Synapsy sir Johna Ecclesa

Ten znakomity neurofizjolog i bardzo bliski współpracownik Sir Scotta Sherringtona przeżył niemal cały XX wiek (1903-1997). Zanim oddał się filozoficznym rozmyślaniom, zajmował się badaniem fizjologii układu nerwowego.

Swoją karierę Eccles rozpoczął do studiów medycznych w rodzinnym Melbourne. Zaraz po ukończeniu medycyny wyjechał na doktorat do Oxfordu, który obronił w 1929 r. pod opieką Scherringtona. Opiekun miał na niego duży wpływ. To, co wcześniej postulował Sherrington, później potwierdził m.in. właśnie Eccles. Z tą jednak różnicą, że uczeń zszedł na poziom molekularny, a nauczyciel musiał pozostać na behawioralnym. Niemniej, nie była to kwestia wyboru Sir Scotta. W czasach, gdy ten prowadził swoje pionierskie prace, nie było jeszcze mikroelektrod pozwalających na badanie aktywności pojedynczych neuronów.

Eccles podczas swoich badań w oxfordzkich laboratoriach skupił się na transmisji synaptycznej. Zarówno w ośrodkowym układzie nerwowym, jak i obwodowym, w szczególności zwojach współczulnych, mięśniach gładkich i mięśniu sercowym. Za zwierzęta modelowe posłużyły mu żaby i koty. Także po powrocie do Australii (1937) zajmował się neurofizjologią synaps pobudzających i hamujących.
W ówczesnym środowisku neurofizjologów utrzymywało się pewne – nomen omen – napięcie, dotyczące sposobu transmisji sygnału w synapsach: drogą chemiczną oraz elektryczną.

Eccles należał do zwolenników teorii chemicznej transmisji synaptycznej odkrytej przez Sir Henrego Halletta Dale’a i Otto Loewiego (1920). Obaj naukowcy otrzymali nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny w 1936 roku. Eccles opowiedział się po stronie większości, oczywiście tej synaptycznej – synaps chemicznych jest w naszym układzie nerwowym zdecydowanie więcej niż elektrycznych. Australijskiego naukowca najbardziej interesowały podstawy jonowego mechanizmu potencjałów postsynaptycznych.

Neurony komunikują się ze sobą na dwa sposoby: chemicznie – poprzez neuroprzekaźniki – i elektrycznie. Ma to przełożenie na szybkość i kierunek przewodzenia impulsu. Aby impuls mógł przemieścić się do kolejnego neuronu, potrzeba całego szeregu precyzyjnych zdarzeń. Od syntezy neuroprzekaźników począwszy, poprzez transport jonów do wnętrza neuronu, kończąc na potencjale spoczynkowym. Przypomina to trochę chaos miejskiej komunikacji.

W większych miastach mamy do wyboru przynajmniej dwa rodzaje transportu – autobusy lub tramwaje.  W godzinach szczytu wybór właściwego środka komunikacji może decydować o naszym punktualnym dotarciu na wyznaczone spotkanie. Jednak planując drogę do punktu docelowego, musimy wziąć pod uwagę ogromną siatkę połączeń oraz możliwości przesiadania się do innych środków komunikacji. Neurony tworzą podobną siatkę połączeń synaptycznych.
Wyobraźmy sobie synapsy elektryczne jako tramwaje, a chemiczne – jako autobusy. Przystanki autobusowe i tramwajowe są zakończeniami aksonalnymi na neuronach, a droga z jednego przystanku do drugiego – szczeliną synaptyczną.  Przystanek, na którym wsiadamy, jest czymś na kształt neuronu presynaptycznego, a ten na którym wysiadamy – postsynaptycznego.

Autobusy jeżdżą wolniej, jednak jest ich więcej niż tramwajów i nie potrzebują specjalnej, elektrycznej trakcji. Podobnie jak z działaniem synaps chemicznych: są wolniejsze, ale posiadają ogromną flotę neuroprzekaźników. Tramwaje są szybsze niż autobusy, nie mogą poruszać się poza trakcją i, przynajmniej w teorii, mogłyby szybko zmienić kierunek jazdy na przeciwny. Podobnie wygląda to w synapsach elektrycznych, gdyż zapewniają szybki transport, w obu kierunkach oraz rzadko się zdarza, aby dochodziło do zniekształceń sygnału (choć dzisiaj wiemy, że chemiczne synapsy w pewnych sytuacjach pozwalają na szybki transport – nie komplikujmy jednak naszej prostej metafory).

Co się stanie kiedy trzeba będzie się przesiąść do następnego środka komunikacji? Są dwie możliwości: albo od razu przyjedzie autobus, albo trzeba będzie czekać na następny. Opuszczając poziom metafory: potencjały postsynaptyczne mogą mieć dwojaki charakter. Pobudzający, kiedy błona jest lokalnie zdepolaryzowana – postsynaptyczny potencjał pobudzający (EPSP). Hamujący, kiedy błona ulega hiperpolaryzacji – postsynaptyczny potencjał hamujący (IPSP). Jak zmierzyć czy dany potencjał będzie pobudzający czy hamujący?

