Godine 1906. španski naučnik Santjago Ramon i Kahal dobio je Nobelovu nagradu za svoja pionirska istraživanja mikroskopskih struktura mozga. Njegovi poznati crteži Purkinjeovih ćelija u malom mozgu prikazuju šumu neuronskih struktura, sa više velikih grana koje izbijaju iz tela ćelije i razdvajaju se u prelepe šare nalik listovima.
Iako su ovi rani prikazi uhvatili više dendrita koji se protežu od tela ćelije, preovlađujuća mudrost među neuronaučnicima do danas je da Purkinje ćelije imaju samo jedan primarni dendrit koji se povezuje sa jednim penjajućim vlaknom iz moždanog stabla. Novo istraživanje pod naslovom „Multi-inervacija mišjih Purkinje dendrita sa arborizacijom koja je uobičajena za ljude“ sa Univerziteta u Čikagu objavljeno u časopisu Science pokazuje da su Kajalovi crteži bili tačni sve vreme, međutim – skoro sve Purkinje ćelije u ljudskom malom mozgu imaju višestruke primarni dendriti.
Dalja istraživanja na miševima su pokazala da oko 50% njihovih Purkinje ćelija takođe ima ovu složeniju strukturu, a od ovih ćelija, 25% dobija ulaz od višestrukih penjajućih vlakana koja se povezuju sa različitim primarnim dendritnim granama. Eksperimenti koji beleže aktivnost ćelija kod živih miševa takođe su otkrili da se primarne grane mogu aktivirati nezavisno, reagujući na različite stimuluse iz okoline.
„Što više radite sa određenim prototipom ćelije u svom umu, to više prihvatate“, rekao je dr Kristijan Hansel, profesor neurobiologije u Čikagu i stariji autor studije, pozivajući se na kanonski model koji Purkinje ćelije imaju jedan primarni dendrit koji se povezuje sa jednim penjajućim vlaknom.
„Ovi Kajalovi crteži postoje još od 1900-ih, tako da smo definitivno imali dovoljno vremena da obratimo pažnju, ali tek sada sa ovom kvantitativnom analizom vidimo da je skoro univerzalno da ljudske ćelije imaju više punih dendrita, i možemo videti da to čini i kvalitativnu razliku“.
Mali mozak se nalazi na dnu lobanje, neposredno iznad mesta spajanja kičmene moždine. Od kada je francuski lekar Žan Pjer Flurens prvi opisao funkciju malog mozga 1824. godine, naučnici su verovali da je njegov jedini zadatak koordinacija pokreta i mišićne aktivnosti, ali napredak tehnologije je pokazao da mali mozak takođe igra značajnu ulogu u procesuiranju podataka o unutrašnjim i spoljašnje okruženje, uključujući osećaje propriocepcije i ravnoteže.
Cerebelarne Purkinje ćelije su poput velikih antena koje primaju hiljade ulaza koji prenose spektar kontekstualnih informacija iz ostatka tela. Ovi signali se zatim integrišu sa signalom greške predviđanja, što ukazuje na neusklađenost između konteksta i očekivanja mozga. Ovaj signal greške obezbeđuju nervna vlakna koja se penju iz moždanog stabla i povezuju se sa svojim ciljnim Purkinje dendritnim strukturama. Sasvim prikladno, ovi nervi se nazivaju „penjačka vlakna“.
Standardno shvatanje ovih veza je da svaka Purkinjeova ćelija ima jedan primarni dendrit koji se grana od tela ćelije i povezuje sa jednim penjajućim vlaknom, formirajući jednu jedinicu za računanje. Verovanje u ovaj odnos jedan-na-jedan između penjajućih vlakana i Purkinje ćelija, centralne dogme u ovoj oblasti koja se može naći u svakom udžbeniku neuronauke, uglavnom potiče iz studija o glodarima, koji prvenstveno imaju konfiguraciju jednog dendrita.
Mnoge studije ovih struktura u prošlosti su se fokusirale na mali broj ćelija, pa je za ovo novo istraživanje Silas Busch, dr. student u Hanzelovoj laboratoriji i prvi autor rada, počeo je posmatranjem hiljada ćelija iz ljudskog i mišjeg tkiva. Koristio je ciljanu tehniku bojenja zasnovanu na antitelima, poznatu kao imunohistohemija, da bi selektivno označio Purkinje ćelije u tankim kriškama malog mozga.
Zatim je kategorizovao strukturu svih ćelija koje je mogao da posmatra i otkrio da više od 95% ljudskih Purkinje ćelija ima više primarnih dendrita, dok je kod miševa ta brojka bila mnogo bliža polovini.
„Imate osećaj koliko je ovo bila preovlađujuća ideja na terenu jer se anatomski nazivaju ‘primarni’ dendriti ćelije“, rekao je Buš. „Dakle, čak je i opis strukture ovih ćelija zasnovan na tom prototipu miša koji ima jedan dendrit koji možete nazvati primarnim dendritom.
Ova izuzetna razlika u vrstama, u jednoj od evolutivno očuvanih područja mozga koja se dele među sisarima, pa čak i drugim kičmenjacima, navela je Buša i Hansela da se zapitaju da li postoji funkcionalna posledica postojanja više primarnih dendrita umesto samo jednog. Penjačko vlakno, sa povoljnim odnosom jedan-na-jedan i intimnim zapletom primarnog dendrita, bilo je njihov prvi osumnjičeni.
