Bogdan Sadowski Biologiczne mechanizmy zachowania Spis treści m •'• „• 'l Cl ' "I,-'' Przedmowa ........................................ 19 1. Zachowanie jako przedmiot badań................ 21 Pojęcie i terminologia zachowania......................... 21 Poglądy na czynność mózgu ............................. 22 Zagadnienie relacji psychika - mózg...................... 22 Behawioryzm .................................. 23 •*'•' Redukcjonizm i kompozycjonizm ....................... 24 Poglądy na lokalizację czynności w mózgu..................... 26 Nauki badające zachowanie ................. ........... 27 Rozwój poglądów na interpretację zachowania ................ 27 ' Etologia i ekologia behawioralna........................ 28 r Neurobiologia .................................. 28 Metody badania czynności mózgu.......................... 30 Eksperyment ostry i chroniczny. Bioetyka eksperymentowania na zwierzętach 30 Stereotaksja ................................... 31 ',',•' Pobudzanie ośrodków mózgowych ........................ 31 Wyłączanie czynności ośrodków mózgowych ................. 32 d. Badanie aktywności ośrodków mózgowych metodą radioaktywnej 2-deoksy- f>, glukozy ..................................... 33 -•, • • Metody genetyczne stosowane w badaniach zachowania ........... 34 ,-.:• Wykorzystanie zjawisk bioelektrycznych do badania czynności układu ner- ;\:t wowego ..................................... 34 ?,;-; Badanie czynności neuronów (34). Elektroencefalografia (35). Potencjały ii;.; wywołane (36) ?>; Badanie czynności mózgu u ludzi ....................... 37 'i1. Metody wizualizacji struktur mózgowych ................... 37 {> Tomografia komputerowa (37). Rezonans magnetyczny (38). Emisyjna tomo- grafia pozytonowa (38) •-...,•• .ii . Perspektywy dalszych badań............................. 39 S 2. Dynamiczna struktura organizmów żywych. Dziedziczenie cech ............................. 41 Kodowanie struktury białek ............................. 41 Rola kwasów nukleinowych w kodowaniu informacji genetycznej ...... 43 Powstawanie kopii cząsteczek DNA ...................... 45 Przebieg syntezy białek w komórce ...................... 45 Transkrypcja (46). Translacja (48) Ekspresja genu ................................. 50 Dziedziczenie cech .................................. 51 Struktura i funkcja chromosornów ....................... 52 Podziały komórek ................................ 53 Mitoza (53). Mejoza (54) Prawa Mendla .................................. 55 Poligenia, plejotropia. Cechy jakościowe i ilościowe ............. 57 Pojęcie gatunku i populacji ............................. 57 Pula genowa populacji i jej zmiany ...................... 58 Mutacje (58). Rekombinacja genów (59). Równowaga genowa populacji. Teorem (prawo) Hardy'ego i Weinberga (60) Zagadnienie inbredu i outbredu......................... 60 Dobór naturalny (selekcja naturalna) ........................ 61 Doskonalenie populacji drogą selekcji naturalnej ............... 61 Specjacja ..................................... 62 Metody genetyczne w badaniach fizjologicznych.................. 63 Szczepy inbredowe i rekombinacyjne ...................... 63 Selekcja na wybraną cechę fenotypową .................... 64 Zwierzęta transgeniczne ............................. 65 Oligonukleotydy antysensowne ......................... 66 3. Rozwój i budowa układu nerwowego .............. 67 :• Rozwój układu nerwowego ............................. 67 Rozwój filogenetyczny (rodowy) układu nerwowego ............. 68 ; Układ nerwowy pragębowców (68). Układ nerwowy wtórnogębowców (70) H Rozwój ontogenetyczny (osobniczy) układu nerwowego ........... 71 : Rozwój mikrostruktury układu nerwowego .................. 74 ;;? Migracja neuronów i wzrost aksonów (74). Współzawodnictwo neuronów. ! " Czynniki neurotroficzne (75). Dojrzewanie funkcjonalne neuronów i synaps (77). Fizjologiczna śmierć neuronów (78) •• i • Budowa mikroskopowa układu nerwowego ......... .;........... 78 Komórki nerwowe................................ 78 Glej ....................................... 80 "i Włókna i osłonki nerwowe ........................... 81 : Istota szara i istota biała . . .'..................."......... 83 Nerwy......................................... 84 Części układu nerwowego .............................. 85 Rdzeń kręgowy .................................... 85 Istota szara.................................... 86 Istota biała .................................... 87 Pień mózgu ...................................... 88 Rdzeń przedłużony i most ........................... 89 Śródmózgowie ................................... 90 '•:>•' Nerwy czaszkowe ................................ 92 1 ~' Nerw trójdzielny (93). Nerw twarzowy (93). Nerw statyczno-słuchowy (93). '• Nerwy językowo-gardłowy, błędny i dodatkowy (94). Nerw podjęzykowy (95) Komora czwarta ................................. 95 Międzymózgowie ................................... 95 1 Nadwzgórze ................................... 95 Wzgórze ..................................... 95 Zawzgórze .................................... 98 Podwzgórze ................................... 99 Niskowzgórze .................................. *)8f Komora trzecia ................................. 99 Półkule mózgu i kora mózgu............................ 100 Budowa makroskopowa kory nowej ...................... 101 •'"'• , Węchomózgowie ................................ 104 Istota biała półkul mózgu .............................. 104 Budowa mikroskopowa kory mózgu ........................ 105 Budowa isocortex ................................ 106 Pola cytoarchitektoniczne kory ......................... 107 Unaczynienie mózgowia ............................... 108 Bariera krew-mózg ..............................i 109 *' Przestrzenie płynowe w układzie nerwowym. Płyn mózgowo-rdzeniowy . , 111 Narządy okołokomorowe............................ 112 V . . .... ,,,:,,.,. ,.,,. , .,.., ,t...,,-,, ,',«:. ., ,: r,, -..• •..: 4, Czynność neuronów i przekaźnictwo synaptyczne .... 113 Budowa i czynność poszczególnych części neuronu ................ 113 Transport aksonalny ................................. 116 Przekazywanie informacji między neuronami.................... 117 Potencjały elektryczne neuronu......................... 119 Kanały jonowe ................................. 121 *»! Pompa sodowo-potasowa ............................ 123 'i. Pobudzenie neuronu ............................... 124 '•*' Uwalnianie przekaźnika na zakończeniach synaptycznych .......... 125 Hamowanie neuronu ................................. 127 Hamowanie postsynaptyczne .......................... 128 Hamowanie presynaptyczne........................... 128 Przekaźniki i modulatory .............................. 128 Receptory przekaźników ............................... 130 Aminokwasy pobudzające .............................. 131 Aminokwasy hamujące................................ 132 Acetylocholina .................................... 133 Aminy katecholowe i 5-hydroksytryptamina..................... 134 Receptory dopaminy .............................. 136 5-Hydroksytryptamina (serotonina) ....................... 136 Przekazywanie informacji za pomocą przekaźników wtórnych .......... 137 Białka G ..................................... 138 Cykliczny kwas adenozynomonofosforowy (cAMP) ............. 139 Pochodne fosfatydyloinozytolu ......................... 139 Cykliczny kwas guanozynomonofosforowy (cGMP) i tlenek azotu...... 140 Wapń....................................... 140 Mechanizm działania przekaźników wtórnych................. 141 Kinazy białkowe (141). Fosforylacja białek (141). Wpływ kinaz białkowych na ekspresję genów (142) Czynniki wzrostu (neurotroficzne) ....................... 143 Przewodzenie impulsów we włóknach nerwowych................. 144 Przewodzenie impulsów skokowe i ciągłe ................... 144 Pobudliwość włókien nerwowych. Szybkość przewodzenia impulsów w zależ- ności od kalibru włókna............................. 145 Sieci nerwowe .................................... 146 5. Ogólne właściwości układów sensorycznych . . . . . . 148 Etapy poznania .................................... 148 Pojęcie bodźca .................................... 149 Rodzaje bodźców ................................ 149 Środowisko zewnętrzne jako źródło bodźców ................. 150 Bodźce kluczowe i wyzwalacze ........................... 151 Zmysły ........................................ 152 .-•: Budowa i czynność receptorów ........................... 153 Pobudzenie receptora .............................. 153 Adaptacja receptorów .............................. 154 ; =: Psychofizyczny pomiar intensywności bodźców .................. 155 Budowa dróg czuciowych .............................. 157 Przebieg impulsów na kolejnych etapach drogi czuciowej ............. 159 Organizacja ośrodków sensorycznych kory mózgu................. 160 6. Czucie somatyczne i czucie równowagi ............ 102 Czucie powierzchniowe ............................... 162 ,' Receptory dotyku .................................163 • i i Receptory termiczne .............................. 164 •-', i Czucie głębokie ................................... 165 s.. Drogi i ośrodki czucia somatycznego ........................ 166 •:•••; i Organizacja czucia somatycznego w obszarze tułowia i kończyn....... 166 v,; Organizacja czucia somatycznego w obszarze głowy............. 168 • '•:'. Funkcjonalne znaczenie dwóch systemów dróg czuciowych ......... 170 ,;. Ośrodki czuciowe wzgórza ........................... 170 *t: Budowa kory somatosensorycznej .......................... 172 '•',''.• Lokalizacja czynności w korze czuciowej ................... 173 1 K Objawy uszkodzenia kory somatosensorycznej ................ 174 •' Czucie równowagi .................................. 174 Funkcjonowanie receptorów w narządzie równowagi ............. 175 ',,*. Reakcje statyczne i dynamiczne receptorów równowagi ........... 