H σκοτεινή ύλη του... εγκεφάλου μας!

Αστροκύτταρα

Ποιο είναι το ξεχασμένο 90% του εγκεφάλου μας; Η νευρογλοία, κύτταρα που υπερβαίνουν σε αριθμό τους νευρώνες, αντιστοιχώντας σε περίπου δέκα για κάθε ένα νευρώνα. Και κανείς δεν ξέρει πραγματικά τι κάνουν.

Κάποιες από τις συνήθεις λέξεις που χρησιμοποιούμε είναι παγιωμένα λάθη. Ο όρος 'influenza' (γρίπη) προέρχεται από την ιταλική λέξη 'influence' (επιρροή), που αποτελεί έναν υπαινιγμό για την επίδραση που κάποτε πιστευόταν πως είχαν τα αστέρια στην υγεία μας. Οι Ευρωπαίοι εξερευνητές που έψαχναν για μια εναλλακτική πορεία για την Ινδία κατέληξαν στο...
Νέο Κόσμο και χωρίς να έχουν καταλάβει τι κάνουν, τιτλοφόρησαν τους εκεί κατοίκους 'Ινδιάνους'. Οι νευροεπιστήμονες έχουν κι εκείνοι το δικό τους παγιωμένο λάθος, κάτι που αποτελεί μια εντυπωσιακή γκάφα. Στα μέσα του 1800, ερευνητές ανακάλυψαν κύτταρα στον εγκέφαλο που δεν έμοιαζαν με τους νευρώνες (τους υποτιθέμενους ενεργούς παράγοντες του εγκεφάλου) και τα αποκάλεσαν 'γλοία', μια ελληνική λέξη που σημαίνει 'κόλλα'. Παρόλο που ο εγκέφαλος περιλαμβάνει περίπου ένα τρισεκατομμύριο γλοιοκύτταρα, η υπόθεση ήταν πως τα κύτταρα αυτά δεν ήταν τίποτε παραπάνω από ένα παθητικό υποστηρικτικό σύστημα. Σήμερα γνωρίζουμε πως ο χαρακτηρισμός αυτός δε θα μπορούσε να είναι περισσότερο λανθασμένος.

Η νευρογλοία στην πραγματικότητα είναι ιδιαίτερα δραστήρια και εξυπηρετεί σε πολλούς σκοπούς, οδηγώντας και διατηρώντας την ανάπτυξη του εγκεφάλου κατά τη διάρκεια της ζωής μας. Παρακολουθεί επίσης προσεκτικά τους γείτονές της και έχει τη δική της χημική γλώσσα. Οι επιστήμονες δεν καταλαβαίνουν ακόμα αυτή τη γλώσσα, αλλά υπάρχουν πειράματα που υπαινίσσονται πως αποτελεί τμήμα της νευρολογικής 'συνομιλίας' που λαμβάνει χώρα καθώς μαθαίνουμε και σχηματίζουμε νέες αναμνήσεις.

Εάν έπρεπε να ρίξουμε σε ένα μόνο παράγοντα το φταίξιμο για τη λανθασμένη εντύπωση που υπάρχει για τη νευρογλοία, αυτός θα ήταν ο ηλεκτρισμός. Ο φυσιολόγος του 18ου αιώνα Luigi Galvani ανακάλυψε πως όταν άγγιζε ένα κομμάτι ηλεκτρισμένου μετάλλου σε ένα εκτεθειμένο νεύρο στο πόδι ενός βατράχου, το πόδι τιναζόταν. Αυτός και άλλοι έδειξαν ότι υπεύθυνος ήταν ένας ελαφρύς ηλεκτρικός παλμός που μετακινήθηκε από το μέταλλο προς το νεύρο. Για δύο χιλιετίες οι γιατροί και οι φιλόσοφοι έψαχναν να βρουν τα 'ζωικά πνεύματα' που κινούσαν το σώμα, αλλά ο Galvani ήταν αυτός που ανακάλυψε το μυστικό: ήταν το ίδιο πράγμα που προκαλούσε την αστραπή.

