Niedawne badania identyfikują 16 typów ludzkich komórek nerwowych, ujawniając złożone reakcje sensoryczne i podważając tradycyjne poglądy na temat specyficzności nerwów.
W nowym badaniu opublikowanym w Neuronauka przyrodniczanaukowcy zidentyfikowali 16 różnych typów komórek nerwowych związanych z ludzkim zmysłem dotyku. Badania przeprowadzone przez Uniwersytet w Linköping, Karolinska Institutet i the Uniwersytet Pensylwaniinie tylko podważa tradycyjny pogląd, że określone komórki nerwowe są odpowiedzialne za określone odczucia, takie jak ból czy temperatura, ale także ujawnia znaczące podobieństwa i różnice między ludźmi, myszami i makakami.
„Nasze badanie zapewnia krajobrazowy obraz ludzkiego zmysłu dotyku. W kolejnym kroku chcemy wykonać portrety różnych typów komórek nerwowych, które zidentyfikowaliśmy” – mówi Håkan Olausson, profesor na Uniwersytecie w Linköping.
Kwestionowanie ustalonych koncepcji wrażeń
Ludzie odbierają dotyk, temperaturę i ból poprzez system czucia somatycznego. Powszechnie uważa się, że różne typy komórek nerwowych odpowiadają konkretnym odczuciom, takim jak ból, przyjemny dotyk czy zimno. Jednak wyniki obecnego badania podważają tę tezę i pokazują, że doznania cielesne są prawdopodobnie znacznie bardziej skomplikowane.
Nasza obecna wiedza na temat układu nerwowego opiera się w dużej mierze na badaniach na zwierzętach. Ale jak duże są podobieństwa między na przykład myszą a człowiekiem? Wiele wyników badań na zwierzętach nie zostało potwierdzonych w badaniach na ludziach. Jednym z powodów może być niewystarczająca wiedza na temat jego działania u ludzi. Dlatego też badacze odpowiedzialni za obecne badanie chcieli stworzyć szczegółowy atlas różnych typów komórek nerwowych biorących udział w odczuwaniu somatoserii u człowieka i porównać je z komórkami myszy i makaków, naczelnych gatunek.
Postępy w klasyfikacji komórek nerwowych
W badaniu grupa badawcza z Uniwersytetu w Pensylwanii, kierowana przez profesora nadzwyczajnego Wenqina Luo, przeprowadziła szczegółowe analizy genów wykorzystywanych przez poszczególne komórki nerwowe, tzw. RNA sekwencjonowanie. Komórki nerwowe o podobnych profilach ekspresji genów zgrupowano razem jako jeden typ komórek nerwu czuciowego. W ten sposób zidentyfikowali 16 różnych typów komórek nerwowych u człowieka. W miarę analizowania większej liczby komórek naukowcy prawdopodobnie odkryją jeszcze bardziej odrębne typy komórek nerwów czuciowych.
Analizy ekspresji genów komórek nerwowych dają obraz tego, jak wygląda mechanizm komórkowy w różnych typach komórek. Następne pytanie dotyczyło związku tego z funkcją komórek nerwowych. Jeśli komórka nerwowa wytwarza białko zdolne do wykrywania ciepła, czy oznacza to, że komórka nerwowa reaguje na ciepło?
Łączenie ekspresji genów z funkcją
Badanie to jako pierwsze powiązało ekspresję genów w różnych typach komórek nerwowych z ich rzeczywistą funkcją. Aby zbadać funkcję komórek nerwowych, grupa badawcza z Uniwersytetu w Linköping, kierowana przez Saada Nagi i Håkana Olaussona, zastosowała metodę, która umożliwia badaczom słuchanie sygnalizacji nerwowej w jednej komórce nerwowej na raz. Korzystając z tej metody, zwanej mikroneurografią, badacze mogą poddawać komórki nerwowe skóry nieprzytomnych uczestników działaniu temperatury, dotyku lub określonych substancji chemicznych, a następnie „podsłuchiwać” poszczególne komórki nerwowe, aby określić, czy ta konkretna komórka nerwowa reaguje i wysyła sygnały do mózg.