177 4 i Jądra przedsionkowe............................... 177 Vi Funkcjonowanie mechanizmów utrzymujących równowagę ciała....... 178 7. Układ wzrokowy .............................. iso i f ; Rodzaje narządów wzroku .............................. 180 ; ii Budowa oka ssaków ................................. 181 ' >\- Oko jako układ optyczny ............................ 182 Refrakcja oka ludzkiego ........'.................... 183 Siatkówka ....................................... 183 Budowa siatkówki ................................ 184 H Pobudzenie siatkówki .............................. 185 8 Przenoszenie informacji wzrokowej w siatkówce ..............'. 180 Efekty pobudzenia czopków (188). Efekty pobudzenia pręcików (189). Zdolność rozdzielcza oka (189) ?•': Widzenie w różnych warunkach oświetlenia. Adaptacja do światła i ciemności . 189 r-.'. Adaptacja fotochemiczna ............................ 190 • Mechanizm nerwowy adaptacji ......................... 191 ''•'.'. Zmiany procesu transdukcji........................... 191 u Mechanizm fototopowy i skototopowy w procesie widzenia u człowieka . . 191 Zjawisko Purkinjego .............................. 192 Pola recepcyjne komórek zwojowych ........................ 192 •'.(-. Organizacja pól recepcyjnych w siatkówce .................. 192 ; Reakcje ON i OFF komórek zwojowych siatkówki (193). Kontrastowość ^Ł. widzenia (194). Stopniowanie reakcji komórek zwojowych (195). Rodzaje *^': komórek zwojowych (197) '•-'i Kanały informacji wzrokowej ......................'... 197 i •: Widzenie barw ................................. 197 Teoria Younga i Helmholtza (198). Reagowanie komórek zwojowych siatkówki na barwy dopełniające (199) ,. Pole widzenia.................".................... 199 Konsekwencje widzenia stereoskopowego ....................'". 201 c Organizacja dróg i ośrodków wzroku ........................ 201 ' * Ciało kolankowate boczne ........................... 205 '"C Okolice wzrokowe kory mózgu......................... 206 l!;!'.' Reagowanie układu wzrokowego na wzorce bodźców............... 207 V'- Reakcje komórek kory mózgu na bodźce o różnej konfiguracji ....... 207 !' Kolumnowy układ neuronów w korze wzrokowej ............... 208 •"'•T.'. Ruchy gałek ocznych ................................ 209 •*i Rodzaje ruchów gałek ocznych......................... 210 <•:. Ośrodki kontrolujące ruchy gałek ocznych................... 211 '> :i Unerwienie wegetatywne oka. Akomodacja..................... 213 is<'.'.-. Uwaga wzrokowa .................................. 214 ''•'''- Zespół Balinta .................................. 214 :;;', Pomijanie boczne ................................ 215 Widzenie mimo ślepoty............................. 215 •!»«>" 8. Układ słuchowy ............................... 217 11 Budowa i czynność narządu słuchu ......................... 218 Przenoszenie fali akustycznej w uchu środkowym .............. 220 • i Pobudzenie komórek włoskowatych ...................... 221 Właściwości morfologiczne i elektrochemiczne komórek włoskowatych ... 221 Komórki włoskowate zewnętrzne jako układ rezonatorowy.......... 222 Kodowanie informacji słuchowej w nerwie ślimakowym ............. 225 Zasada częstotliwości .............................. 225 Zasada miejsca ................................. 225 Podkorowe ośrodki słuchu .............................. 226 Reakcje komórek jąder ślimakowych na bodźce akustyczne ......... 226 v' Ocena kierunku źródła dźwięku ........................ 227 Wzgórki pokrywy śródmózgowia dolne i ciała kolankowate przyśrodkowe . 229 Organizacja okolicy słuchowej kory mózgu .................... 229 '-i Psychofizyczny pomiar natężenia dźwięku ..................... 230 Echolokacja ...................................... 231 9. Zmysły chemiczne ............................. 233 Węch ......................................... 233 Budowa narządu węchu ............................. 233 Budowa i czynność komórek węchowych ................... 234 Białka receptorowe (235). Transdukcja sygnału w komórce węchowej (236) Opuszka węchowa................................ 238 Sieć nerwowa opuszki (238). Komórki okołokłębuszkowe i komórki ziarnis- te (239). Osmatyczna i przestrzenna organizacja opuszki węchowej (240). Wybiórczość percepcji węchowej (241) ; , • .•;- . : Ośrodki węchowe................................ 242 Plastyczność układu węchowego. Pamięć węchowa.............. 243 Biologiczna rola węchu ............................. 245 Smak ......................................... 245 Receptory smakowe ............................... 247 - Drogi czucia smaku. Fizjologiczna rola smaku ................ 248 10. BOI.................................. . .'. . ... 249 Ból fizjologiczny ................................... 249 Receptory bólu (nocyceptory) ......................... 250 Mechanizm pobudzenia receptorów bólowych. Ból ostry i piekący ..... 250 Dopływ impulsów czucia bólu do rdzenia kręgowego. Bramka rdzeniowa . 250 Ból patologiczny ................................... 252 Drogi i ośrodki czucia bólu ............................. 253 Metody badania bólu u zwierząt........................... 255 Metody badania bólu u ludzi ............................ 255 Odruchy nocyceptywne jako miernik wrażliwości bólowej.......... 256 Badanie czucia bólu metodą potencjałów wywołanych............ 257 Ocena intensywności bólu patologicznego ................... 258 Ośrodkowy system tłumienia bólu.......................... 259 ,Przejawy działania ośrodkowego systemu tłumienia bólu........... 259 Analgezja spowodowana stresem (259). Przeciwbólowe działanie akupunktu- ry (260) Neurochemiczne podłoże analgezji opioidowej ................... 260 Receptory opioidowe .............................. 261 Endorfmy .................................... 262 Terapia bólu ..................................... 263 Bóle pooperacyjne................................ 265 '<••'•, Bóle w chorobie nowotworowej ........................ 265 • Bóle fantomowe i zespół fantomu .......................... 266 11. Czynności ruchowe . . ........................ 267 Organizacja czynności ruchowych u zwierząt bezkręgowych ........... 267 Organizacja sterowania czynnościami ruchowymi u ssaków............ 268 Jednostka ruchowa .................................. 268 Skurcz mięśnia .................................... 269 Energia skurczu mięśnia ............................ 270 Mechanizm pobudzenia komórki mięśniowej ................. 271 Skurcz izotoniczny i izometryczny ....................... 272 Stopniowanie siły skurczu mięśnia....................... 273 10 Pojecie odruchu ................................... 273 Ośrodki ruchowe rdzenia kręgowego ........................ 274 Unerwienie czuciowe mięśnia ............................ 275 Odruch na rozciąganie (miotatyczny) ..................... 277 Napięcie mięśniowe ............................... 278 Integracja czynności ruchowych ........................... 278 Niższy poziom integracji ............................... 280 Rola rdzenia kręgowego w czynnościach ruchowych ............. 280 Rdzeniowe odruchy obronne (281). Czynności ruchowe sterowane przez rdzeń kręgowy (281) Rola opuszki i mostu w integracji czynności ruchowych........... 282 Zstępująca część tworu siatkowatego (282). Jądro czerwienne, pokrywa śródmózgowia i jądra przedsionkowe (284) Średni poziom integracji ............................... 285 Kora czuciowo-ruchowa ............................ 285 Działanie kory czuciowo-ruchowej na rdzeń kręgowy ............ 286 Opracowanie planu i wysłanie rozkazu wykonania ruchu........... 286 Znaczenie informacji o stanie narządu ruchu ................. 286 Sterowanie ruchami szybkimi (288). Somatotopowe i funkcjonalne zróż- nicowanie okolicy ruchowej (289) Jądra podstawne ................................. 289 Połączenia pobudzające i hamujące jądra podstawne (290). Oddziaływania jąder podstawnych na korowe i podkorowe ośrodki ruchowe (292) Objawy uszkodzenia jąder podstawnych .................... 293 Choroba Parkinsona (294). Zespoły hiperkinetyczne (294) .......... Rola jąder podstawnych w sterowaniu ruchem................ 295 Wyższy poziom integracji .............................. 295 Czynność neuronów kory ruchowej w zależności od typu ruchu dowolnego 296 Organizacja sterowania ruchami dowolnymi..............'y,,-«! 297 Móżdżek.................................... •".''.'•' 298 Kora móżdżku.................................. 299 Dopływ informacji do móżdżku........................ 300 Drogi rdzeniowo-móżdżkowe (301). Drogi korowo-móżdżkowe (302) Drogi odmóżdżkowe .............................. 302 Mechanizm korekcji ruchów przez móżdżek.................... 303 Tłumienie ruchów oscylacyjnych ........................ 303 Korekcja ruchu aktualnie wykonywanego ................... 303 Korekcja planu czynności ruchowej ...................... 304 Ruchy balistyczne ............-.................... 305 12. Rytmika czynności fizjologicznych ................ 306 Rodzaje rytmów biologicznych. Podstawowe pojęcia i terminologia ....... 306 Genetyczny mechanizm rytmiki czynności biologicznych ............. 307 Neurofizjologiczny mechanizm sterowania rytmem okołodobowym........ 310 Jądro nadskrzyżowaniowe ........................... 311 Synchronizacja rytmów dobowych ....................... 312 Okołodobowa rytmika czynności fizjologicznych i psychicznych u człowieka . . 314 Rytmika czuwania i snu............................. 314 Rytmika czynności fizjologicznych........................ 314 Rytmika czynności psychicznych . . ...................... 315 Choroba transatlantycka (jet lag) ........................ 316 Rola melatoniny w rytmice czynności fizjologicznych ............... 318 11 13. Czuwanie i sen ................................ 320 Badanie czynności czuwającego mózgu metodą elektroencefalografii....... 320 Twór siatkowaty i układ nieswoisty. Nieswoiste działanie na korę mózgu .... 321 Czynności układu siatkowatego ........................... 