Στους επόμενους δύο αιώνες οι επιστήμονες πέτυχαν μια πιο καθαρή κατανόηση του πως λειτουργούν αυτά τα σήματα. Όταν ερεθίζεται ένας κλάδος στη μια άκρη ενός νευρικού κυττάρου, κινείται ένας ηλεκτρικός παλμός κατά μήκος του σώματος του νευρώνα. Άλλοι κλάδοι μπορεί να στέλνουν ξεχωριστούς παλμούς την ίδια στιγμή. Το κυρίως σώμα του νευρώνα αθροίζει τους παλμούς αυτούς και τους μεταδίδει στον άξονά του, ο οποίος χωρίζεται σε πολυάριθμους άλλους κλάδους, κάθε ένας από τους οποίους έρχεται σχεδόν σε επαφή με άλλους νευρώνες. Το μικροσκοπικό διάστημα που παρεμβάλλεται μεταξύ δύο νευρικών κυττάρων καλείται συναπτικό χάσμα ή σχισμή. Ο νευρώνας πομπός του σήματος στέλνει χημικά στη συναπτική σχισμή και ο νευρώνας δέκτης λαμβάνει κάποια από αυτά πυροδοτώντας ένα νέο ηλεκτρικό παλμό.

Όλοι οι νευρώνες έχουν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά: άξονες, συνάψεις και τη δυνατότητα να παράγουν ηλεκτρικά σήματα. Καθώς όμως οι επιστήμονες εξέτασαν με τα μικροσκόπιά τους τμήματα του εγκεφάλου, βρήκαν μπροστά τους άλλα κύτταρα που δεν ταίριαζαν σ' αυτό το προφίλ. Τα κύτταρα αυτά, όταν τρυπήθηκαν με ηλεκτρόδια δεν παρήγαγαν μια σειρά από ηλεκτρικούς παλμούς. Εάν η γλώσσα της σκέψης ήταν ο ηλεκτρισμός, τότε τα κύτταρα αυτά ήταν βουβά. Ο γερμανός παθολόγος Rudolf Virchow επινόησε το όνομα 'γλοία' το 1856 και για πάνω από έναν αιώνα τα κύτταρα αυτά αντιμετωπιζόντουσαν ως παθητικοί κάτοικοι του εγκεφάλου.

Τουλάχιστον κάποιοι επιστήμονες κατάλαβαν πως αυτό θα μπορούσε να είναι μια βιαστική υπόθεση. Ο πρωτοπόρος νευροεπιστήμονας Santiago Ramon y Cajal κέρδισε το 1906 το βραβείο Nobel για τη θεωρία του ότι οι νευρώνες είναι οι θεμελιώδεις μονάδες του εγκεφάλου. Δεν πίστευε ωστόσο πως η νευρογλοία ήταν απαραιτήτως απλά ένα είδος κόλλας. Αντίθετα, πίστευε πως τα γλοιοκύτταρα αποτελούσαν ένα μυστήριο, ένα μυστήριο που καθώς έγραψε, ίσως μείνει άλυτο για πολλά ακόμα χρόνια μέχρις ότου οι φυσιολόγοι βρουν μεθόδους για να το αντιμετωπίσουν.

Σήμερα το μυστήριο των γλοιοκυττάρων είναι εν μέρει λυμένο. Οι βιολόγοι γνωρίζουν πως υπάρχουν σε διάφορες μορφές. Ένα είδος, που καλείται ακτινοειδής νευρογλοία, εξυπηρετεί σα σκαλωσιά για την ανάπτυξη του εμβρυικού εγκεφάλου. Οι νευρώνες σκαρφαλώνουν κατά μήκος αυτών των κυττάρων που μοιάζουν με στύλους ώστε να φτάσουν στον τελικό τους προορισμό. Ένα άλλο είδος γλοίας, η μικρογλοία, αποτελεί το σύστημα προστασίας του εγκεφάλου. Τα κύτταρα της μικρογλοίας αναρριχώνται μέσα από το δάσος των νευρώνων ψάχνοντας ερείπια από νεκρά ή τραυματισμένα κύτταρα. Ένα τρίτο είδος, γνωστά ως κύτταρα του Schwann και ολιγοδενδροκύτταρα, σχηματίζουν μονωτικά φύλλα γύρω από τους νευρώνες για να εμποδίσουν τη διάχυση των ηλεκτρικών σημάτων.

