Zegar tyka w mózgu

Doktor Tomasz Błasiak bada aktywność neuronalną struktur tworzących elementy zegara biologicznego ssaków.

Gdybyśmy byli całkowicie pozbawieni informacji z zewnątrz, nasz zegar biologiczny nadal działałby cyklicznie, generowałby cykle okołodobowe, trwające od 23 do 25 godzin - mówi doktor Błasiak. Dlatego zamknięci dłuższy czas w jednakowo ciemnej lub jasnej jaskini, nadal mniej więcej co 24 godziny potrzebowalibyśmy snu, co około 24 godziny przypadałby szczyt naszej aktywności umysłowej i motorycznej. - Zegar biologiczny człowieka reguluje się przede wszystkim pod wpływem interakcji z innymi ludźmi, aktywności motorycznej i umysłowej, dostępności pokarmów. Światło słoneczne ma drugorzędne znaczenie.

Najbardziej „reguluje” nas to, co robimy - praca, szkoła, stałe pory dnia, w których spotykamy się z innymi ludźmi. Jeśli ktoś pracuje w nocy i właśnie wtedy zmuszony jest do największego wysiłku intelektualnego, to dzień jego zegara biologicznego (czyli najwyższa temperatura ciała, aktywność umysłowa i motoryczna) zacznie się po zachodzie słońca.

W Pracowni Neurofizjologii i Chronobiologii Zakładu Fizjologii Zwierząt Uniwersytetu Jagiellońskiego można spotkać głównie młodych ludzi, prowadzących badania do swojej pracy magisterskiej lub doktorskiej. Każdy z nich zajmuje się nieco innym zagadnieniem, ale związanym z jednym tematem - zegarem biologicznym ssaków. W zastawionym aparaturą laboratorium ciągle ktoś się krząta, słychać rozmowy, czasem żarty. A w szklanym pojemniku rozpuszcza się z hałasem roztwór soli używany przy badaniach in vitro. W jednym z pomieszczeń grupa studentów poznaje tajniki przygotowywania preparatów do badań obwodowego i ośrodkowego układu nerwowego zwierząt. Na kursach z podstaw neurofizjologii eksperymentalnej, prowadzonych przez kierownika pracowni profesora Mariana Lewandowskiego, obserwują badania aktywności bioelektrycznej sporządzanych preparatów. Na pewno wielu studentów uczestniczących w tych zajęciach, teraz fakultatywnych, zechce w przyszłości przyłączyć się do zespołu prof. Lewandowskiego. Już teraz w pracowni trzeba było zwiększyć liczbę stanowisk badawczych, dokupić aparaturę, tak duże jest zainteresowanie prowadzonymi tam badaniami. Na szczęście jest Krzysiek Wilczyński, złota rączka, który udoskonala i sam tworzy nową aparaturę, między innymi do nowego stanowiska badań elektrofizjologicznych in vitro.

Tu właśnie doktorantka Anna Błasiak przygotowuje preparaty do rejestracji zewnątrzkomórkowej aktywności neuronalnej. Ma niełatwe zadanie - przenieść do komory inkubacyjnej wyjęty ze zwierzęcia i schłodzony do niskiej temperatury mózg. To pozwala prowadzić badania na żywym organie. W wypreparowanych fragmentach mózgu zostają umieszczone elektrody. Teraz można podglądać, jak zachowują się poszczególne struktury mózgu stymulowane prądem i różnymi neuroprzekaźnikami. Wszystko rejestruje komputer.

Odkryć tajemnice mózgu

Doktor Tomasz Błasiak bada aktywność neuronalną struktur tworzących elementy zegara biologicznego ssaków. Za pracę doktorską na ten temat otrzymał w roku 2004 Nagrodę Kancelarii Prezesa Rady Ministrów. Ale to nie jedyne jego wyróżnienie. W 1997 roku, jako student, dostał Stypendium Rządu Francuskiego i wyjechał na staż naukowy do Institut des Neurosciences CNRS w Paryżu. Badał tam grupę neuronów, której zawdzięczamy szybkie przetwarzanie informacji. - W momencie zagrożenia neurony pnia mózgu uwalniają neurotransmiter zwany noradrenaliną - tłumaczy dr Błasiak. - Dzięki temu możemy szybko ocenić zagrożenie i właściwie na nie zareagować. Nasz mózg zaczyna działać bardzo selektywnie. Gdy szybko zbliża się do nas samochód, przetwarzamy informacje tylko na temat zagrożenia, nie dostrzegamy koloru świateł, ludzi idących po chodniku. Badałem, w jaki sposób funkcjonują ośrodki kory mózgowej odpowiadające za ocenę sytuacji. Skąd pień mózgu „wie”, że w tym momencie ma zacząć wydzielać noradrenalinę?