323 Dopływ impulsów do układu siatkowatego ..................... 325 Zróżnicowane oddziaływania układu siatkowatego ................. 325 Drogi noradrenergiczne ............................. 326 Drogi dopaminergiczne ............................. 328 Drogi cholinergiczne i serotoninergiczne.................... 330 Diagnostyka stanów czuwania i snu......................... 331 Elektroencefalograficzne korelaty czuwania u zwierząt............ 331 Elektroencefalograficzne korelaty czuwania u człowieka........... 332 Wewnątrzmózgowy system sterujący czuwaniem i rola bodźców zewnętrznych 333 Sen .......................................... 335 Czynność EEG podczas snu u zwierząt .................... 335 Fazy i okresy snu u człowieka ......................... 336 Sen REM .................................... 338 Podłoże neuroanatomiczne snu REM...................... 339 Mechanizmy synchronizacji i desynchronizacji EEG................ 341 Pochodzenie fal wolnych podczas snu ..................... 341 Blokowanie wolnych oscylacji. Desynchronizacja EEG............ 342 Marzenia senne .................................... 343 Właściwości czuwania i snu u zwierząt....................... 345 Potrzeba snu a skłonność do snu .......................... 345 Biologiczna rola snu ................................. 347 Zaburzenia wynikające z przesunięcia faz snu i czuwania............. 347 :•'-..' -9 14. Regulacja homeostazy wewnątrzustrojowej ......... 349 Homeostaza wewnątrzustrojowa ........................... 349 Mechanizmy regulacji homeostazy wewnątrzustrojowej .............. 350 Regulacja homeostazy wewnątrzustrojowej przez hormony ............ 351 Powstawanie i wydzielanie hormonów..................... 351 '• Mechanizm działania hormonów na narządy.................. 352 • Hormony przysadki ................................. 352 Płat przedni przysadki.............................. 353 Regulacja wydzielania hormonów przedniego płata przysadki przez podwzgórze i- (353). Hormon adrenokortykotropowy i kora nadnerczy (354). Oś pod- wzgórzowo-przysadkowo-nadnerczowa. Glikokortykosteroidy (355). Hormon wzrostu (356). Prolaktyna (357). Hormony tarczycy (357) Hormony tylnego płata przysadki ....................... 358 Regulacja homeostazy wewnątrzustrojowej przez układ wegetatywny ...... 359 Budowa układu współczulnego ......................... 359 •' Budowa układu przywspółczulnego ...................... 361 Przekaźnictwo synaptyczne w układzie wegetatywnym............ 362 Działanie układu wegetatywnego na narządy ................. 362 Receptory adrenergiczne (363). Napięcie (tonus) układu wegetatywnego (364) Regulacja czynności układu krążenia...................... 364 Unerwienie wegetatywne serca (364). Unerwienie naczyń krwionośnych. Ciśnienie tętnicze krwi (365). Ośrodkowa kontrola czynności układu krążenia (365). Regulacja objętości krwi (367) Gospodarka wodno-elektrolitowa .......................... 368 Stężenie osmotyczne i ciśnienie osmotyczne ................. 368 12 '.'*- Utrzymanie stałego stężenia osmotycznego płynu zewnątrzkomórkowego . . 369 . Sprzężenie osmoregulacji z mechanizmem utrzymującym stałą objętość krwi 371 Rola układu renina-angiotensyna w regulacji ciśnienia i objętości krwi ... 371 Pragnienie .................................... 371 Rola bodźca osmotycznego (371). Rola bodźca objętościowego (371) J;; Głód jonów sodu ................................ 373 Regulacja wewnętrznej temperatury organizmu ................... 374 Wytwarzanie i utrata ciepła ........................... 375 Sposoby utraty ciepła ........................ >.,... 376 Mechanizmy regulujące temperaturę ciała ................... 376 Termodetekcja i ośrodki termoregulacji (376). Termoregulacja behawioral- na(378) , . ,. . ..,., .. . . - - .. ...... ,. - ., .:..,. ~r f. '' 15. Zachowania popędowe i instynktowe. Regulacja nastroju 379 Terminologia zjawisk popędowo-emocjonalnych. Klasyfikacja popędów ..... 380 , ' t Emocje ....................................... . 380 Emocje nabyte. Biologiczne znaczenie emocji ................. 381 Emocje człowieka ................................ 382 Pojęcie instynktu ................................... 383 Fazy i etapy zachowania instynktowego ...................... 384 Reakcje przerzutowe i upustowe. Rytualizacja zachowań ...... . ...... 386 Neuroanatomiczne podłoże czynności popędowo-emocjonalnych ......... 386 Ośrodki korowe układu limbicznego ...................... 388 Zakręt obręczy (388). Zakręty oczodołowe (389) Ciało migdałowate ................... .'v". . . /r.'-. . . j 390 Połączenia ciała migdałowatego (390). Czynność ciała migdałowatego (391) Podwzgórze ................................... 392 Połączenia podwzgórza (393) Jądro półleżące ................................. 394 Przegroda przezroczysta ............................. 395 Systemy o jednolitym neurochemicznym podłożu transmisji synaptycznej . . 395 Systemy noradrenergiczne (396). Systemy dopaminergiczne (397). System serotoninergiczny (398). Systemy cholinergiczne (398) Istota szara okołowodociągowa ......................... 398 Nastrój ........................................ 399 Depresja ..................................... 400 Neuroanatomiczne podłoże depresji (400). Neurochemiczne podłoże depre- Sji (400) Zwierzęce modele depresji ........................... 402 Modele etologiczne (402). Wyuczona bezradność (403) Stany przyjemności i przykrości wywołane elektrycznym drażnieniem mózgu 403 Samodrażnienie (403). Efekty awersyjne drażnienia mózgu (406) 16. Pobieranie pokarmu i gospodarowanie energią ...... 407 Pobieranie pokarmu ................................. 407 Optymalne żerowanie .............................. 408 Adaptacja zwierząt do różnych warunków zdobywania pokarmu ....... 409 Składniki pokarmów ................................. 409 Glukoza ..................................... 409 F j- Kwasy tłuszczowe ............................. ... 410 *ł Aminokwasy ................................... 410 13 ;''•<)!; Regulacja procesów przemiany materii. Insulina .................. 410 Głód i sytość ..................................... 411 :'•"• Rozwój badań nad regulacją pobierania pokarmu ................. 412 Związki chemiczne regulujące przyjmowanie pokarmu .............. 413 Związki zwiększające pobieranie pokarmu (oreksygeny) ........... 413 Neuropeptyd Y (413). Galanina (414). Neuroprzekaźniki o budowie amino- kwasów (414). Peptydy opioidowe (414) Związki hamujące pobieranie pokarmu (anoreksygeny) ............ 415 Hormon a-melanotropowy (415). Hormon uwalniający kortykotropinę (415) Ośrodki sterujące przyjmowaniem pokarmu .................... 416 Jądro łukowate ................................. 416 Jądro przykomorowe .............................. 417 Jądro brzuszno-przyśrodkowe .......................... 417 Boczna okolica podwzgórza .......................... 417 Rytmika pobierania pokarmu .......................... 418 Przyjmowanie różnych składników pokarmowych ................. 418 Rola sygnałów z przewodu pokarmowego ..................... 419 Homeostaza energetyczna ustroju .......................... 420 '';; Sytość długotrwała .................................. 420 Zaburzenia przyjmowania pokarmu ......................... 422 ' Otyłość ...................................... 422 Jadłowstret psychiczny ............................. 422 Bulimia ..................................... 423 17. Czynności ochronne ............................ 424 Popędy sterujące reakcjami obronnymi....................... 424, • Strach ...................................... 424 Wściekłość .................................... 425 Walki w świecie zwierząt .............................. 425 Agresja a zachowania agonistyczne ...................... 425 Obrona terytorium ................................ 427 Laboratoryjne badania agresji ............................ 428 Agresja wywołana drażnieniem mózgu .................... 428 Modele agresji u szczurów ........................... 428 Ochrona przed niebezpieczeństwem ......................... 429 Ochrona bierna ................................. 429 Zachowanie w przypadku ryzyka spotkania z napastnikiem ......... 430 Ochrona czynna (zachowania obronne) .................... 431 Ucieczka (431). Samoobrona (431) Neurofizjologiczny mechanizm agresji i czynności obronnych .......... 432 Pobudzanie i hamowanie agresji ........................ 432 Ośrodki sterujące agresywnością u człowieka ................. 435 Wyzwalanie czynności obronnych ....................... 436 Hamowanie czynności obronnych ....................... 437 Agresywność a hormony ............................... 437 Rola testosteronu w dominacji u małp ...........» . <:....... 437 Hormony płciowe a agresywność i dominacja u człowieka.......... 438 - : Stany lękowe ..................................... 439 u, Klasyfikacja stanów lękowych ......................... 439 ?; Leczenie stanów lękowych ........................... 440 i;j.' Eksperymentalne badania lęku ......................... 441 < i Stany lękowe z napadami paniki ........................ 442 14 18. Czynności rozrodcze ..........................'. 443 Gruczoły płciowe.......................... -.-......... 444 ' - Budowa i czynność jąder. Spermatogeneza .................. 444 Budowa i czynność jajników. Oogeneza .................... 445 1 Cykl jajnikowy ................................. 446 Hormony płciowe .................................. 446 Testosteron ........................; .........l. 447 < Estradiol ..................................... 447 Progesteron ................................... 447 >v Hormony gonadotropowe .............................. 448 ' • Działanie hormonów gonadotropowych u samców .............. 448 Działanie hormonów gonadotropowych u samic...............\ 448 Oś podwzgórze-przysadka-gonady ....................... 449 Chromosomy płciowe i płeć chromosomalna .................... 450 Przekształcanie się pierwotnych gonad w jądra lub jajniki............. 