Właśnie zagadanie pobudliwości i hamowania stało się jednym z najważniejszych odkryć John C. Eccles’a i jego współpracowników. Po raz pierwszy Eccles, Brock i Coombs zarejestrowali aktywność neuronu wywołaną stymulacją elektryczną w 1951 roku. Dokonali tego z mikroskopijnie-chirurgiczną precyzją. Wprowadzili mikroelektrodę do wnętrza neuronu, aby zmierzyć zmiany potencjału błonowego. Aby zweryfikować behawioralny eksperyment Sherringtona z sumowaniem czasowym, potrzebowali podłączyć elektrody stymulujące do kilku aksonów i wnętrza neuronu. Sherrington do stymulowania wykorzystał szybkie bodźce bólowe, kłując psa w łapę. Eccles w wyniku krótkiej stymulacji zaobserwował niewielką depolaryzację w błonie neuronu postsynaptycznego. Był to właśnie postsynaptyczny potencjał pobudzający. Kilka szybkich sygnałów (EPSP) jest w stanie dodać się do siebie i przekroczyć próg pobudliwości neuronu, zwiększając prawdopodobieństwo wystąpienia potencjału czynnościowego. Oczywiście takie prawdopodobieństwo może zostać obniżone, kiedy oprócz (EPSP) dojedzie do hamującego potencjału postsynaptycznego (IPSP). Zmiany związane z (EPSP) na błonie neuronów powodują otwarcie się kanałów przepuszczalnych dla jonów sodu. Z kolei w czasie (IPSP) otwierają się kanały potasowe i chlorkowe. To właśnie od ilości konkurujących ze sobą potencjałów oraz napływających i wypływających jonów zależy, czy zaistnieje potencjał czynnościowy i sygnał zostanie przekazany dalej. Transport określonych jonów przez błonę neuronu, a w niej przez specjalne „drzwi”, jest znacznie „mniej kulturalny”, niż w przypadku ludzi wsiadających i wysiadających z autobusu czy tramwaju w drodze do pracy. Takie „drzwi” przepuszczają tylko niektóre jony, a kiedy jedne wpływają, inne muszą opuścić wnętrze neuronu. Te wszystkie jonowe zależności sprowadzają się w zasadzie do dwóch reakcji – którymi najbardziej interesował się Eccles – hamowania i pobudzania.

Badania Ecclesa rzuciły nowe światło na eksperyment Sherringtona. Wyznaczyły nowe kierunki badań molekularnych nad neuroprzekaźnikami. Pozwoliły na zrozumienie całej skomplikowanej kaskady zdarzeń występujących, zanim impuls z jednego neuronu, poprzez szczelinę synaptyczną, zostanie przekazany do kolejnej komórki nerwowej. Dokonanie takich odkryć zostało sowicie nagrodzone przez Komitet Noblowski w 1963 roku. Po otrzymaniu nagrody Eccles wciąż prowadził badania w swoim laboratorium w Australii i Stanach Zjednoczonych. Do rejestracji pojedynczych neuronów wykorzystywał mikroskop elektronowy pozwalający na obserwację nie tylko szczeliny synaptycznej, ale też pęcherzyków synaptycznych wypełnionych neurotransmiterami. Powstawały kolejne publikacje z naukowcami z całego świata. Został doceniony przez największe gremia naukowe licznymi nagrodami i tytułami honorowymi.

Neurofizjologia nie była jedyną pasją Ecclesa. Podobnie jak Cajal i Sherrington, interesował się filozofią. Właśnie z tego punktu widzenia, większość neurobiologicznych luminarzy tamtych czasów miała dość dualistyczne podejście do kwestii problemu mózg-umysł. Jednak dualizm Ecclesa był czymś znacznie więcej. Otóż w swojej książce „Evolution of the Brain, Creation of the Self,” dość jednoznacznie przedstawia swoje stanowisko:

„Stwierdzam, że tajemnica człowieka jest niewiarygodnie pomniejszona przez naukowy redukcjonizm z jego roszczeniem obiecującego materializmu, który miałby wytłumaczyć istnienie całego duchowego świata w kategoriach wzorców aktywności neuronów. Tego rodzaju wiara powinna być traktowana jako przesąd. Musimy uznać, że jesteśmy istotami duchowymi z duszami istniejącymi w duchowym świecie i równocześnie istotami materialnymi z ciałami istniejącymi w materialnym świecie”.

A w kwestii duszy i materializmu zauważa:

„Skoro materialistyczna koncepcja nie jest w stanie wyjaśnić i uzasadnić doświadczenia naszej niepowtarzalności, jestem zmuszony przyjąć nadprzyrodzone stworzenie niepowtarzalnego, duchowego, osobowego ja, czyli duszy. Wyjaśniając w terminach teologicznych: każda Dusza jest nowym Bożym stworzeniem wszczepionym w ludzki zarodek”.

W swoich późniejszych rozważaniach dochodzi do wniosku, że nasze osobowe ja, czyli niematerialny umysł, działa poprzez materialny mózg. Takie stanowisko nosi nazwę dualizmu interakcjonistycznego, które ma po dziś dzień swoich zwolenników i przeciwników. Niestety trudno jest wskazać granice, kiedy to, co niematerialne, przechodzi w materialne. I choć problem mózg-umysł trudno jest jednoznacznie rozstrzygnąć, to chyba zawsze będzie fascynował ludzkość – nie tylko neurobiologów i filozofów.