Francuzi, zachwyceni badaniami studenta z Polski, przedłużyli mu stypendium. W 2001 roku, jako doktorant, otrzymał nagrodę w Konkursie dla Młodych Pracowników Nauki Polskiego Towarzystwa Badań Układu Nerwowego. W 2003 roku dostał stypendium krajowe dla młodych naukowców, przyznane przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej. Zostało ono przedłużone na kolejny rok.

Funkcjonowaniem mózgu interesował się już w liceum. Jak sam mówi, na szczęście nie dostał się na medycynę i trafił do Instytutu Zoologii UJ. Na pierwszym roku studiów nudził się na zajęciach obowiązkowych. Na drugim - zapisał się na wszystkie zajęcia fakultatywne związane z mózgiem. Chciał zajmować się tym wciąż tak zagadkowym organem. Trafił na kurs prof. Lewandowskiego. W końcu zobaczył, jak bada się żywy mózg. Zaczynał od obserwacji badań innych. Teraz prowadzi własne.

Jesienią dr Błasiak jedzie do Triestu. W tamtejszym laboratorium prawdopodobnie będzie zajmował się badaniem snu. To także mało poznana strona naszego życia. Nie wiadomo jeszcze, dlaczego właściwie śpimy i co się wtedy dzieje w mózgu. Bardzo ciekawe jest to, że gdybyśmy mieli całkowitą swobodę, nie bylibyśmy uzależnieni od żadnych czynników zewnętrznych, spalibyśmy co cztery godziny! Co cztery godziny nasz organizm upominałby się o drzemkę. W takich mniej więcej cyklach sypiają małe dzieci.

Śpij, bo nie urośniesz!

Organizmy żyjące na Ziemi są cykliczne, reagują na powtarzające się regularnie zmiany w przyrodzie: pory roku, okresy deszczowe i suche, cykle miesięczne i dobowe. Właśnie funkcjonowanie ssaków w powiązaniu z tymi ostatnimi - cyklami dobowymi - bada się w Pracowni Neurofizjologii i Chronobiologii. To jedyne tego typu badania w Polsce. Podobnymi zajmują się w Uniwersytecie Medycznym w Łodzi prof. Jerzy Z. Nowak i prof. Jolanta B. Zawilska, ale są to badania biochemiczne.

Naukowcy z UJ obserwują dobowe zmiany aktywności ruchowej gryzoni, wpływ środków farmakologicznych i uszkodzeń struktur mózgowych na tę aktywność. Badają także elementy ośrodkowego układu nerwowego wchodzące w skład mechanizmu zegara biologicznego ssaków. Ten zegar znajduje się w mózgu. Jego swoistym zegarmistrzem, czyli tym, co go reguluje, są powtarzające się regularnie pory doby i związana z tym ilość światła słonecznego, regularność wykonywania pewnych czynności: spożywania posiłków, godziny pracy i odpoczynku. Cykliczność tych czynności sprawia, że nasz organizm o pewnych porach doby wykazuje większą lub mniejszą aktywność. Zdrowy, normalnie funkcjonujący organizm ma w dzień temperaturę około 37 stopni Celsjusza, a w nocy ta temperatura jest niższa i wynosi nawet 36 stopni. Jednocześnie w dzień jest przygotowany do intensywnej pracy, a w nocy nastawia się na odpoczynek. O różnych porach doby inny jest też poziom poszczególnych hormonów. Około dwie godziny przed czasem, o którym zwykle wstajemy, szybko rośnie poziom hormonów wzrostu. Dlatego w słowach rodziców „śpij, bo nie urośniesz”, jest dużo prawdy.