450 Zaburzenia determinacji płci wynikające z nieprawidłowości chromosomowych 452 Funkcjonalne zróżnicowanie podwzgórza ze względu na płeć........... 453 Płeć psychiczna.................................... 454 Cykliczność żeńskich czynności rozrodczych.................... 455 Synchronizacja czynności rozrodczych ....................... 457 Rola bodźców węchowych ........................... 457 Systemy kojarzeń ................................... 459 Wybór partnera seksualnego ............................. 460 Gatunkowe mechanizmy izolacyjne ...................... 461 Rola wpajania (imprinting) ........................... 461 Wewnątrzgatunkowe preferencje seksualne .................. 463 Walki godowe .................................. 463 Rola terytorializmu w osiąganiu sukcesu rozrodczego ............... 463 Współdziałanie samców w ubieganiu się o samicę .............. 464 Niezwykłość i nowość jako preferowane cechy partnera........... 464 Rola hormonów w regulacji popędu płciowego u zwierząt ............ 464 19, Uczenie się i warunkowanie 466 Pojęcie uczenia się .................................. 466 Rodzaje uczenia się u zwierząt........................... 467 Uczenie się percepcyjne ............................ 467 Uczenie się utajone (467). Wpajanie (imprinting) (468) Uczenie się asocjacyjne............................. 469 Uczenie się metodą prób i błędów (469). Uczenie się przez wgląd (insight) (470). Uczenie się przez naśladowanie (470) Habituacja.................................... 470 Odruchy warunkowe ................................. 472 Warunkowanie klasyczne ............................ 472 Doświadczenia Pawłowa (472). Istota klasycznego odruchu warunkowego (475). Rodzaj asocjacji w odruchach warunkowych (478) Warunkowanie instrumentalne ......................... 483 Rola popędu w warunkowaniu instrumentalnym (483). Zagadnienie bodźca warunkowego w warunkowaniu instrumentalnym (487). Wzmacnianie częś- ciowe (487). Zachowanie zabobonne (488) Długotrwałe wzmocnienie synaptyczne....................... 488 M 20. Pamięć ...................................... 492 Pamięć sensoryczna i pamięć krótkotrwała ..................... 492 Pamięć operacyjna .................................. 493 Pętla fonologiczna................................ 494 Diagram wzrokowo-przestrzenny ........................ 495 Ośrodek dyspozycyjny ............................. 495 Pamięć długotrwała ................................. 495 Pamięć opisowa (deklaratywna) ........................... 496 Lokalizacja pamięci opisowej w mózgu .................... 497 Pamięć semantyczna .............................. 497 Pamięć autobiograficzna ............................ 499 Pamięć nieopisowa .................................. 500 Pamięć nieświadoma ................................. 501 Badanie pamięci nieświadomej ......................... 502 Lokalizacja procesów pamięci nieświadomej w mózgu............ 503 Zaburzenia pamięci. Amnezja globalna ....................... 505 Pamięć a hipokamp ................................. 507 Budowa hipokampa i formacji hipokampalnej ................. 507 Rola hipokampa w mechanizmie pamięci u zwierząt............. 509 Pamięć przestrzeni (509). Wybiórcza rola hipokampa w pamięci rozpoznawczej u małp (511) Badania pamięci operacyjnej u zwierząt ...................... 514 Rola hipokampa w pamięci operacyjnej .................... 514 Rola okolicy przedczołowej w pamięci operacyjnej .............. 515 Konsolidacja śladu pamięciowego .......................... 518 Co to jest ślad pamięciowy? ............................. 519 21. Środowisko życia. Życie społeczne ................ 520 Miejsca bytowania zwierząt ............................. 520 Wędrowność ..................................... 521 Terytorializm ..................................... 522 Życie zbiorowe zwierząt ............................... 523 Rodzaje zbiorowości zwierząt ......................... 524 •-.<;! „Społeczeństwa" owadów.....;«nsvr.\»-iv!'i............... 524 , Skutki życia społecznego ............................ 526 ! Rodziny zwierzęce ............................... 527 Dominacja ...................................... 528 Dominacja w koloniach małp.......................... 528 Biologiczne znaczenie dominacji ........................ 529 Altruizm i dobro grupy ............................... 531 Egoizm i altruizm u zwierząt.......................... 531 Dobór krewniaczy ................................ 534 Altruizm odroczony ............................... 534 Dobór grupowy ................................. 535 22. Myślenie, mowa, inteligencja ... ... . . . . .". ... . . 536 Właściwości mowy.................................. 536 Mowa a język .................................. 536 Mowa a myślenie ................................ 537 •'"--• Mowa zewnętrzna i mowa wewnętrzna .................... 537 16 Wrodzona predyspozycja człowieka do posługiwania się mową.......... 538 Rozwój mowy u dziecka............................... 540 Organizacja czynności mowy w świetle obserwacji klinicznych.......... 541 Ośrodki mowy i objawy ich uszkodzenia ................... 541 Afazje a funkcjonalne uszkodzenia mózgu................... 545 Badanie mechanizmów mowy u ludzi zdrowych .................. 546 Badanie czynności mowy metodą PET..................... 546 Badania mowy za pomocą potencjałów wywołanych............. 547 Interpretacja wyników badania mechanizmów mowy............. 549 Funkcjonalna asymetria półkul mózgu ....................... 552 Anatomiczne połączenia miedzy półkulami mózgu .............. 552 Rozdzielna praca półkul mózgu: doświadczenia na zwierzętach ....... 553 Rozdzielna praca półkul mózgu: badania u ludzi ............... 554 Myślenie lewopółkulowe i prawopółkulowe (554). Objawy uszkodzenia półkuli prawej mózgu (555). Współdziałanie obu półkul u pacjentów po komisuro- tomii (555) Rozdzielone półkule - dwie psychiki czy jedna? ............... 556 Różnice między płciami ............................ 557 Okolica przedczołowa ................................ 558 Pamięć u ludzi z uszkodzeniami okolicy przedczołowej ........... 558 Zespół płata czołowego ............................. 559 Okolica przedczołowa a choroby psychiczne ................. 561 Lobotomia czołowa ............................... 561 Skutki uszkodzenia okolicy przedczołowej - podsumowanie......... 562 Bibliografia ..................................... 564 Przedmowa r • r j W kształtowaniu zachowań ludzkich ogromną rolę odgrywają oddziaływania społeczne. Sama tylko umiejętność posługiwania się mową wymaga obcowania w krytycznym okresie życia z ludźmi mówiącymi danym językiem. Późniejszy rozwój psychiczny człowieka i osiągnięcie właściwej pozycji społecznej nie byłyby możliwe bez wychowania i kontaktów z innymi członkami społeczeństwa. Niezależnie od swej wyjątkowej pozycji w przyrodzie, człowiek nie przestał być jednym z gatunków rzędu naczelnych i nie utracił ogólnobiologicznych właściwości całego świata zwierząt, dlatego zawsze pozostaje aktualne pytanie, co w zachowaniu człowieka jest specyficznie ludzkie, a co zostało odziedziczone po zwierzęcych praprzodkach. A jeśli zostało odziedziczone (np. popędy, emocje), to w jaki sposób uległo modyfikacji w wyniku oddziaływań społecznych. Coraz więcej danych wskazuje na to, że narządem integrującym biologiczne i społeczne uwarunkowania ludzkiego behawioru jest mózg. Mózg dysponuje dwiema właściwościami predestynującymi go do tej roli - po pierwsze jest siedliskiem wrodzonych, genetycznie uwarunkowanych mechanizmów, dzięki którym reagujemy na bodźce, poruszamy się, przeżywamy radości i smutki. Mechanizmami tymi sterują wyspecjalizowane i współdziałające ze sobą ośrodki mózgowe. Po drugie mózg jest niezwykle podatny na oddziaływania środowiska, pod wpływem których kształtuje się nie tylko jego funkcja, lecz także struktura. Właśnie pod wpływem środowiska, dzięki plastycznym właściwościom mózgu, rozwijają się układy sensoryczne, doskonalą się zdolności percepcyjne, ruchowe, emocje i mechanizmy warunkujące życie psychiczne, takie jak myślenie i umiejęt- ność posługiwania się mową. Można zaryzykować twierdzenie, że skutki wychowa- nia i nauczania są kodowane w biochemicznej strukturze komórek nerwowych. Gdy przystępowałem do napisania tej już trzeciej z kolei książki o biologicz- nym podłożu zachowania, zdawałem sobie sprawę, że stanąłem przed niezwykle trudnym zadaniem przybliżenia studentom współczesnej wiedzy o tym, jak funkcjonuje mózg. Wiedza ta na początku ograniczała się do budowy i działania ośrodków, potem objęła komórki nerwowe, hormony i neuroprzekaźniki, a teraz sięga głębiej - do genów. Zainteresowania badaczy przesunęły się zatem od biologii ogólnej i neurofizjologii do biochemii i biologii molekularnej. 