Myszunkulus: jak umysł szkicuje małego ciebie

Dla neurochirurgów mapa Penfielda była praktycznym dobrodziejstwem, pomagając im planować operacje. Dla naukowców jednak, zainteresowanych bardziej podstawowymi pytaniami o mózgu, było to po prostu fascynujące. Ujawniało, że mózg porządkował informacje czuciowe przychodzące ze skóry w kształt podobny do ciała.

Oczywiście były różnice między homunkulusem a ciałem ludzkim. Było tak, jakby twarz została usunięta z ciała i zabrana tuż poza zasięg. Obszar, jaki każda część ciała zajmowała w mózgu, nie była proporcjonalna do jej rzeczywistych rozmiarów. Na przykład, wargi i palec wskazujący były gigantyczne, podczas gdy przedramię zajmowało mniej miejsca niż język.

Ta różnica w naszych mózgach znajduje odzwierciedlenie w naszych zakończeniach nerwowych. Czubki palców są znacznie bardziej wrażliwe niż plecy. Dlatego nie musimy mieć dokładnego obrazu naszych pleców, ale rąk używamy do wszelkiego rodzaju czynności – jak chwytanie przedmiotów lub używanie narzędzi – a to wymaga silniejszego odbioru przez zmysły.

Kształt naszej mapy zmysłowej odzwierciedla naszą ewolucję jako dwunożnych użytkowników narzędzi. Kiedy naukowcy zwrócili się do innych zwierząt, znaleźli homunkulusy o innych kształtach, wynik ich odmiennej drogi ewolucyjnej. Poniższa ilustracja, wzięta z mojej książki The Tangled Bank, pokazuje zwierzęta podziemne: kreta, golca i gwiazdonosa amerykańskiego.

Górny rząd pokazuje rzeczywisty kształt ich ciał, a dolny pokazuje stosunkową przestrzeń na mapie czuciowej przeznaczoną każdej części. Powiększone części odzwierciedlają rodzaj informacji czuciowej, jaką zbierają. Krety, na przykład, kopią przednimi łapami w poszukiwaniu robaków i innego pokarmu. Nie mogą polegać w ciemności na wzroku; zamiast tego używają zmysłu węchu, włosków czuciowych i wrażliwej skóry na nosie. Z drugiej strony, golce używają do kopania zębów zamiast łap przednich. Wreszcie, gwiazdonos amerykański wyewoluował dziwaczną, rękopodobną strukturę na nosie, której używa do  szybkiego sprawdzania miękkiego błota, przez jakie się przekopuje.

Dennis O’Leary, biolog z Salk Institute for Biological Studies, i jego koledzy spędzili kilka ostatnich lat na badaniu, jak kształtują się te mapy czuciowe. Badali myszy, które mają mapy czuciowe dobrze dostrojone do ich sposobu życia nocnych gryzoni, które szukają pokarmu na powierzchni ziemi. Myszy polegają na włoskach czuciowych (zatokowych lub „wąsach”), by zorientować się w otoczeniu. Każdy włosek otoczony jest gęstą grupą zakończeń nerwów, które wszystkie przekazują informacje do mózgu.

Tutaj jest rysunek myszy w jej rzeczywistych proporcjach, z zaznaczonymi włosami zatokowymi i innymi częściami ciała.

A tutaj jest mapa czuciowa myszy – co O’Leary i jego koledzy nazwali myszunkulusem:

Odzwierciedlając ich zależność od “wąsów”, na mapie czuciowej dominują zgrupowania neuronów zwane „baryłkami” (ang. barrel), które przetwarzają sygnały z wąsów. Każde z tych zgrupowań jest większe niż zgrupowanie neuronów poświęcone całej stopie myszy.

Myszunkulus – lub jakakolwiek inna mapa czuciowa ssaka – nie nabiera natychmiast kształtu w mózgu embriona. Wymaga doświadczenia, by powstawać. Przed urodzeniem i po nim komórki nerwowe w skórze dostarczają sygnały do mózgu. Stymulują one wzrost nowych neuronów, jak również pojawianie się połączeń między komórkami. Jeśli mózg nie dostaje sygnałów z części swojego ciała – na przykład z powodu wady okołoporodowej, która prowadzi do utraty kończyny lub z powodu uszkodzenia nerwów – mapa czuciowa rozwinie się nienormalnie.

Czy znaczy to, że istnienie map czuciowych zależy po prostu od sygnałów docierających ze skóry? O’Leary i jego koledzy stwierdzili, że tak nie jest, jak informują w nowym numerze „Nature Neuroscience”. Geny ssaka także pomagają kierować ołówkiem kartografa.

Nowe badanie opiera się na wcześniejszym odkryciu O’Leary’ego, że mutacje pewnych genów zmieniają budowę kory, cienkiej zewnętrznej warstwy mózgu, gdzie zachodzi najbardziej wyrafinowane przetwarzanie danych. O’Leary z kolegami postanowili przyjrzeć się temu, jak jeden z tych genów, Pax6, wpływa na rozwój mapy czuciowej.

