uwalniane przez astrocyty wywołuje szybki i przejściowy wzrost wewnątrzkomórkowego stężenia Ca2+ w komórkach prekursorowych oligodendrocytów, a w proces ten anga-żuje receptory dla adenozyny oraz receptory P2Y1 i P2X7. Stąd pośredniczona przez ATP i adenozynę komunikacja pomiędzy neuronami, astrocytami i komórkami prekursoro-wymi oligodendrocytów dostarcza mechanizmów mogących wpływać na regulację regeneracji oligodendrocytów.
Mikroglej
Wykazano, że fala wapniowa w astrocytach wyzwala wzrost stężenia wewnątrzkomórkowego Ca2+ w mikrogleju (Schipke i wsp. 2002). Komórki mikrogleju wykazują eks-presję receptora P2X4 i P2Y12, a ich aktywacja przez ATP wydaje się być kluczową w bólu neuropatycznym i odpo-wiedzi na uszkodzenie (Maeda i wsp. 2010).
Podsumowanie
Adenozynotrójfosforan jest cząsteczką sygnałową, która w układzie nerwowym pełni funkcję neuroprzekaźnika, bądź moduluje uwalnianie i funkcjonowanie innych neu-roprzekaźników. Adenozynotrójfosforan uczestniczy nie tylko w szybkiej transmisji informacji, ale współdziała-jąc z czynnikami wzrostowymi wpływa na długotrwałe zmiany trofizmu komórek w układzie nerwowym. Dzia-łając za pośrednictwem receptorów P2Y i P2X pełni rolę kluczowego pośrednika w komunikacji między komórkami glejowymi – uwolnienie ATP przez astrocyty powoduje rozprzestrzenianie się fali wapniowej wśród komórek gle-jowych. Ponadto sygnał wapniowy regulując uwalnianie neurotransmiterów przez astroglej wpływa na aktywność synaptyczną neuronów. W oligodendrocytach ATP reguluje różnicowanie się, mielinizację oraz pośredniczy w odpo-wiedzi na uszkodzenia neuronów przez mikroglej.
Piśmiennictwo u Autora.
124–7
PaTRyCJa wIkToRCzyk
wPływ akTywnoŚCI FIzyCznEJ na FUnkCJE PoznawCzE*
Patrycja Wiktorczyk – magister inżynier fizyki technicznej
* Praca pod kierunkiem prof. dr. hab. n. med. Ireneusza Kojdera
1W dobie postępu medycyny zadziwiające i zarazem zachwycające w swojej prostocie wydają się być ostatnie doniesienia naukowe o zbawiennym wpływie wysiłku fizycznego na zdrowie człowieka, w tym, w szczególno-ści na sprawność umysłową, sprawność procesów poznaw-czych. Zadziwiające i zachwycające jest to szczególnie w czasach, w których jesteśmy bombardowani w prasie, telewizji i Internecie reklamami produktów i programów, które mają nam pomóc wzmocnić nasze zdrowie psychiczne i fizyczne, w stosunkowo bezbolesny i łatwy sposób poprzez magiczne eliksiry, treningi wspomagane komputerowo, gry lub krótkie programy ćwiczeń. Okazuje się, że zachowanie sprawności umysłowej i fizycznej przez długie lata, wymaga prostszych środków niż mogłoby się nam wydawać.
Od wieków lekarze podejrzewali że ćwiczenia, aktywny tryb życia, może mieć korzystny wpływ na nasze zdrowie.
Już Hipokrates mówił, że jeżeli moglibyśmy dać każdemu odpowiednią ilość pożywienia i ćwiczeń, to moglibyśmy znaleźć najbezpieczniejszą drogę do zdrowia. Dziś fak-tycznie pojawia się coraz więcej wyników badań, które mówią o licznych długotrwałych korzyściach płynących z regularnej aktywności fizycznej. Aktywność fizyczna jest uznawana za najważniejszy czynnik podtrzymujący zdrowie i przeciwdziałający występowaniu chorób cywi-lizacyjnych oraz ich czynników ryzyka takich jak: udary, choroby układu krążenia, nowotwory, otyłość czy hiper-cholesterolemia. Badania wykazały odwrotną zależność między aktywnością fizyczną a ryzykiem cukrzycy typu II, choroby wieńcowej, osteoporozy, raka okrężnicy i piersi czy zaburzeniami psychicznymi.
Niestety, pomimo zwiększającej się wiedzy dotyczącej relacji aktywności fizycznej do zdrowia stajemy się spo-łeczeństwem prowadzącym coraz bardziej siedzący tryb
1 (http://www.salk.edu/faculty/gage.html)
życia. Na podstawie badania Eurobarometr z 2009 r. wia-domo, że minimum 5 razy w tygodniu ćwiczy zaledwie 9%
mieszkańców UE, w wieku powyżej 15 lat, zaś 27% z nich podejmuje inne rekreacyjne formy aktywności (spacery, jazda na rowerze, taniec, prace ogrodnicze itp.).
