SiNAPSA, ponedeljek, 11. december 2023

eSiNAPSA

Spletna revija za znanstvenike, strokovnjake
in nevroznanstvene navdušence

Morske živali kot navdih za nevroznanstvenike: morski konjiček, morski zajček in klobučnjak

Tina Bregant

Nekaj najpomembnejših odkritij v nevroznanosti je povezanih z morjem in morskimi živalmi. Ker se bliža poletje, ko tudi nevroznanstveniki radi odidemo na morje, v prispevku predstavljamo tri morske živali, ki jih srečamo tudi v Jadranskem morju in so odigrale pomembno vlogo v zgodovini nevroznanosti.

Morski konjiček

Morske konjičke, (latinsko rod Hippocampus), ribe iz razreda žarkoplavutaric (razred Actinopterygii), verjetno poznamo vsi, vendar pa smo jih le redki videli tudi v njihovem naravnem okolju. Z zavitim repom, glavo, ki spominja na konjsko, živahnimi očmi in barvo telesa, ki se kameleonsko zliva z okolico, pokončno plavajo mimo nas ali pa se ovijajo okoli rastlin v morju (Slika 1). Znanih je več kot 45 vrst. Nekatere so drobne kot fižolček, druge velike za manjšo podlakt. Čeprav smo že vsi slišali zanje, pa v povprečju o njih ne vemo prav veliko.

Izstopajo zaradi pokončnega načina plavanja, pri čemer si pomagajo s hrbtno plavutko, medtem ko krmarijo in vzdržujejo stabilnost s prsno plavutko 1. Nimajo lusk. Hranijo se ves čas, čeprav nimajo niti zob, niti želodca. Imajo pa zanimiv, dolg in dobro gibljiv rep, ki ga uporabljajo podobno kot ljudje roke. Njihovi paritveni obredi so atraktivni, tako zaradi barvnih sprememb kot koreografije dvorjenja. Vse vrste morskih konjičkov so uvrščene na rdeči seznam IUCN ogroženih vrst 2.

Slika 1
Slika 1: Morski konjiček (Hippocampus guttulatus). Vir: Bregant T.

Najdemo jih v obalnih morjih vseh celin, razen Antarktike, pa tudi v rečnih ustjih npr. reke Temze, na območjih mangrov, v rastiščih morske trave, na koralnih grebenih in tudi v našem Jadranskem morju. Najbolj pogosto so nehotene žrtve ribolova z vlečnimi mrežami. V Aziji jih lovijo za namene uporabe v tradicionalni kitajski medicini ali kot okraske.

V tradicionalni kitajski medicini menijo, da lahko morski konjički zdravijo neplodnost, plešavost, astmo in artritis 3. Raziskave so pokazale, da telo morskega konjička vsebuje različne ftalate, ki delujejo podobno kot katepsin B, ki vpliva na blažji potek artritisa. Katepsin iz vrste morskega konjička Hippocampus kuda se je izkazal za učinkovitega pri blaženju vnetnih procesov v hondrocitih, kar do neke mere potrjuje izkustveno zdravljenje artritisa 4. Poleg tega nekateri od peptidov, ki so jih izolirali iz pripravkov morskega konjička, delujejo kot lovilci prostih radikalov, kar upočasnjuje procese staranja 3.

Velja opozoriti, da raziskave na ogroženih živalskih vrstah, kot je morski konjiček, sledijo smernicam, ki ohranjajo biotsko raznovrstnost in so v skladu z zapisanimi mednarodnimi smernicami 5.

Ime morskega konjička – »hippocampus«

Ime te čudovite živali, »hippocampus«, izvira iz starogrške besede »hippókampos« (grško: ἱππόκαμπος), kjer »híppos« (grško: ἵππος) pomeni »konj« in »kámpos« (grško: κάμπος) pomeni »morska pošast« ali »morska žival«. V možganih imamo vretenčarji parno strukturo, ki na prerezu spominja na rep morskega konjička 6. Imenujemo jo »hipokampus«. Ta parna struktura v globini možganov je del skorje velikih možganov (Slika 2). Je del senčnega režnja, ki je na prekatni strani prekrit s plastjo bele možganovine. Tvori pomemben del limbičnega sistema, ki je vpet v pomnjenje in tudi čustvovanje. Ima pomembno vlogo pri utrjevanju informacij iz kratkoročnega v dolgoročni spomin ter pri prostorskem spominu, ki omogoča navigacijo. Zato poljudno večkrat opisujemo hipokampus kot »spominski center«.