19 Zgodnie z panującymi wówczas tendencjami w nauce, mój pierwszy podręcznik wydany przed trzydziestu laty był niemal w całości poświęcony fizjologii zachowania, badanej głównie w warunkach laboratoryjnych. Druga książka, napisana wraz z prof. Jerzym Chmurzyńskim, poświęcona była w znacznej mierze etologii i w interpretacji zachowań ludzkich uwzględniała poglądy badaczy tej dziedziny. Niniejsze opracowanie nawiązuje do osiągnięć neurobiologii, której dynamicz- ny rozwój przypada na ostatnie lata. Wymagało to przedstawienia przekaźnictwa synaptycznego w znacznie szerszym niż poprzednio zakresie, z uwzględnieniem przekaźników wtórnych i transdukcji sygnału w komórce. Zostały rozszerzone wiadomości o układach sensorycznych, zwłaszcza o układzie wzrokowym. Wiele uwagi poświęcono problemom uczenia się i pamięci. Więcej uwagi poświęcono też mechanizmom mowy. Wymagało to rezygnacji z części materiału dotyczącej zachowania zwierząt na korzyść danych uzyskiwanych w badaniach na ludziach. Oczywiście, arbitralny wybór najważniejszych osiągnięć nauki i forma, w jakiej przedstawiono je w podręczniku, będą zawsze budziły zastrzeżenia. Niektóre rozdziały, szczególnie dotyczące genetyki i funkcjonowania neuro- nów, mogą się wydawać przeładowane szczegółami, zwłaszcza czytelnikom o zainteresowaniach humanistycznych. Dlatego starałem się maksymalnie uprościć opis tych zagadnień i przedstawić tylko to, co jest absolutnie niezbędne do zrozumienia mechanizmów funkcjonowania mózgu. Z wdzięcznością przyjmę wszelkie uwagi krytyczne zarówno od studentów korzystających z podręcznika, jak i od nauczycieli akademickich wykładających przedmiot biologiczne mechanizmy zachowania na wydziałach psychologicznych. Krytyka ta będzie mi pomocna przy opracowywaniu następnego wydania książki. > ' - Bogdan Sadowski 1. ZACHOWANIE JAKO PRZEDMIOT BADAŃ W związku z dynamiczną strukturą swego organizmu zwierzęta mają określone potrzeby. Podstawowe potrzeby biologiczne powstają w wyniku odchylenia od optymalnych warunków środowiska wewnętrznego. Niektóre z tych odchyleń mogą być korygowane przez reakcje fizjologiczne. Na przykład zwiększenie ciepłoty ciała uruchamia mechanizmy oddawania nadmiaru ciepła na zewnątrz przez rozszerzenie naczyń krwionośnych skóry, dyszenie, a u człowieka pocenie. W wielu jednak sytuacjach reakcje fizjologiczne nie wystarczają. Często trzeba się schronić przed upałem lub chłodem, znaleźć lub zdobyć pożywienie, zatroszczyć się o bezpieczeństwo własne lub potomstwa, objąć w posiadanie terytorium. W grę wchodzi wówczas główna właściwość świata zwierząt - zachowanie. Pojęcie i terminologia zachowania Pod pojęciem „zachowanie" rozumie się skoordynowane reakcje osobnika służące zaspokojeniu określonej potrzeby - biologicznej, psychicznej lub społecznej - zachodzące pod wpływem czynników wewnętrznych lub bodźców zewnętrznych. Formami zachowania mogą być zarówno proste reakcje ruchowe, jak kinezy, taksje i tropizmy, jak też - u zwierząt wyższych - złożone akty ruchowe, nabyte lub dziedziczne, nazywane reakcjami lub czynnościami behawioralnymi. Akty ruchowe mogą polegać na lokomocji (przemieszczaniu się) lub na manipulowaniu przed- miotami. Do czynności ruchowych należy też mimika i fonacja lub wokalizacja oraz pozy, na przykład grożenia lub uległości. Oprócz ruchu do form zachowania należy też generowanie wyładowań elektrycznych przez niektóre gatunki ryb w celu obrony lub porażenia ofiary, wystrzykiwanie wydzieliny, snucie nici przez pająki czy świecenie za pomocą fotoforów przez świetliki. Zachowanie służy ochronie przed niebezpieczeństwem, ułatwia poznawanie otoczenia, umożliwia rozród, opiekę nad potomstwem i tworzenie grup społecznych. Do zachowania należy także ustalanie interakcji między organizmem a środowis- kiem, opanowanie i obrona terytorium, wędrówki i przemieszczanie się. . 21 Polska terminologia dotycząca zachowania wymaga wyjaśnienia. W języku polskim terminu „zachowanie" używa się niekiedy bez uciążliwego zaimka zwrotnego „się", ale trzeba wówczas pamiętać o innych możliwych znaczeniach tego słowa, jak zachowanie gatunku, zachowanie ciepła w ustroju, zachowanie zdrowia. Niekiedy jako synonim „zachowania się" stosuje się spolszczoną nazwę „behawior" (ang. behavio(u)r). Częściej stosuje się ją w formie przymiotnikowej „behawioralny". Oczywiście „behawioryzm" nie jest synonimem „zachowania się", lecz nazwą kierunku badającego i interpretującego zachowanie. Poglądy na czynność mózgu Choć zachowanie może być jedynym przedmiotem badań, w coraz większym stopniu zainteresowania badaczy skupiają się wokół mózgowych mechanizmów sterujących reakcjami behawioralnymi. Stąd rozwój koncepcji na temat funk- cjonowania mózgu wywarł znaczący wpływ na obecne podejście do problematyki zachowania zwierząt i człowieka. Aż do początku XIX wieku mózg był najmniej znanym narządem organizmu ludzkiego. Wśród przyrodników świata starożytnego poglądy na temat funkcji mózgu najbliższe współczesnemu ujęciu neurobiologicznemu wypowiadał Hipokra- tes. Według Hipokratesa mózg umożliwia myślenie, widzenie, słyszenie, odróżnianie piękna od brzydoty, odczuwanie przyjemności i przykrości, czyli sprawuje funkcje psychiczne. Za siedlisko czucia i myśli uważał mózg również inny wielki lekarz starożytności, Galen, który pierwszy rozróżniał nerwy czuciowe i ruchowe. Filozofowie działający w różnych epokach historycznych, poczynając od Platona i Arystotelesa, szeroko zajmowali się problematyką duszy, przeważnie uważając ją za byt odrębny od ciała. Jednak prace filozoficzne tylko w niewielkim stopniu dotyczyły funkcjonowania mózgu, dlatego nie będą tu przytaczane. Wyjątek stanowią poglądy Kartezjusza, ponieważ ich echa można doszukać się w próbach interpretacji działania mózgu autorstwa niektórych współczesnych badaczy mózgu. Zagadnienie relacji psychika - mózg ' W miarę rozwoju badań nasza wiedza o czynności mózgu stale się rozszerza. Coraz więcej wiadomo o budowie i funkcji komórek nerwowych, narządów zmysłów, ośrodków nerwowych i poszczególnych struktur mózgu. Znamy też lokalizację procesów percepcyjnych, mechanizmów sterujących ruchem, mową i śladów pamięciowych. W dalszym ciągu jednak pozostaje tajemnicą istota świadomości. Choć coraz więcej wiemy o tym, jakie ośrodki mózgu są pobudzone, gdy oglądamy obrazy, słuchamy mowy, wykonujemy ruchy, sposób, w jaki obserwowane zjawisko fizjologiczne (zmiana czynności, a nawet struktury neuronów) przekłada się na proces psychiczny, pozostaje niewyjaśniony. W historii nauki zaznaczały się nawet tendencje negowania celowości zajmowania się tym zagadnieniem, które doprowadziły do powstania kierunku zwanego behawioryzmem. 22 Behawioryzm • ... , „j. • - - , * . Pod koniec XIX i na początku XX wieku badania czynności psychicznych człowieka przebiegały jak gdyby dwutorowo. Z jednej strony powstawały szkoły psychologiczne zajmujące się procesami psychicznymi jako takimi, nie interesujące się ich podłożem biologicznym. Z drugiej strony kształtował się nowoczesny obraz budowy i funkcji mózgu. Dzięki badaniom Camillo Golgiego i Santiago Ramón y Cajala poznano budowę komórek nerwowych. Odkryto, że mową kierują specjalne ośrodki mózgowe (P. Broca, C. Wernicke), rozwijała się wiedza 0 przebiegu dróg nerwowych, o ośrodkach ruchowych i czuciowych, o funk- cjonowaniu narządów zmysłów. W tej zadziwiającej nas dzisiaj sytuacji powstał behawioryzm. Jego punktem wyjścia była krytyka istniejących wówczas kierunków psychologicznych Z. Freuda, M. Wertheimera, W. Wundta, W. Jamesa i J. Deweya. Behawioryści nie tylko odrzucali metody badawcze stosowane w psychologii, zwłaszcza introspekcję, lecz także wręcz negowali potrzebę jakiegokolwiek zajmowania się zjawiskami psychicznymi ze względu na ich subiektywny, a tym samym niepoznawalny charakter. „Behawioryzm twierdzi - pisze John Watson (1990) - że świadomość jest pojęciem i niezdefiniowanym, i niepotrzebnym. Behawiorysta, którego zawsze kształcono jako eksperymentatora, uważa dalej, że wiara w istnienie świadomości sięga dawnych czasów zabobonów i magii". Jedynymi zmiennymi, które warto obserwować, jest bodziec i reakcja. „Zasada lub miarka, jaką behawiorysta się posługuje, to zawsze: czy mogę opisać tę formę zachowania, którą widzę, w terminach bodźca i reakcji?" Traktując organizm jako „czarną skrzynkę" i interesując się wyłącznie stanem wejścia (bodźca) i wyjścia (reakcji), behawioryści negowali nie tylko celowość zajmowania się procesami psychicznymi, lecz także użyteczność badania fizjo- logicznych korelatów zachowania, w tym procesów zachodzących w mózgu podczas wykonywania zadań behawioralnych. I choć, zwłaszcza w późniejszym okresie, badali wpływ motywacji na uczenie się, nigdy nie zajmowali się nim z punktu widzenia pobudzenia ośrodków mózgowych, lecz uwzględniali poziom motywacji jedynie jako zmienną towarzyszącą, modyfikującą zachowanie. - \ Założeń klasycznego behawioryzmu nie da się utrzymać ani we współczesnej psychologii, która uznaje świadomość za specyficzny sposób funkcjonowania mózgu ludzkiego, ani w neurobiologii, która badając zachowanie zwierząt, używa takich procedur eksperymentalnych, jak pobudzanie i hamowanie ośrodków mózgowych, blokada transmisji synaptycznej czy manipulacje na poziomie genomu, a więc - inaczej niż behawioryzm - usiłuje wniknąć, i to dosłownie, do wnętrza „czarnej skrzynki". Również subiektywne zjawiska są jak najbardziej uwzględniane w badaniach psychofizjologicznych, prowadzonych zarówno u ludzi zdrowych, jak 1 u pacjentów z uszkodzeniami mózgu. Niekwestionowaną zasługą behawiorystów jest rozpowszechnienie metod badania u zwierząt wyuczonych reakcji ruchowych, nazywanych obecnie reakcjami instrumentalnymi. Badania te, zapoczątkowane przez C. L. Thorndike'a, rozwinął B. F. Skinner, który zajmował się problematyką wzmacniania reakcji behawioral- 23 nych. Behawioryścł przyczynili się także do obiektywizacji metod badawczych psychologii. Paradoksalnie, współczesna neurobiologia, odżegnując się od w behawioryzmu, w rozległym zakresie korzysta z metod badawczych wprowadzonych przez twórców tego kierunku. ' • v Redukcjonizm i kompozycjonizm , " 1 ! , f W miarę poznawania praw rządzących zjawiskami fizycznymi i chemicznymi pojawił się mechanistyczny kierunek zwany redukcjonizmem, który zakładał, że prawa rządzące zjawiskami życia można zredukować do elementarnych zjawisk Mózg a umysł Czynnościom mózgu, dostępnym dla badań metodami obiektywnymi, towarzyszą zjawiska subiektywne, które poznaje się za pomocą introspekcji oraz porównując własne doznania z opisami podobnych doznań u innych osób. Zdolność odczuwania tych doznań jest domeną świadomości. Nasuwają się zatem następujące pytania: 1) w jaki sposób pobudzenie ośrodków mózgowych, czyli proces fizjologiczny, przekłada się na doznanie, czyli na zjawisko psychiczne, 2) czy zjawisko psychiczne jest tylko korelatem (epifenomenem) procesu fizjologicznego, czy też może zwrotnie wyzwalać proces fizjologiczny, zwłaszcza tzw. ruch dowolny, i 3) jaka jest biologiczna rola świadomości. Trzeba zdać sobie sprawę, że na pierwsze, podstawowe pytanie nie można uzyskać zadowalającej odpowiedzi nawet mimo obecnych osiągnięć nauki w poznawaniu funkcji mózgu. Z tej właśnie przyczyny na początku XX wieku powstał behawioryzm, dla którego zagadnienie świadomości