Polska należy do krajów o niskim odsetku osób syste-matycznie ćwiczących (6), natomiast pod względem innych form aktywności fizycznej sytuacja jest korzystniejsza i zbliżona do średniej UE (regularnie podejmuje je 26%
dorosłych). Również ogół młodzieży nie wypełnia prze-widzianych dla wieku norm aktywności (co najmniej 60 minut dziennie ćwiczeń o umiarkowanej lub wysokiej inten-sywności), choć wśród chłopców i najmłodszych dziewcząt sytuacja w ostatnich latach się poprawia. Odsetek ćwiczą-cych niestety zmniejsza się z wiekiem, szczególnie mocno wśród dziewcząt. W 2010 r. odpowiedni poziom aktywno-ści zadeklarowało tylko 4% dziewcząt w najstarszej grupie wieku 17–18 lat. Jednocześnie aż 49% Polaków nie uprawia sportu w ogóle, zaś 17% nigdy nie podejmuje innych form rekreacji fizycznej (Wojtyniak, Goryński i Moskalewicz, 2012). Już powyższe dane wskazują, że pole do działania, leczenia, zapobiegania za pomocą aktywności fizycznej jest olbrzymie.
Pierwszy empiryczny dowód potwierdzający potencjał wpływu aktywności fizycznej na funkcje neurokognitywne to badania Spirduso z 1975 r. Wykazał on, że starsi męż-czyźni którzy regularnie uczestniczą w sporcie rakietowym mają szybsze czasy reakcji od mężczyzn sportowo nieaktyw-nych (Spiduso, 1975). Od tego czasu przeprowadzono ponad 200 badań w celu głębszego zrozumienia tej relacji. Badania te są prowadzone m.in. ze względu na starzejące się społe-czeństwo. Z wiekiem struktury takie, jak: kora przedczołowa, części przyśrodkowe płata skroniowego, jądra podstawne, ulegają atrofii, a co za tym idzie znacząco zmniejszają się możliwości funkcji poznawczych człowieka. Jeszcze nie We’ve always known that our brains control our behavior but not that our behavior could control and change the structure of our brains
Fred H. Gage1
znamy odpowiedzi na pytania dotyczące mechanizmów stojących za relacją wpływu aktywności na sprawność umysłową, jednak można sobie wyobrazić, że w przyszło-ści przyszło-ściśle określona aktywność fizyczna będzie przepisy-wana na receptach w celu poprawny zdolności kognityw-nych. Z drugiej strony wzrasta liczba badań prowadzonych u dzieci. Naukowcy starają się odpowiedzieć na pytania, czy możliwe jest, że istnieje „okienko czasowe”, w czasie rozwoju płatów czołowych, w którym aktywność fizyczna jest szczególnie istotna dla wydajności funkcji poznawczych, oraz czy aktywność w latach młodości i ta w wieku star-szym różni się w swoim protekcyjnym działaniu przeciwko spadkowi funkcji kognitywnych czy dementi?
Wiadomo, że wczesna stymulacja środowiskowa może przyspieszać rozwój ośrodków ruchowych w mózgu.
W świetle wyników badań eksperymentalnych mózg szczu-rów zachęcanych do aktywności fizycznej zyskuje nieco większą masę niż mózg zwierząt kontrolnych, które znają mniej ruchu. Znacznej aktywności ruchowej towarzyszą charakterystyczne zmiany w móżdżku, a w tym rozwój większych dendrytów. Na tej podstawie sądzi się, że aktyw-ność ruchowa we wczesnym dzieciństwie może decydować o przyszłej sile fizycznej i sprawności ruchowej dziecka.
We wczesnych etapach życia można wskazać pewne kry-tyczne okresy rozwoju układu nerwowego, kiedy to podniety środowiskowe mogą wpływać na dalszy rozwój aktywno-ści intelektualnej i ruchowej. Na przykład od chwili, kiedy młoda mysz po raz pierwszy otwiera oczy neurony w ośrod-kach wzrokowych kory mózgowej zaczynają wytwarzać liczne kolce dendrytyczne. Jeśli w tym okresie zwierzę przetrzymywane jest w ciemności i pozbawione bodźców wzrokowych, tworzy się tych kolców niewiele. O ile w póź-niejszym etapie życia ta sama mysz zostanie przeniesiona do normalnych warunków świetlnych, powstanie pewna liczba nowych połączeń synaptycznych, lecz nigdy tak znaczna, jak u myszy od wczesnego dzieciństwa hodowa-nej w normalnych warunkach świetlnych.
Te i podobne badania, wiążące rozwój mózgu z szeroko pojętym doświadczaniem środowiska, wspierają koncepcję, że wczesna stymulacja odgrywa ogromną rolę w nerwowym, intelektualnym i ruchowym rozwoju dziecka. Niewyklu-czone, że ciągła stymulacja środowiskowa jest wymagana dla podtrzymania sprawności czynnościowej i prawidłowego funkcjonowania kory mózgowej w późniejszych okresach życia (Salomon, Berg, Martin i Villee, 2000).