Koristeći delove malog mozga miša koji su sadržali još žive ćelije, Buš je ubrizgao ćelije sa bojom da bi video njihove grane, a zatim je stimulisao ulaze vlakana za penjanje. On je primetio da je 25% ćelija sa više primarnih dendrita dobilo više penjućih vlakana, prepravljajući ideju iz udžbenika da svaka Purkinjeova ćelija dobija samo jedan ulaz za penjajuće vlakno, dok ćelije sa jednim primarnim dendritom nisu.
Ohrabren ovim nalazom da je značajan deo – iako manjina – Purkinjeovih ćelija sa više primarnih dendrita takođe dobio ulaz od više vlakana za penjanje, Buš je sproveo niz eksperimenata na živim miševima da vidi da li je to dovelo do funkcionalnih razlika kod živog miša.
Prvo je ubrizgao fluorescentnu kalcijum indikatorsku boju u mali mozak i implantirao mali stakleni prozor kako bi kasnije mogao da posmatra protok kalcijuma u dendrite Purkinjeovih ćelija. Zadržavši glavu miša pod mikroskopom dok je trčao na traci za trčanje, mogao je da izmeri protok kalcijuma koji pokazuje kada vlakno koje se penje daje snažan ulaz ćeliji.
U ćelijama sa jednim primarnim dendritom, slike visoke rezolucije su pokazale da je signal aktivnosti ujednačen po njegovoj strukturi; u ćelijama sa više primarnih dendrita, mogao je da otkrije aktivnost na svakoj strani koja se javlja u različito vreme, što znači da jedan dendrit može biti aktiviran njegovim penjajućim vlaknom dok drugi dendrit u istoj ćeliji nije.
Sledeće, Buš je želeo da vidi da li može da izazove pojedinačnu aktivnost penjačkih vlakana koristeći precizniji stimulus: mišje brkove. Međutim, za ovaj eksperiment, Buš je morao da umiruje miševe („Ne znam da li ste ikada pokušali da stimulišete pojedinačne brkove kod budnog miša, ali to je zaista teško“, rekao je on).
Dok su miševi spavali, Buš je uvukao pojedinačne brkove u malu staklenu cev i pomerao ih napred-nazad. Ovde je takođe mogao da vidi aktivnost u različitim dendritskim granama Purkinjeovih ćelija, sugerišući da su pojedinačna vlakna koja se penju signalizirala ulaz od pojedinačnih brkova do pojedinačnih dendrita.
Konačno, za realniji scenario, Busch je takođe testirao budne miševe sa nekoliko stimulansa, poput bleskova svetlosti, zvukova ili vazdušnih puhanja na jastučiću za brkove. Opet je video razlike u Purkinjeovim ćelijama. U nekima bi jedna grana različito favorizovala jedan stimulans, tako da bi mogla biti posebno osetljiva na svetlost, ali ne i na zvuk. Tada bi druga grana mogla preferirano da reaguje na zvuk, ali ne i na svetlost.
„Ovo se dogodilo u manjini ćelija jer ih ima manje sa višestrukim granama kod miševa, a ne dobijaju svi višestruka vlakna za penjanje, ali je ipak prisustvo ovog efekta bilo veoma interesantno“, rekao je Buš. „To je potvrdilo ovu ideju da će dva ulaza za penjanje vlakana imati različite funkcionalne svrhe koje predstavljaju različite informacije.“
Ovaj novi dokaz preokreće standardno razmišljanje o području mozga za koje se smatra da je prilično anatomski rešeno i ima i funkcionalne posledice. Kako penjačka vlakna obezbeđuju ulaz iz moždanog stabla, Purkinje ćelije agregiraju i obrađuju te informacije. Višestruki ulazi koji se povezuju na više tačaka na ćelijama obezbeđuju više računarske snage, omogućavajući moždanim kolima da se prilagode i reaguju na promene u okruženju ili telu koje zahtevaju različite pokrete, a ova nekanonska povezanost je blisko povezana sa strukturom dendrita Purkinje ćelija .
Takođe postoje dokazi da ove veze u malom mozgu mogu biti uključene u bolest. Na primer, 2013. godine, Hansel je radio na studiji sa neurologom iz Čikaga Kristoferom Gomezom, MD, Ph.D., pokazujući da su veze vlakana koje se penju po Purkinjeu slabije kod mišjih modela cerebelarne ataksije, poremećaja pokreta.
S druge strane, Buš, Hansel i Gomez objavili su rad sa bivšom diplomiranom studentkinjom u Čikagu Dejnom Simons pokazujući da su ove veze jače u genetskom dupliciranju i modelima prekomerne ekspresije autizma. I drugi istraživači pokazuju jače veze kod određenih vrsta podrhtavanja. Nadamo se da će razumevanje osnovnih bioloških struktura ovih ćelija pružiti bolji uvid u ova stanja.
„Ljudi koji proučavaju druge delove mozga poput neokorteksa ili hipokampusa uvek imaju manje-više predstavu o tome šta ta struktura mozga radi“, rekao je Hansel. „Oni od nas koji proučavaju mali mozak oduvek smo imali ideju da je to motorička koordinacija i adaptacija, ali je takođe bilo jasno da je to nešto više od toga. Sada će to biti lakše shvatiti kako povezanost postane jasnija.“