W tym celu wypracowali skomplikowaną technikę wyłączenia Pax6 tylko w mapie czuciowej i nigdzie indziej w mózgu mysiego embriona. Myszy rodziły się zdrowe i były w stanie karmić swoje mapy czuciowe typowym pokarmem informacyjnym.

W tydzień po narodzinach myszy naukowcy poszli w ślady Penfielda i zmapowali myszunkulusa. A oto, co zobaczyli:

Mapa pokazuje, że bez Pax6 wiele baryłek neuronów urosło zaledwie do małego ułamka ich normalnych rozmiarów, w niektórych wypadkach były o 80% mniejsze niż u myszy z Pax6 włączonym w mapie czuciowej. Kilka baryłek w ogóle się nie rozwinęło.

Badanie o’Leary’ego pokazuje wyraźnie, że geny odgrywają dużą rolę w budowaniu dokładnej mapy czuciowej. Robią jednak więcej. Ich efekty przenikają dalej do wcześniejszych kroków na szlaku informacyjnym w mózgu.

Poniższy diagram pokazuje kilka kroków wzdłuż tego szlaku. Sygnały z ciała podróżują w tył mózgu, a następnie do przodu do struktury głęboko w mózgu, która nazywa się wzgórze, zanim wreszcie docierają do mapy czuciowej. Na każdym kroku neurony, które przetwarzają te sygnały, są także uporządkowane w mapy odpowiadające ciału myszy. Mają odrębne pęczki neuronów zwane po angielsku barreloid lub barrelette, zależnie od tego, w której części mózgu znajdują się.

O’Leary i jego koledzy odkryli, że kiedy wyłączają Pax6 w mapie czuciowej, nie tylko mapa czuciowa zmienia kształt. Wzgórze zmieniło się także. Podobnie jak w mapie czuciowej „baryłeczki” (barreloids) wzgórza skurczyły się lub zniknęły. Badania O’Leary’ego wskazują, że wzgórze polega na sygnałach z mapy czuciowej, by rozwijać się normalnie. Bez tych sygnałów część rozwijających się neuronów we wzgórzu umiera.

Mapa czuciowa i neurony, które dostarczają jej danych okazują się być splątane ze sobą bliską konwersacją. Sygnały wychodzące ze skóry kształtują mapę, podczas gdy geny w mapie także na nią wpływają – i ten wpływ rozciąga się dalej do szlaku. Ten dialog może być zasadniczy dla dostrojenia całego układu nerwowego, byśmy rozwinęli mapy czuciowe i nerwy czuciowe, które ściśle do siebie pasują.

Podobnie jak mapa Penfielda, badania O’Leary’ego naświetlają pewne fundamentalne pytania o to, jak działa mapa czuciowa, a także może okazać się, że dają pewne praktyczne korzyści. Mutacje genów takich jak Pax6 mogą zmienić mapę czuciową, a ich zakłócenia mogą rozciągnąć się do wzgórza. Te mutacje mogą odgrywać rolę w takich zaburzeniach mózgu jak autyzm.

Jak wskazują O’Leary i jego koledzy w tym nowym artykule, poprzednie badania ludzi z autyzmem ujawniły pewne różnice w aktywności genów w mózgu. Inne wzory aktywności mają szczególnie geny biorące udział w zaznaczaniu różnych obszarów w korze.

Ta zmiana genów kształtujących mózg może wyjaśnić fakt, że niektórzy naukowcy znaleźli zmiany budowy kory. Choć ogólny rozmiar kory jest taki sam w mózgach autystycznych i normalnych, u ludzi z autyzmem czołowa część kory jest powiększona.

Ta zmiana może także znaczyć, że obszar kory leżący bardziej z tyłu mózgu staje się mniejszy. A tak się składa, że tam z tyłu kryje się nasz homunkulus. Innymi słowy, jest możliwe, że u ludzi z autyzmem zakłócenie kory powoduje, że mają mniejsza mapę czuciową.

Jeśli mapa czuciowa istotnie jest mniejsza u ludzi z autyzmem, efekty mogą promieniować na zewnątrz, do wzgórza. Niedawne badanie mózgów 17 ludzi z autyzmem ujawniło, że istotnie mieli, przeciętnie rzecz biorąc, mniejsze wzgórze.

Jeśli ta hipoteza jest poprawna – a ważne jest zaznaczenie, że to nadal oparte jest na badaniu stosunkowo niewielu ludzi – może to wyjaśnić, dlaczego ludzie z autyzmem często mają kłopoty z przetwarzaniem informacji swoich zmysłów. I może także wskazać nowe sposoby leczenia autyzmu przez pielęgnowanie wewnętrznego homunkulusa.   

Mouseunculus: How The Brain Draws A Little You

The Loom, 24 lipca 2013