Eden najbolj znanih nevroloških bolnikov, Henry Gustav Molaison, bolj poznan kot pacient H.M., je kot otrok ob padcu utrpel poškodbo glave, po kateri je prišlo do kronične epilepsije 7. Kirurško so mu odstranili oba hipokampusa v postopku obojestranske medialne temporalne lobektomije. Postopek je znatno zmanjšal število epileptičnih napadov, vendar pa od takrat dalje Henry ni mogel več tvoriti novih spominov. Trpel je za anterogradno, deloma pa tudi retrogradno amnezijo, kar je dodatno potrdilo ugotovitve, da je hipokampus ključna struktura za tvorbo spominov. H.M. je z deljenjem svoje življenjske zgodbe in pripravljenostjo na sodelovanje z znanstveniki pomembno pripomogel k razumevanju delovanja možganov, za kar smo mu lahko hvaležni.

Slika 2
Slika 2: Shematski prikaz položaja hipokampusa v možganih. Je parna struktura v globini možganov (sagitalni prerez). Je del senčnega režnja, na prekatni strani prekrit s plastjo bele možganovine. Tvori pomemben del limbičnega sistema. Vir: Bregant T.

Morski zajček

Ob potapljanju v Jadranskem morju lahko opazimo morskega zajčka ali velikega rjavega polža (latinsko Aplysia fasciata, rod Aplysia), ki se elegantno, s svojimi krilci – parapodiji, pase na morskih algah ali travi. Če smo preveč vsiljivi, nas poškropi z vijolično barvo, ki jo bomo težko sprali s svojih preveč napadalnih rok. Barvilo ni strupeno, čeprav ga je Darwin opisal kot »ostro pekoče« 8. Barvilo je trdovratno, od tod naj bi tudi izviralo ime »Aplysia«, iz latinščine, kjer pomeni »abluo« – ne morem izprati/očistiti. Morskega zajčka je prvič opisal že Plinij v svoji knjigi »Historia Naturalis« v prvem stoletju.

Navadni morski zajček (Aplysia dactylomela) spada med nevretenčarje – mehkužce, v veliko skupino morskih polžev ali »morskih zajčkov«, družina Aplysiidae. Kalifornijski morski zajček (Aplysia californica) (Slika 3) je s svojo na videz preprosto nevroanatomijo in zmožnostjo klasičnega in operantnega kondicioniranja (dva zelo preprosta načina učenja) ponudil nevroznanosti uvid v delovanje spomina, Ericu Kandelu pa leta 2000 Nobelovo nagrado za fiziologijo-medicino 9.

Slika 3
Slika 3: Kalifornijski morski zajček (Aplysia californica) (Vir: splet - slika je prosto dostopna na https://www.dnazoo.org/assemblies/Aplysia_californica).

V šestdesetih letih prejšnjega stoletja sta James Schwartz in Eric Kandel želela proučiti biokemično in nevroanatomsko osnovo učenja in spomina. Zakaj sta si nevroznanstvenika izbrala za proučevanje to nenavadno, a po drugi strani izjemno zanimivo žival? Deloma zato, ker imajo nekateri polži iz rodu Aplysia največje živčne celice na svetu. Te so tako velike, da jih lahko vidimo brez mikroskopa. Nevroni morskega zajčka so orjaški, najverjetneje zaradi poliploidije. Poliploidija je stanje z dodatnim, celotnim naborom kromosomov celičnemu jedru. Pri ljudeh so človeške celice praviloma diploidne (2n), vendar pa je v somatskih celicah, kot so npr. hepatociti, nekaj celic lahko poliploidnih (tetraploidnih – 4n ali oktaploidnih – 8n). Pri morskem zajčku so nevroni največje poliploidne somatske celice, saj vsebujejo do 600.000 kopij haploidnega genoma 10. Druga prednost dela s temi morskimi polži pa je, da imajo dokaj omejeno število živčnih celic, skupaj le okoli 10.000, v primerjavi s približno 100 milijardami pri ljudeh. Te živčne celice so porazdeljene v samo 9 grozdih nevronov – ganglijih.

Preboj pri proučevanju spomina se je zgodil v 70. letih 20. stoletja, ko so ugotovili, da se ciklični adenozin monofosfat (cAMP) in serotonin sintetizirata v ganglijih morskega zajčka med procesom tvorbe kratkoročnega spomina 10. Proteinska kinaza (PKA), ki ima regulativni učinek na kalijeve kanalčke, ki vplivajo na vkodirano/priučeno vedenje in tvorbo spomina, pa je odvisna od cAMP, kar je dodatno okrepilo vlogo morskega zajčka kot preiskovanca. Do leta 1980 so Kandel in sodelavci ugotovili, da je sinteza beljakovin osnova za kodiranje dolgoročnega spomina. Sinteza C-reaktivnega elementa (CREB) in njen vpliv na tvorbo sinaptičnih povezav pa sta pomagala dokazati, da je kratkoročni spomin povezan s funkcionalnimi spremembami v obstoječih sinapsah, medtem ko je dolgoročni spomin povezan s spremembo gostote sinaps 10 11.