Podczas tych eksperymentów naukowcy dokonali odkryć, które nie byłyby możliwe, gdyby mapowanie maszynerii komórkowej różnych typów komórek nerwowych nie dało im nowych pomysłów do przetestowania. Jedno z takich odkryć dotyczy rodzaju komórek nerwowych, które reagują na przyjemny dotyk. Naukowcy odkryli, że ten typ komórek nieoczekiwanie reaguje również na ogrzewanie i kapsaicynę, substancję nadającą chili ciepło. Reakcja na kapsaicynę jest typowa dla komórek nerwowych wyczuwających ból, dlatego badaczy zaskoczyło, że komórki nerwowe wyczuwające dotyk zareagowały na taką stymulację. Co więcej, ten typ komórek nerwowych również reagował na chłodzenie, mimo że nie wytwarza jedynego białka, o którym wiadomo, że sygnalizuje percepcję zimna. Odkrycia tego nie można wytłumaczyć wiedzą na temat maszynerii komórkowej, lecz sugeruje ono, że istnieje inny mechanizm wykrywania zimna, który nie został jeszcze odkryty. Autorzy spekulują, że te komórki nerwowe tworzą zintegrowaną ścieżkę sensoryczną zapewniającą przyjemne doznania.
„Przez dziesięć lat słuchaliśmy sygnałów nerwowych tych komórek nerwowych, ale nie mieliśmy pojęcia o ich właściwościach molekularnych. W tym badaniu widzimy, jakiego rodzaju białka wyrażają te komórki nerwowe, a także na jaki rodzaj stymulacji mogą odpowiedzieć, a teraz możemy to powiązać. To ogromny krok naprzód” – mówi Håkan Olausson.
Zaskakujące odkrycia dotyczące reakcji nerwów
Innym przykładem jest rodzaj bardzo szybko przewodzących komórek nerwowych wyczuwających ból, które, jak stwierdzono, reagują na bezbolesne ochłodzenie i mentol.
„Panuje powszechne przekonanie, że komórki nerwowe są bardzo specyficzne – jeden typ komórek nerwowych wykrywa zimno, inny wyczuwa określoną częstotliwość wibracji, a trzeci reaguje na nacisk i tak dalej. Często mówi się o tym w tych kategoriach. Widzimy jednak, że jest to o wiele bardziej skomplikowane” – mówi Saad Nagi, profesor nadzwyczajny na Uniwersytecie w Linköping.
Analiza porównawcza różnych gatunków
A co z porównaniem myszy, makaków i ludzi? Jak bardzo jesteśmy podobni? Wiele z 16 typów komórek nerwowych zidentyfikowanych przez naukowców w badaniu jest mniej więcej podobnych u obu gatunków. Największą różnicą, którą odkryli naukowcy, było bardzo szybkie przewodzenie komórek nerwowych wyczuwających ból, które reagują na stymulację mogącą spowodować obrażenia. Zostały one po raz pierwszy odkryte u ludzi w 2019 roku przez tę samą grupę w Linköping przy użyciu mikroneurografii. W porównaniu do myszy ludzie mają znacznie więcej komórek nerwowych odpowiedzialnych za ból, które z dużą szybkością wysyłają sygnały bólowe do mózgu. Dlaczego tak się dzieje, badanie nie potrafi odpowiedzieć, ale badacze mają teorię:
„Fakt, że ból jest sygnalizowany ze znacznie większą szybkością u ludzi w porównaniu z myszami, jest prawdopodobnie po prostu odzwierciedleniem wielkości ciała. Mysz nie potrzebuje tak szybkiej sygnalizacji nerwowej. Jednak u ludzi odległości są większe i sygnały muszą być przesyłane do mózgu szybciej; w przeciwnym razie doznałbyś kontuzji, zanim w ogóle zareagujesz i wycofasz się” – mówi Håkan Olausson.
Odniesienie: „Wykorzystanie głębokiego sekwencjonowania RNA pojedynczej somy do badania neuronalnych podstaw ludzkiej somatosensacji” autorstwa Huasheng Yu, Saad S. Nagi, Dmitry Usoskin, Yizhou Hu, Jussi Kupari, Otmane Bouchatta, Hanying Yan, Suna Li Cranfill, Mayank Gautam, Yijing Su, You Lu, James Wymer, Max Glanz, Phillip Albrecht, Hongjun Song, Guo-Li Ming, Stephen Prouty, John Seykora, Hao Wu, Minghong Ma, Andrew Marshall, Frank L. Rice, Mingyao Li, Håkan Olausson, Patrik Ernfors i Wenqin Luo, 4 listopada 2024 r., Neuronauka przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41593-024-01794-1
Badanie jest wynikiem współpracy grupy badawczej Patrika Ernforsa w Karolinska Institutet, grupy badawczej Wenqina Luo na Uniwersytecie Pensylwanii oraz grupy badawczej Håkana Olaussona i Saada Nagi na Uniwersytecie Linköping. Wsparcie finansowe badania zapewniła firma Narodowe Instytuty ZdrowiaSzwedzka Rada ds. Badań Naukowych, Region Grantów ALF Östergötland oraz Fundacja Knuta i Alice Wallenbergów.