jako przedmiot badań po prostu nie istniało. Związek między psychiką a mózgiem jest przedmiotem dociekań dwóch kierunków filozoficznych - monizmu i dualizmu psychofizycznego. Kierunek monistyczny zakłada, że czynności psychiczne są funkcją mózgu, a zatem zjawiska subiektywne traktuje jako korelaty procesów nerwowych. Zjawisko subiektywne, będąc produktem czynności mózgu, nie może wyzwolić czynności behawioralnej, ponieważ byłoby to niezgodne z fizyczną zasadą zachowania energii. Behawior zwierzęcia i człowieka trzeba więc traktować jako skutek działania ośrodków mózgu, a nie procesów psychicznych. Większość współczesnych badaczy mózgu interpretuje wyniki swoich badań zgodnie z takimi właśnie założeniami. Podejście dualistyczne wywodzi się od Kartezjusza (Renę Descartes, 1596-1650), twórcy pojęcia odruchu. Kartezjusz uznawał zwierzęta za maszyny pozbawione życia psychicznego i funkcjonujące tylko za pomocą odruchów. Zjawiska psychiczne istnieją według niego tylko u człowieka, jako funkcja duszy, dusza zaś jest niematerialnym odrębnym bytem, jednak związanym i współdziałającym z ciałem - bytem materialnym. Miejsce dla interakcji tych bytów wyznaczył w szyszynce, której rzeczywista funkcja nie była wówczas znana. Poglądy Kartezjusza są zaliczane do interakcjonizmu - jednej z wersji dualizmu psychofizycznego i można by im przypisać jedynie historyczne znaczenie gdyby nie fakt, że wśród współczesnych badaczy mózgu, w tym laureatów nagrody Nobla, znalazła się grupa zwolenników tego kierunku. Przyczyną tej tendencji jest rozczarowanie rozbieżnością między niekwestionowanymi osiągnięciami neurobiologii a możliwością wyjaśnienia na podstawie tych osiągnięć istoty zjawisk psychicznych. Taka postawa prowadzi do nihilizmu poznawczego wyrażającego się wątpliwością, czy ustalenie materialnego podłoża psychiki jest w ogóle możliwe. Pierwszym wybitnym uczonym, który głosił takie poglądy, był Charles Sherrington, badacz odruchów rdzeniowych. Później podobne sądy wyrażali neurochirurg Wilder Penfield, neurofizjolog John C. Eccles i badacz funkcjonalnej asymetrii półkul 24 fizycznych i chemicznych. W takim ujęciu również czynność mózgu można wyjaśnić na podstawie praw obowiązujących w fizyce i chemii. A zatem nauki badające zachowanie zwierząt i człowieka, w tym psychologię, można właściwie uznać za gałęzie fizyki. Alternatywnym wobec redukcjonizmu podejściem jest kompozycjonizm. Zwolennicy tego kierunku przyznają, że w funkcjonowaniu organizmów przejawiają się prawa fizyczne i chemiczne, jednak do głosu dochodzą również specyficzne właściwości biologiczne, które niejako wyłaniają się wraz z osiągnięciem przez żywy układ wyższego poziomu organizacji. Zgodnie z tym podejściem mózg jest traktowany jako układ biologiczny, o właściwych mu specyficznych cechach, II mózgu - Roger W. Sperry. Współcześni zwolennicy dualizmu nie negują, że zjawiska subiektywne są funkcją mózgu, twierdzą jednak, że czynności psychiczne są nie tylko korelatem procesów nerwowych, lecz także czynnikiem mogącym uruchamiać te procesy i sterować ich przebiegiem, a tym samym wyzwalać zachowanie. Stosunkowo spójną i pozornie naukowo uzasadnioną koncepcją dualistyczną, nawiązu- jącą do mechanizmu uwalniania przekaźników w synapsach, jest teoria Ecclesa (1986, 1990). Pęcherzyki synaptyczne zawierające przekaźnik znajdują się w kolbce synaptycznej, w sieci utworzonej z wtókienek aktyny. Wskutek zmian biochemicznych spowodowanych impulsem nerwowym pęcherzyki przesuwają się do błony presynaptycznej i zawarty w nich przekaźnik uwalnia się w synapsie (patrz rozdz. 4). Niewielkie ilości przekaźnika uwalniają się stale również mimo braku pobudzenia. Według Ecclesa czynnik psychiczny może wpływać na powyższy proces fizjologiczny w sposób probabilistyczny, tzn. zmieniając losowy charakter ruchu pęcherzyków. Eccles zwrócił przy tym uwagę na skomplikowaną organizację budowy kory mózgu, która może odgrywać rolę w relacjach między mózgiem a psychiką. Szczególne znaczenie mogą mieć dendryty komórek piramidowych. Wypustki te tworzą większe skupienia, które Eccles nazwał dendronami. Każdy dendron zawiera ogromną liczbę synaps. Gdy czynnik psy- chiczny zmodyfikuje ruch pęcherzyków w wielu tysiącach zakończeń synaptycznych w den- dronie, może się to okazać wystarczające do zainicjowania procesu fizjologicznego. Poparciem dla tej teorii mają być wyniki badań, w których wykazano, że nie tylko sam bodziec pobudzający receptor, lecz także wyobrażenie bodźca powoduje pojawienie się potencjału elektrycznego w obszarze czuciowym kory mózgu i zwiększenie przepływu krwi przez ten obszar. Eccles podkreśla, że oddziaływanie czynnika psychicznego na własny substrat materialny w probabilistycznym ujęciu nie narusza zasady zachowania energii, a tym samym zostaje odparty główny zarzut podnoszony przez krytyków dualizmu. Koncepcja ta opiera się na założeniach fizyki kwantowej, która ustala prawidłowości poruszania się drobnych subato- mowych cząsteczek. Pęcherzyki, zdaniem Ecclesa, są na tyle małe, że mogą być podporządkowane tym prawom. Wywody te jednak można przyjąć tylko jako próbę wyjaśnienia relacji między mózgiem a psychiką, a nie jako hipotezę opartą na naukowo udokumentowanych faktach. Chociaż większość badaczy mózgu odsuwa na dalszy plan dociekania nad istotą zjawisk psychicznych i odrzuca koncepcje dualistyczne, problem relacji mózg - psychika nadal istnieje. Nie wiadomo nawet, jaka jest biologiczna rola świadomości. Thorpe (1965) i inni etologowie uważają, że gdy rozwój układu nerwowego osiągnął odpowiedni poziom, jak u wyższych ssaków, nieświadome mechanizmy regulacyjne przestały wystarczać. Powstanie świadomości było zatem niezbędnym krokiem ewolucyjnym, warunkującym przystosowanie zwierząt wyższych do środowiska. Nie potrafimy jednak określić, jaki jest sens tego przystosowania zgodnie z darwinowską koncepcją doboru naturalnego. 25 których nie można wyjaśnić tylko w kategoriach fizykochemicznych. Zjawiska psychiczne, będące szczególnym atrybutem tego układu, powinny być więc badane i interpretowane w powiązaniu z funkcją ośrodków i struktur nerwowych. Poglądy na lokalizację czynności w mózgu Zagadnienie, czy mózg funkcjonuje jako jedna całość, czy też składa się z części pełniących różne funkcje, było przedmiotem sporu, który trwał przez cały wiek XIX, aż do początku XX stulecia. Problemem tym zajął się F. J. Gali, twórca kierunku nazwanego frenologią. Gali był anatomem i dokonał kilku ważnych odkryć w dziedzinie budowy mózgu, m.in. po raz pierwszy rozróżnił istotę szarą i białą. Wysunął koncepcję, że czynności psychiczne, w tym również emocje, są funkcją kory mózgu, zbudowanej z istoty szarej. Rozbudowując tę koncepcję Gali założył, że czynności psychiczne składają się z wielu niezależnych dziedzin, z których każda jest sterowana przez specjalny obszar kory mózgu. Osoby, u których dana dziedzina (np. uzdolnienia w określonym kierunku, emocjonalność) jest szczególnie rozwinięta, mają również bardziej rozwinięty obszar kory rządzący tą dziedziną. Wynika z tego wniosek, że ludzie różniący się pod względem cech psychicznych powinni wykazywać różnice w budowie kory mózgu, a wtórnie - w ukształtowaniu kości czaszki sąsiadujących z korą. Choć założenia frenologii zostały ostatecznie odrzucone, jednak pod wpływem prac Galia późniejsi badacze zaczęli bliżej zajmować się problemem lokalizacji funkcji w mózgu. W XIX wieku dokonano kilku odkryć przemawiających za koncepcją, że różne obszary mózgu sprawują specyficzne funkcje. P. Broca stwierdził, że uszkodzenie ośrodka w lewym płacie czołowym powoduje zaburzenie mowy, które obecnie nazywamy afazją ruchową. Później C. Wernicke znalazł inny ośrodek, umiejscowiony w płacie skroniowym, sterujący czynnością odbioru mowy. G. T. Fritsch i E. Hitzig wykazali, że drażnienie elektryczne określonych obszarów kory mózgu u psa wywołuje ruchy, których rodzaj zależy od miejsca drażnienia. D. Ferrier, posługując się techniką drażnienia i usuwania kory mózgu u małp, wyróżnił okolice ruchową, wzrokową i słuchową. H. J. Jackson opisał rodzaj padaczki, polegającej na drgawkach obejmujących kolejno mięśnie zgodnie z rozkładem lokalizacji funkcji tych mięśni w korze mózgu. Wszystkie te obserwacje, poza czynnością mowy, dotyczyły stosunkowo prostych czynności ruchowych i czuciowych, nie obejmowały natomiast złożonych funkcji in- telektualnych. Choć przytoczone badania wskazywały na wyraźną specjalizację ośrodków mózgowych w sterowaniu czynnościami ruchowymi i sensorycznymi oraz mecha- nizmami mowy, nadal toczył się spór na temat lokalizacji funkcji psychicznych w mózgu, a więc inteligencji, pamięci, percepcji i emocji. Dominował pogląd, że czynnościami tymi kieruje cały mózg, bez zróżnicowanego znaczenia poszczegól- nych struktur. Jeszcze w pierwszych dziesięcioleciach XX wieku zaznaczał się wpływ koncepcji K. S. Lashleya o ekwipotencjalności kory w przechowywaniu śladów pamięciowych. Podstawą tej teorii były wyniki badań nad wpływem 26 uszkadzania kory mózgu u szczurów na wykonywanie testów labiryntowych. Wpływ ten różnił się w zależności od stopnia złożoności testu. Wykonywanie prostych zadań okazywało się zaburzone po uszkodzeniach niektórych tylko okolic kory, natomiast przebieg trudnych zadań labiryntowych był zakłócony w stopniu zależnym od stopnia, ale nie od miejsca uszkodzenia. Taki wynik Lashley interpretował jako efekt „masowego działania" różnych pól korowych: każde pole niejako wspomaga działanie innych obszarów, dlatego uszkodzenie jakiegokolwiek obszaru powoduje ten sam skutek. s • • Do obecnych czasów nie utrzymała się ani teoria ekwipotencjalności kory mózgu, ani koncepcje oparte na wąskim lokalizacjonizmie. Wyniki współczesnych badań wykazały wielopoziomową, hierarchiczną organizację układów percepcyjnych. Na przykład co najmniej 20 różnych ośrodków korowych uczestniczy w analizie i syntezie informacji wzrokowej. Również kodowanie, przechowywanie i konsolida- cja śladów pamięciowych zachodzi przy udziale różnych struktur, takich jak hipokamp i inne części