Klobučnjak

Klobučnjaki (latinsko Scyphozoa) so razred morskih ožigalkarjev (deblo Cnidaria), v katerega uvrščamo približno 200 danes znanih vrst. Za njihov življenjski krog je značilna menjava življenjskih oblik polipa in meduze, pri čemer obiskovalci morja po navadi opazimo meduze (Slika 4). Njihov taksonomski položaj in evolucijska starost nakazujeta, da so meduze podobne nekaterim najzgodnejšim aktivno plavajočim živalim z nevroni 12. Klobučnjaki-meduze imajo namreč v svojih lovkah živce, ki lahko zaznajo dotik, temperaturo in slanost. Odvisni so od samodejnih refleksov kot odgovorov na dražljaje. Zaradi relativne preprostosti živčnega sistema zato včasih slišimo, da nimajo »možganov«.

Možgane lahko opišemo kot skupek nevronov, ki tvorijo specializirane strukture, ki omogočajo kompleksno obdelavo npr. vidnih informacij, tvorbo spominov, govor. Eden od načinov, kako poskušamo razumeti, česa so možgani sposobni, je, da jih primerjamo z možgani drugih živalskih vrst. Ko se sprašujemo, kakšne strukture so prisotne v možganih drugih živalskih vrst ali kakšno vedênje omogočajo, se nam lahko zazdi skoraj neverjetno, da obstajajo živali, ki nimajo možganov.

Vendar obstaja veliko živalskih vrst, ki jih najdemo v morju, vključno z anemonami, koralami, morskimi ježki, kumarami in meduzami, ki imajo sicer živčno mrežo, nimajo pa ničesar, kar bi bilo podobno možganom. Toda očitno je to povsem dovolj za asociativno učenje. Njihovo plavanje, ki zahteva usklajeno delovanje nevronskih mrež, lahko občudujemo tudi v Jadranskem morju.

Slika 4
Slika 4: Klobučnjak. Vir: Bregant T..
    ___
  1. Spletna stran The Seahorse Trust. Dostopno na: https://www.theseahorsetrust.org/seahorse-facts/ (5.5.2023) 

  2. Spletna stran The IUCN - International Union for Conservation of Nature’s Red List of Threatened Species. Dostopno na: https://www.iucnredlist.org/ (5.5.2023) 

  3. Kumaravel K, Ravichandran S, Balasubramanian T, Sonneschein L. Seahorses - a source of traditional medicine. Nat Prod Res 2012.26(24):2330-2334. 

  4. Yong L, Zhong-Ji Q, Se-Kwon K. Cathepsin B inhibitory activities of three new phthalate derivatives isolated from seahorse, Hippocampus Kuda Bleeler. Bioorg & Med Chemistry Letters 2008.18(23):6130-6134. Dostopno na: https://doi.org/10.1016/j.bmcl.2008.10.016. (5.5.2023) 

  5. IUCN Council. IUCN Policy Statement on Research Involving Species at Risk of Extinction. 27th Meeting of IUCN Council, Gland Switzerland, 14.6. 1989. Dostopno na: https://portals.iucn.org/library/efiles/documents/PP-003-En.pdf (5.5.2023) 

  6. Anderson P, Morris R, Amaral, Bliss T, O’Keefe J. The hippocampal formation. V: Anderson P, Morris R, Amaral, Bliss T, O’Keefe J (Eds.). The hippocampus book (first ed.). New York: Oxford University Press 2007. Str. 3. 

  7. Squire LR. The legacy of patient H.M. for neuroscience. Neuron 2009.61(1):6-9. 

  8. Moroz LL. Aplysia. Current biology 2010.21(2):R60-R61. Dostopno na: https://doi.org/10.1016/j.cub.2010.11.028 (5.5.2023) 

  9. Spletna stran Nobel prize. Dostopno na: https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2000/kandel/cv/ (5.5.2023) 

  10. Kandel ER. The molecular biology of memory storage: a dialogue between genes and synapses. Science 2001.294: 1030-1038. 

  11. Linden D. How psychotherapy changes the brain – the contribution of functional neuroimaging Mol Psychiatry 2006.11: 528–5 38. 

  12. Moroz LL, Kohn AB. Independent origins of neurons and synapses: insights from ctenophores. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences 2016.371: 20150041. Dostopno na doi: 10.1098/rstb.2015.0041(5.5.2023) 

Doc. dr. Tina Bregant,
dr. med., spec. pediatrije, spec. fizikalne in rehabilitacijske medicine
CIRIUS Kamnik