Αλλά όσο περισσότερο εξετάζουν τη νευρογλοία οι νευροεπιστήμονες, τόσο περισσότερο πολύπλευρα αποδεικνύεται ότι είναι τα κύτταρα αυτά. Η μικρογλοία δεν κρατάει απλώς τον εγκέφαλο καθαρό, κόβει επίσης επιπλέον κλάδους από νευρώνες για να βοηθήσει στη ρύθμιση των αναπτυσσόμενων συνδέσεών τους. Τα ολιγοδενδροκύτταρα και τα κύτταρα του Schwann δε μονώνουν απλώς τους νευρώνες, αλλά επίσης βοηθούν στο σχηματισμό νέων συνάψεων μεταξύ των νευρώνων. Και όταν τα κύτταρα της ακτινοειδούς γλοίας έχουν τελειώσει με το έργο της βοήθειας στην ανάπτυξη του εγκεφάλου, δεν πεθαίνουν. Μετατρέπονται σε ένα άλλο είδος γλοιοκυττάρων, στα αστροκύτταρα.

Τα αστροκύτταρα, που ονομάζονται έτσι λόγω των ακτινών τους που εκτείνονται προς όλες τις κατευθύνσεις, είναι τα πιο άφθονα από όλα τα γλοιοκύτταρα και συνεπώς τα πιο άφθονα από όλα τα κύτταρα του εγκεφάλου. Είναι επίσης τα πιο μυστηριώδη. Ένα μόνο αστροκύτταρο μπορεί να περιτυλίξει τις ακτίνες του γύρω από περισσότερες από ένα εκατομμύριο συνάψεις. Τα αστροκύτταρα επίσης συγχωνεύονται μεταξύ τους σχηματίζοντας κανάλια μέσω των οποίων μπορούν να μετακινηθούν μόρια από κύτταρο σε κύτταρο.

Όλες αυτές οι συνδέσεις φέρνουν τα αστροκύτταρα σε μια πλεονεκτική θέση για να επηρεάσουν τις διεργασίες που συμβαίνουν στον εγκέφαλο. Έχουν επίσης υποδοχείς που μπορούν να δεσμεύσουν μια ποικιλία από νευροδιαβιβαστές, πράγμα που σημαίνει ότι ίσως είναι σε θέση να 'κρυφακούσουν' τη βιοχημική φλυαρία που συμβαίνει γύρω τους. Ωστόσο για πολύ καιρό, οι νευροεπιστήμονες δεν μπορούσαν να βρουν κάποιο σημάδι για το ότι τα αστροκύτταρα πράγματι ανταποκρίνονταν σε σήματα από το εξωτερικό. Τελικά, το 1990, η νευροεπιστήμονας Ann Cornell-Bell του Yale ανακάλυψε αυτό που φάνηκε να είναι η λύση στο μυστήριο. Προέκυψε πως τα αστροκύτταρα, όπως οι νευρώνες, μπορούν να ανταποκριθούν σε νευροδιαβιβαστές, αλλά αντί για ηλεκτρισμό, τα κύτταρα παράγουν κύματα από φορτισμένα άτομα ασβεστίου.

Το ασβέστιο προέρχεται από σφραγισμένα πακέτα που είναι διασκορπισμένα μέσα στα αστροκύτταρα. Όταν ερεθιστούν, τα αστροκύτταρα ανοίγουν τα πακέτα στη σειρά που πρώτη έρχεται σε επαφή με τους νευροδιαβιβαστές, πυροδοτώντας το άνοιγμα άλλων πακέτων που βρίσκονται σε άλλα σημεία στο κύτταρο. Στη συνέχεια τα αστροκύτταρα φυλάνε τα άτομα του ασβεστίου πίσω στα πακέτα τους, για να τα απελευθερώσουν και πάλι όταν ξανά ερεθιστούν. Η Cornell-Bell πρόσεξε πως ένα κύμα τέτοιας δραστηριότητας που άρχισε σε ένα αστροκύτταρο μπορούσε να διαδοθεί σε άλλα αστροκύτταρα. Κάποιες ερευνητικές ομάδες ανακάλυψαν επίσης ότι τα ίδια τα αστροκύτταρα απελευθερώνουν δυνατούς νευροδιαβιβαστές. Μπορούν να παράγουν γλουταμάτη (που διεγείρει τους νευρώνες έτσι ώστε είναι πιο εύκολο να ανταποκριθούν στο σήμα από έναν άλλο νευρώνα) και αδενοσίνη ( που μπορεί να αμβλύνει την ευαισθησία ενός νευρώνα).