układu limbicznego oraz asocjacyjne obszary kory. Ośrodki mózgowe, aczkolwiek zdeterminowane genetycznie, wykształcają się w pełni po urodzeniu w wyniku oddziaływania środowiska na rozwijający się organizm. Nauki badające zachowanie Zachowanie jest przedmiotem zainteresowania grupy dyscyplin nazywanych naukami behawioralnymi (behavioral sciences). Zachowanie człowieka jest przedmiotem zainteresowania psychologii, socjologii i psychobiologii. Biologiczne mechanizmy zachowania zwierząt bada etologia, ekologia behawiorahia i neurobiologia. Rozwój poglądów na interpretację zachowania Za początek nowoczesnego okresu w interpretacji zachowania można uważać ukazanie się w 1872 r. pracy K. Darwina O wyrazie uczuć u człowieka i zwierząt. Jednak obiektywna ocena czynności behawioralnych zwierząt nie od razu znalazła zwolenników. Kierunkiem, który w wyjaśnianiu zachowania zwierząt akcentował ich subiektywne przeżycia, była psychologia zwierząt (zoopsychologia). Zakładano, że przeżycia te odpowiadają analogicznym subiektywnym zjawiskom u ludzi. Pod wpływem zoopsychologii W. McDougall stworzył teorię instynktu, według której w instynkcie przejawia się zarówno komponent obiektywny, na przykład dążenie zwierzęcia do celu, jak i subiektywny - emocyjny. Mimo krytykowanego później antropomorfizmu, istotnym osiągnięciem zoopsychologii jest badanie zdolności zmysłowych i obyczajów zwierząt. Osiągnięcia te zostały później rozwinięte przez etologię. W interpretacji zachowania zwierząt z reguły nawiązywano do aktualnie panujących kierunków psychologicznych. O ile na poglądy zoopsychologów wywarła wpływ psychologia W. Wundta, o tyle później psychologia obiektywis- tyczna przyczyniła się do powstania behawioryzmu, który odrzucał potrzebę uwzględniania zjawisk subiektywnych. 17 W badaniach behawioralnych również obecnie uwidaczniają się echa psychologii postaci (Gestaltpsychologie), stworzonej przez M. Wertheimera, W. Kóhlera i K. Koffkę, którzy zajmowali się głównie percepcją i procesami uczenia się. Proces spostrzegania nie polega według tych badaczy na integracji pierwotnie niezależnych wrażeń, lecz na wypełnianiu już wcześniej wytworzonej w umyśle postaci. Teoria postaci znalazła potwierdzenie m.in. w reakcjach neuronów kory wzrokowej na całościowe bodźce wzrokowe, a także w formach uczenia się przez wgląd, opartych na całościowym ujęciu zapamiętywanego materiału. Etologia i ekologia behawioralna ' ' Etologia (dosłownie: nauka badająca obyczaje, od gr. §8o<;, ethos - obyczaj) jest obiektywistyczną nauką biologiczną, badającą zachowanie w aspekcie przy- czynowym i przystosowawczym, a także zajmującą się rozwojem filogenetycznym i ontogenetycznym reakcji behawioralnych. Etologia uznaje istnienie zjawisk subiektywnych u zwierząt, nie opiera jednak na nich interpretacji zachowania. Etologia wyrosła z badań przeprowadzanych na zwierzętach w ich naturalnym środowisku. Program jej opracowali w latach 1930-1950 K. Z. Lorenz i N. Tinbergen. Przedmiotem badań etologicznych są zachowania instynktowe, problematyka uczenia się (W. H. Thorpe) i motywacja (R. A. Hinde). I. Eible-Ei- besfeldt rozszerzył zainteresowania etologii na człowieka, w wyniku czego powstała nowa jej gałąź - antropoetologia. Etologia posługuje się własnymi metodami badawczymi, opartymi głównie na obserwowaniu zachowania zwierząt w ich naturalnym środowisku. Bada też procesy nerwowe, na przykład sterujące wpajaniem (imprinting). Ten rozwijający się kierunek nazywa się neuroetologią. Przedmiotem zainteresowania ekologii są relacje między populacjami a ich środowiskiem nieożywionym (abiotycznym) i ożywionym (biotycznym). Ekologia behawioralna bada strategie przyjmowane przez zwierzęta przy ograniczonej podaży pokarmu (wzrost agresywności, migracje), śledzi zachowanie zwierząt, gdy pokarm jest rozmieszczony nierównomiernie lub gdy są dostępne różne jego rodzaje, bada geograficzne rozprzestrzenianie się gatunków w zależności od klimatu, dostępności pożywienia i liczebności populacji. Neurobiologia Neurobiologia (neurobiology, neuroscience) jest zbiorem bardzo wielu dyscyplin zajmujących się badaniem budowy, rozwoju i czynności układu nerwowego, jak na przykład neuroanatomia, neurofizjologia, neurofarmakologia, neurochemia, neurogenetyka itp. Dyscyplinę bezpośrednio badającą zachowanie, również u zwie- rząt, nazywano w Stanach Zjednoczonych i niektórych innych krajach psychologią eksperymentalną. Obecnie wyodrębnianie takiej dziedziny przestało być usprawied- liwione, gdyż metodami behawioralnymi posługują się również przedstawiciele innych dyscyplin, na przykład neurofarmakolodzy w celu badania leków psycho- 28 —Okno 2-------------------------------------------------------------------- Plastyczność mózgu Układ nerwowy charakteryzuje się dwiema właściwościami -pobudliwością i plastycznością. Dzięki pobudliwości elementów nerwowych bodźce działające na właściwe receptory powodują szybkie, lecz przejściowe zmiany czynności neuronów i ośrodków. Natomiast plastyczne właściwości mózgu polegają na tym, że układ nerwowy nie tylko reaguje na bodźce, lecz także ulega trwałej modyfikacji pod ich wpływem. Rozróżnienie pobudliwości i plastyczności mózgu jest zasługą polskiego fizjologa Jerzego Konorskiego (1948). Zgodnie z koncepcją wysuniętą przez tego badacza, w układzie nerwowym występują nie tylko połączenia aktualne, zawsze dostępne dla przenoszenia stanu czynnościowego między ośrodkami, na przykład czuciowymi i ruchowymi, lecz także nieaktywne połączenia potencjalne, które ulegają uczynnieniu w zależności od stanu fizjologicznego organizmu. Konorski zaproponował, że oprócz aktywnych synaps przekazu- jących stany czynnościowe między neuronami istnieją synapsy nieaktywne, które mogą być uczynnione i wykorzystane w procesie uczenia się, zwłaszcza w powstawaniu odruchów warunkowych. Plastyczność mózgu jest centralnym problemem niemal wszystkich dziedzin współczes- nej neurobiologii. Szczególnie interesujące są wyniki badań interdyscyplinarnych, w których wykazano, że w związku z wykonywanymi przez zwierzęta czynnościami w ośrodkach mózgowych powstają długo utrzymujące się zmiany biochemiczne, a także morfologiczne przekształcenia struktury neuronów i synaps. Plastyczne właściwości układu nerwowego odgrywają ogromną rolę w rozwoju osobniczym (ontogenetycznym) mózgu. Rozwój mózgu jest nie tylko zaprogramowany genetycznie, lecz w nie mniejszym stopniu zależy od oddziaływania środowiska. Dopływ informacji z otoczenia jest niezbędny dla kształtowania się zdolności percepcyjnych, umożliwiających rozpoznawanie bodźców złożonych i reago- wanie na nie. U ptaków szczególnym rodzajem uczenia się percepcyjnego jest wpajanie (imprinting), które polega na wytworzeniu trwałej reakcji podążania za przedmiotem spostrzeżonym w krytycznym okresie po wykluciu. Wpajanie jest związane z trwałymi zmianami biochemicznymi w neuronach mózgu pisklęcia. U ssaków plastyczne właściwości mózgu zaznaczają się wyraźnie w rozwoju funkcji układu wzrokowego. Nie tylko ograniczenie informacji wzrokowej, na przykład wskutek zaćmy, lecz także tłumienie informacji z jednego oka, jak w przypadku zeza, prowadzi do poważnego nieodwracalnego upośledzenia widzenia, zwłaszcza stereoskopowego. Kontakt ze środowiskiem społecznym jest nieodzownym warunkiem rozwoju mowy. Właściwość ta zależy wprawdzie od predyspozycji wrodzonych, konieczne jest jednak, aby dziecko w pewnym okresie życia słyszało mowę otoczenia. Plastyczność mózgu jest także podstawą rozwoju funkcji układu ruchowego i doskonalenia czynności lokomocyjnych i manualnych. Na rozwój mózgu przemożny wpływ wywierają hormony, zwłaszcza płciowe, które trwale różnicują czynności ośrodków podwzgórza w kierunku męskim lub żeńskim. Przedmiotem szczególnie intensywnych badań jest pamięć. Ich celem jest ustalenie zmian w strukturze neuronów i synaps odpowiedzialnych za kodowanie śladów pamięci długoterminowej. Laboratoryjnym analogiem śladu pamięciowego jest zjawisko długotrwałego wzmocnienia synaptycznego, badane na skrawkach mózgu, najczęściej hipokampa. W wy- niku wielokrotnego drażnienia włókien presynaptycznych dochodzi do usprawnienia procesu przekazywania informacji w synapsie. Towarzyszą temu zmiany biochemiczne i morfologiczne zarówno we włóknach presynaptycznych, jak i w neuronach, z którymi te włókna się kontaktują. l wreszcie ważnym przejawem plastyczności są możliwości kompensacji skutków uszkodzeń mózgu. Wprawdzie zniszczone neurony nie ulegają regeneracji, jednak funkcje uszkodzonego ośrodka mogą być przejęte przez inne obszary mózgu. Możliwa jest także reinerwacja, czyli unerwienie neuronu na nowo przez wypustki innych komórek, gdy 29 dotychczasowe komórki wraz z ich wypustkami uległy degeneracji. Proces ten jest stymulowany przez czynniki neurotroficzne. Znajomość plastycznych właściwości układu nerwowego ma ważne znaczenie nie tylko poznawcze, lecz i praktyczne, ponieważ wytycza kierunki poszukiwania nowych leków na potrzeby lecznictwa neurologicznego i psychiatrycznego oraz opracowywania metod usprawniania chorych z zaburzeniami funkcji mózgu, zwłaszcza ruchowych. Wiedza o kształtowaniu się czynności układu nerwowego w ontogenezie oraz o mózgowych mechanizmach uczenia się i pamięci może mieć niebagatelne znaczenie dla psychologii rozwojowej i wychowawczej. tropowych, neurogenetycy badający rolę czynników transkrypcyjnych w uczeniu się czy też fizjologowie obserwujący czynność narządów w toku wykonywania przez zwierzęta różnych zadań. Przedmiotem zainteresowania neurobiologii są mechanizmy sterujące czyn- nościami ruchowymi, mechanizmy percepcji, procesy uczenia się i pamięci, sterowanie przez mózg czynnościami motywacyjnymi. Do lat siedemdziesiątych XX w. zajmowano się ustalaniem roli ośrodków mózgowych w sterowaniu zachowaniem, a pod koniec tego okresu również znaczeniem przekaźników. W latach osiemdziesiątych zainteresowania naukowców przesunęły się w kierunku neurochemii i procesów molekularnych. Powstały i rozwijają się nieinwazyjne metody badania ośrodków