Wbrew pozorom, to nie pory dnia, wyznaczane przez słońce, mają na nas największy wpływ. Nasz wewnętrzny zegar to nie zegar słoneczny.

Niezwykły mechanizm

Z ogólnych badań chronobiologicznych wiemy, jak cyklicznie zmieniają się parametry naszego ciała w ciągu doby, miesiąca i roku. Wiemy już, gdzie w naszych mózgach są generowane te rytmy. Nie wiemy jednak, jakie struktury mózgu biorą udział w ich regulacji. - W naszym laboratorium zajmujemy się tym pokrętłem zegara biologicznego, które jest w stanie przestawić zegar biologiczny, przyspieszyć go, opóźnić - tłumaczy obrazowo dr Błasiak. Zegar można przestawić stymulując pewne obwody mózgu: zmieniając porę posiłków, czas aktywności motorycznej, kontaktów z innymi ludźmi. Tak właśnie przestawiamy swój zegar w czasie dalekich podróży. Ale trzeba uważać - często przestawiany zegar biologiczny zacznie się rozregulowywać!

Zadaniem naukowców z UJ jest określenie neurobiologicznego podłoża regulowania zegara biologicznego. - Trzeba ustalić drogi przechodzenia informacji do zegara biologicznego - opisuje swoją pracę dr Tomasz Błasiak. - Wiemy, jakie struktury w mózgu są aktywne, gdy zwierzę się porusza i podczas badań sztucznie je stymulujemy. Badamy, ile z rytmów naszego organizmu utrzyma się, jeśli będziemy pozbawieni rytmicznej informacji z zewnątrz. Szukamy odpowiedzi na pytanie, jak to się dzieje, że zmiany wywołane w jakimś obszarze mózgu, powodują przesunięcie zegara biologicznego.

Nie u każdego jednak człowieka można dowolnie przestawiać jego naturalny rytm. Niektórzy ludzie nigdy nie zmienią czasu swojej aktywności i nie będą w stanie pracować na nocną zmianę. To także nasz wewnętrzny zegar biologiczny sprawia, że jednym łatwo wstawać skoro świt, inni wolą dłużej posiedzieć wieczorem i rano mają problemy z wczesnym wstawaniem. Prawdopodobnie dzieje się tak dlatego, że rano temperatura u tych pierwszych szybciej wzrasta do poziomu dziennego. Śpiochy potrzebują więcej czasu, by się rozbudzić.

Znaleźć odpowiednią porę

Prace prowadzone w Pracowni Neurofizjologii i Chronobiologii UJ są badaniami podstawowymi. Dopiero po połączeniu z wynikami badań prowadzonych przez innych fizjologów i lekarzy, będzie można je w praktyce zastosować. Wyniki eksperymentów neurofizjologów są już częściowo wykorzystywane w medycynie. Lekarze wiedzą, że pewne leki lepiej działają o określonych porach dnia (inaczej mówiąc - o określonych godzinach wskazywanych przez nasz wewnętrzny zegar). Ten sam lek podany rano może mieć inny wpływ na organizm niż kiedy podamy go wieczorem. Raz może pomóc, o innej porze nawet zaszkodzić.

Co ciekawe, nie tylko organizmy ludzi, zwierząt i roślin są rytmiczne. Również komórki nowotworowe funkcjonują w sposób cykliczny. Badania trwają i może uda się je wykorzystać do walki z nowotworem. Chemioterapeutyki, jak inne leki, mogą być bardziej szkodliwe dla zdrowych i chorych komórek o określonych porach dnia. Załóżmy, że rano organizm ludzki jest bardziej podatny na szkodliwe działanie chemioterapii, a nowotwór mocniej reaguje wieczorem. Wtedy lepiej leki podawać pod koniec dnia, gdy organizm człowieka nie jest tak wrażliwy na ich niszczące działanie. Jeśli o jednakowych porach dnia i człowiek, i nowotwór reagują tak samo, to może uda się przestawić jeden z zegarów, tak by wskazywały inne pory dnia? Wtedy silne leki podawano by, gdy niszczą one komórki nowotworowe, a nie szkodzą tak bardzo zdrowym. Dlatego znajomość mechanizmów regulowania zegara biologicznego jest tak ważna.