Για κάποιος επιστήμονες του εγκεφάλου, αυτές οι ανακαλύψεις αποτελούν κομμάτια από πάζλ που σιγά σιγά ταιριάζουν μεταξύ τους σε μια συναρπαστική νέα εικόνα του εγκεφάλου. Πρώτο κομμάτι: τα αστροκύτταρα μπορούν να νιώσουν εισερχόμενα σήματα. Δεύτερο κομμάτι: μπορούν να ανταποκριθούν με κύματα ασβεστίου. Τρίτο κομμάτι: μπορούν να παράγουν εξόδους νευροδιαβιβαστές και ίσως ακόμα κύματα ασβεστίου που διαδίδονται σε άλλα αστροκύτταρα. Με άλλα λόγια, έχουν τουλάχιστον μερικά από τα προαπαιτούμενα για να επεξεργαστούν πληροφορίες όπως κάνουν οι νευρώνες. Ο Alfonso Araque, νευροεπιστήμονας στο Ινστιτούτο Cajal στην Ισπανία, και οι συνεργάτες του εργάζονται για την πιθανότητα ενός τετάρτου κομματιού στο πάζλ. Βρίσκουν πως δύο διαφορετικά διεγερτικά σήματα μπορούν να παράγουν δύο διαφορετικά πρότυπα από κύματα ασβεστίου (αυτό σημαίνει, δύο διαφορετικές αποκρίσεις) σε ένα αστροκύτταρο. Όταν έδωσαν στα αστροκύτταρα και τα δύο σήματα μαζί, τα κύματα που παρήγαγαν τα κύτταρα δεν ήταν ακριβώς το άθροισμα των δύο προτύπων. Αντίθετα, τα αστροκύτταρα παρήγαγαν ένα εντελώς διαφορετικό πρότυπο για απάντηση. Αυτό κάνουν τόσο οι νευρώνες, όσο και οι υπολογιστές.

Εάν πράγματι επεξεργάζονται πληροφορίες τα αστροκύτταρα, αυτό θα αποτελούσε μια μεγάλη προσθήκη στην υπολογιστική δύναμη του εγκεφάλου. Άλλωστε, υπάρχουν πολύ περισσότερα αστροκύτταρα στον εγκέφαλο απ' ότι νευρώνες. Ίσως, όπως κάποιοι επιστήμονες έχουν υποψιαστεί, τα αστροκύτταρα κάνουν τους δικούς τους υπολογισμούς. Αντί για τον ψηφιακό κώδικα των ηλεκτρικών παλμών που χρησιμοποιούν οι νευρώνες, τα αστροκύτταρα ίσως δρουν πιο πολύ ως ένα αναλογικό δίκτυο που κωδικοποιεί πληροφορίες σε αργά ανερχόμενα και κατερχόμενα κύματα ασβεστίου. Στο νέο του βιβλίο, 'The Root of Thought' (Η Ρίζα της Σκέψης) ο νευροεπιστήμονας Andrew Koob προτείνει πως η επικοινωνία μεταξύ των αστροκυττάρων μπορεί να είναι υπεύθυνη για την δημιουργική και ευφάνταστη ύπαρξή μας ως ανθρώπινα όντα.

Μέχρι πρόσφατα, οι μελέτες για τα αστροκύτταρα εξέταζαν μόνο λίγα κύτταρα που βρίσκονταν σε ένα τρυβλίο petri. Τώρα οι επιστήμονες ανακαλύπτουν πώς να παρατηρούν αστροκύτταρα σε ζωντανά ζώα και να μάθουν ακόμα περισσότερο για τις ικανότητες των κυττάρων αυτών. Ο Alex Nimmerjahn του Πανεπιστημίου Stanford και οι συνεργάτες του, για παράδειγμα, ανέπτυξαν έναν τρόπο να τοποθετούν μικροσκόπια στα κρανία ποντικιών. Για να δουν τα αστροκύτταρα εγχέουν μόρια στα ποντίκια τα οποία λάμπουν όταν ενώνονται με ελεύθερο ασβέστιο. Κάθε φορά που ένα ποντίκι κουνάει ένα από τα πόδια του, ο Nimmerjahn και οι συνεργάτες του μπορούν να δουν μια μικρή έκρηξη από κύματα ασβεστίου. Σε μερικές περιπτώσεις, εκατοντάδες αστροκύτταρα μπορούν να πυροδοτηθούν με μιας και αυτό μπορεί να διαρκέσει για μερικά δευτερόλεπτα.

Τα αστροκύτταρα είναι επίσης ζωτικής σημασίας για τις συνάψεις. Ο νευροεπιστήμονας του Πανεπιστημίου του Stanford Ben Barres και οι συνεργάτες του βρήκαν πως νευρώνες οι οποίοι μεγάλωσαν με αστροκύτταρα σχημάτισαν περίπου δέκα φορές περισσότερες συνάψεις από νευρώνες που μεγάλωσαν χωρίς αυτά και η δραστηριότητα των συνάψεων αυτών ήταν περίπου εκατό φορές μεγαλύτερη. Καθώς οι συνάψεις αλλάζουν όταν μαθαίνουμε και σχηματίζουμε νέες αναμνήσεις, η Marie E. Gibbs του Πανεπιστημίου Monash στην Αυστραλία υποψιάστηκε πως τα αστροκύτταρα ίσως είναι σημαντικά στη δυνατότητα που έχουμε να μαθαίνουμε. Για να ελέγξει την ιδέα αυτή, μαζί με τους συνεργάτες της έδωσαν σε μικρά κοτόπουλα χρωματιστές χάντρες να τις τσιμπήσουν. Οι κόκκινες χάντρες ήταν καλυμμένες με ένα πικρό χημικό και συνήθως ένα μόνο τσίμπημα ήταν αρκετό για να μάθουν τα κοτόπουλα να μην ξανατσιμπήσουν μια κόκκινη χάντρα. Αλλά όταν τους έγινε ένεση με ένα φάρμακο που εμπόδιζε τη σύνθεση γλουταμάτης από τα αστροκύτταρα, τα πουλιά δε μπορούσαν να θυμηθούν την άσχημη γεύση και τσιμπούσαν ξανά τις χάντρες.

Δεν έπεισαν όμως τους σκεπτικιστές αυτά τα πειράματα. Εάν τα κύματα ασβεστίου είναι πραγματικά τόσο σημαντικά, για παράδειγμα, θα περίμενε κανείς πως ένα γενετικά τροποποιημένο ποντίκι που δε θα μπορούσε να παράγει κύματα ασβεστίου θα ήταν ένα αξιολύπητο τρωκτικό. Ο Ken McCarthy, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνα στο Chapel Hill, και οι συνεργάτες του επενέβησαν σε ποντίκια ώστε να μεγαλώσουν αστροκύτταρα που τους έλειπε μια βασική πρωτεΐνη που χρησιμεύει για το άνοιγμα των πακέτων ασβεστίου. Τα ποντίκια αυτά μεγάλωσαν και ήταν απαράλλαχτα από τα κανονικά, για λόγους που ακόμα δεν είναι γνωστοί.

Υπάρχει κάτι το θαυμάσιο στο γεγονός ότι πενιχρά μόλις καταλαβαίνουμε τι κάνουν τα περισσότερα κύτταρα στον εγκέφαλό μας. Αρχίζοντας στη δεκαετία του 1930, οι αστρονόμοι κατάλαβαν πως όλα όσα μπορούσαν να δουν με τα τηλεσκόπιά τους, τα αστέρια, οι γαλαξίες και τα νεφελώματα, αποτελούσαν μόνο ένα μικρό κλάσμα από τη συνολική μάζα του σύμπαντος. Το υπόλοιπο, γνωστό ως σκοτεινή ύλη, ακόμα αψηφά τις καλύτερες προσπάθειές τους για εξήγηση. Μεταξύ των δύο αυτιών μας, όπως προκύπτει, κάθε ένας από εμάς φέρει επίσης ένα προσωπικό απόθεμα σκοτεινής ύλης.

Μετάφραση - Απόδοση - Σχολιασμός: Αμαλία Τσακίρη, για το ESOTERICA.gr