mózgowych. Doskonalone są również testy behawioralne. Są one nadal oparte na odruchach warunkowych, głównie instrumentalnych, stosuje się jednak bardziej złożone bodźce warunkowe, na przykład u małp w postaci przedmiotów o różnych cechach (kształt, kolor), znanych i nieznanych zwierzęciu. Są w użyciu testy laboratoryjne służące badaniu różnych rodzajów pamięci u szczurów i małp. Aczkolwiek zachowanie zwierząt jest jak dawniej badane w warunkach laboratoryjnych, to jednak, pod wpływem etologii, stosuje się testy nawiązujące do naturalnych tendencji behawioralnych danego gatunku. Na przykład w konstrukcji labiryntów wykorzystuje się tendencję szczurów do penetracji jam i kryjówek i zdolność pamiętania miejsc już odwiedzonych. Metody badania czynności mózgu s * - ' * '' !V'~< " " i Eksperyment ostry i chroniczny. , , , , J Bioetyka eksperymentowania na zwierzętach ; W badaniach fizjologicznych stosuje się dwa rodzaje eksperymentu - ostry i chroniczny. Eksperyment ostry przeprowadza się jednorazowo na danym zwierzęciu, znajdującym się w stanie narkozy i utrzymywanym w tym stanie przez cały czas trwania doświadczenia. W eksperymencie ostrym można uzyskać informacje o funkcjonowaniu narządów wewnętrznych, a także o niektórych czynnościach układu nerwowego, na przykład o czynności pojedynczych neuronów. Dogodnym modelem do badania czynności neuronów są zwierzęta bezkręgowe 30 f o nielicznych, lecz dużych komórkach nerwowych. Eksperyment ostry jest jednak mało przydatny w badaniach nad zachowaniem, ponieważ stan narkozy z natury rzeczy wyłącza wszelkie zachowanie. Dlatego podstawą badań behawioralnych jest eksperyment chroniczny, wykonywany na nieuśpionym zwierzęciu. Oczywiście niezbędne zabiegi operacyjne, jak wszczepianie elektrod do mózgu, są prze- prowadzane pod narkozą. Rutynowym zwierzęciem laboratoryjnym jest szczur, rzadziej mysz. Badania nad wyższymi czynnościami psychicznymi, takimi jak mechanizmy pamięci i percepcji, są wykonywane na małpach. Eksperymentowanie na zwierzętach jest w większości krajów regulowane przepisami prawa. Metodyka eksperymentu musi zostać zatwierdzona przez kompetentną komisję bioetyczną. Poza tym istnieje dodatkowy system kontroli. Instytucje finansujące badania naukowe wymagają prowadzenia dokumentacji przeprowadzanych zabiegów operacyjnych, eksperymentów i sposobu uśmiercania zwierząt po zakończeniu doświadczenia. Czasopisma naukowe przyjmują do druku tylko te prace, które zostały wykonane zgodnie z wymogami bioetyki. W ostatnich latach do badania sieci nerwowych używa się skrawków mózgu, utrzymywanych przy życiu przez wiele dni poza ustrojem zwierzęcia. Takie skrawki, sporządzone z hipokampa, służą do badania neuronalnych modeli pamięci. Mózg do badań uzyskuje się od zwierzęcia w stanie narkozy. '-.• Stereotaksja .''./, W celu badania czynności struktur w głębi mózgu wprowadza się do ośrodków mózgowych elektrody i inne urządzenia, opisane w następnych podrozdziałach. Metodą ułatwiającą trafienie w wybrany ośrodek jest Stereotaksja. Operację wykonuje się w aparacie stereotaktycznym, umożliwiającym unieruchomienie głowy zwierzęcia. Równolegle do głowy znajduje się prowadnica, po której przesuwa się ramię z przymocowaną do niego elektrodą. Prowadnica i ramię są zaopatrzone w podziałkę milimetrową. Położenie elektrody wskazują atlasy stereotaktyczne, opracowane dla wszystkich zwierząt laboratoryjnych. Od konwen- cjonalnych atlasów anatomicznych mózgowia różnią się one tym, że na zamiesz- czonych w nich fotografiach lub schematach poszczególnych przekrojów mózgowia jest naniesiona podziałka milimetrowa. .«;,!;) ;[ ^i :r .>••.•;•.,- Wyniki z zastosowaniem stereotaksji badań czynności mózgu u zwierząt wpłynęły na rozwój neurochirurgii stereotaktycznej. W wielu przypadkach metoda ta umożliwia zniszczenie ogniska chorobowego w głębi mózgu za pomocą sondy wprowadzonej przez niewielki otwór w czaszce. .• - * Pobudzanie ośrodków mózgowych -»>.• -•. * ' • < ' _^"> W celu pobudzenia, czyli zwiększenia aktywności ośrodka mózgowego, a także rdzeniowego, stosuje się drażnienie elektryczne, chemiczne, osmotyczne i termiczne. Drażnienie elektryczne wykonuje się za pomocą elektrod wprowadzanych do mózgu i przytwierdzanych do czaszki cementem dentystycznym. Elektrody sporządza się najczęściej z cienkiego drutu stalowego, izolowanego na całej 31 długości z wyjątkiem zakończenia tkwiącego w badanym ośrodku. Do ośrodka można wprowadzać dwie elektrody i wówczas drażnienie nazywa się dwubiegunowym, można też stosować drażnienie jednobiegunowe za pomocą jednej elektrody umieszczonej w ośrodku i drugiej, znacznie większej, na przykład płytki metalowej, przytwierdzonej do kości czaszki. Impulsy elektryczne stosowane do drażnienia są wytwarzane przez przyrządy zwane stymulatorami. Najczęściej stosuje się impulsy prostokątne, o szybkim czasie narastania i opadania, których parametry, tj. częstość powtarzania, czas trwania i natężenie prądu elektrycznego płynącego przez tkankę, są precyzyjnie kontrolowane. Stosowanie metody drażnienia elektrycznego, oprócz uszkadzania tkanki mózgowej, przyczyniło się do ustalenia lokalizacji ośrodków kierujących popędami (głód, pragnienie, popęd seksualny, strach), stanami emocjonalnymi, stanami czuwania i snu, kontrolujących wydzielanie hormonów i czynność układu krążenia. Ponieważ nie wiadomo dokładnie, jakie elementy ośrodka nerwowego są pobudzane przez prąd elektryczny, metoda elektrycznego drażnienia ośrodków mózgowych jest obecnie zastępowana przez bardziej swoiste drażnienie chemiczne. Natomiast prądu elektrycznego nadal chętnie używa się do drażnienia włókien nerwowych, ponieważ sposób jego działania jest tutaj lepiej znany. U ludzi drażnienie kory mózgu i ośrodków podkorowych stosowano w celach diagnostycznych podczas zabiegów neurochirurgicznych. Były także próby tłumienia bólu drażnieniem odpowiednich ośrodków podkorowych u chorych na chorobę nowotworową. Ostatnio zastosowano tę metodę do usuwania objawów choroby Parkinsona. Drażnienie chemiczne polega na wstrzykiwaniu do tkanki mózgowej lub do komór mózgu substancji modyfikujących aktywność neuronów. Substancjami tymi najczęściej bywają związki aktywujące lub blokujące receptory przekaźników. Stosuje się też substancje działające na kanały jonowe. Roztwory tych związków są wprowadzane do mózgu za pomocą mikrostrzykawki w objętości 0,5-1 (al, niekiedy także metodą elektroforezy. Podobne do drażnienia chemicznego jest drażnienie osmotyczne. Polega ono na wprowadzaniu do mózgu hipertonicznego (tj. bardziej stężonego niż płyny ustrojowe) roztworu chlorku sodu. Obecnie jest rzadko stosowane. Dawniej służyło głównie do pobudzania struktur podwzgórza regulujących gospodarkę wodno- -elektrolitową ustroju. Metodą tą zbadano lokalizację i funkcję ośrodka pragnienia. Do drażnienia termicznego używa się miniaturowych urządzeń zwanych termodami. Są one najczęściej zbudowane z cienkich rurek, przez które przepływa woda o ustalonej temperaturze. Procedurę tę stosuje się do badania czynności ośrodków regulujących ciepłotę ciała. ,. ,, ,, ......,., ,.... .,.,...,.. Wyłączanie czynności ośrodków mózgowych Oprócz pobudzania ośrodków nerwowych w celu badania ich funkcji stosuje się również odwrotną metodę - trwałe albo czasowe wyłączenie ośrodka. Trwałe wyłączenie ośrodka osiąga się przez jego mechaniczne usunięcie, przez uszkodzenie prądem elektrycznym, przez wprowadzenie do niego substancji chemicznej niszczącej neurony albo przez zamrożenie. 32 W sposób mechaniczny usuwa się przeważnie struktury na powierzchni mózgu, a więc korę mózgu lub części móżdżku. Tego rodzaju zabieg nazywa się ablacją lub ekstyrpacją, a gdy obejmuje całą korę lub znaczną jej część - dekortykacją. Niszczenie ośrodków umieszczonych w głębi mózgu za pomocą prądu elektrycznego było dawniej powszechnie stosowaną metodą badawczą. Zabieg ten wykonuje się za pomocą wprowadzonych do ośrodka elektrod. Do uszkadzania tkanki nerwowej używa się znacznie silniejszego prądu niż do drażnienia. Prąd stały wytwarza ognisko uszkodzenia dzięki działaniu elektrolitycznemu, natomiast szybkozmienny - przez wytwarzanie wokół elektrody wysokiej temperatury. Tego rodzaju lokalne uszkodzenia mózgu nazywa się lezjami. Lezje wytworzone za pomocą prądu elektrycznego są nieswoiste - uszkodzenie obejmuje wszystkie elementy, które znalazły się w polu elektrycznym, a więc nie tylko neurony właściwego ośrodka i związane z nimi włókna oraz synapsy, lecz także włókna nerwowe o innym znaczeniu funkcjonalnym, przebiegające w sąsiedz- twie ośrodka. Podobny skutek wywiera zamrożenie tkanki. Dlatego obecnie do uszkadzania ośrodków stosuje się związki ekscytotoksyczne, to znaczy powodujące najpierw silne pobudzenie, a potem śmierć komórek. Najczęściej używanym związkiem ekscytotoksycznym jest kwas kainowy. Jego działanie, podobne do kwasu glutaminowego, polega na silnym pobudzeniu receptorów NMDA (patrz s. 132), co prowadzi do niekontrolowanej inwazji jonów wapnia do komórki i uczynnienia różnych przekaźników wtórnych. Nadmiernie pobudzona komórka ginie w podobny sposób, jak w wyniku zaburzeń ukrwienia mózgu. Kwas kainowy i podobne związki nie mają wpływu na włókna nerwowe. Czynność neuronów można też wyłączyć, wprowadzając do mózgu kolchicynę - związek uszkadzający mikrotubule i przerywający transport biologicznie aktywnych związków w aksonie. Trwałe lub czasowe wyłączenie czynności neuronów osiąga się, wprowadzając związki blokujące układy przekaźnikowe. Substancją taką jest 6-hydroksydopamina, uszkadzająca zakończenia synaptyczne, które uwalniają aminy katecholowe. Znane są związki o bardziej swoistym działaniu, tzn. blokujące czynność tylko tych neuronów, które posługują się jako przekaźnikiem noradrenaliną, dopaminą lub 5-hydroksytryptaminą. Badanie aktywności ośrodków mózgowych metodą radioaktywnej 2-deoksyglukozy Aktywne komórki nerwowe na pokrycie zwiększonego zużycia energii pobierają więcej glukozy. Końcowy produkt przemiany glukozy, glukozo-6-fosforan, jest metabolizowany do dwutlenku węgla i wody. Z jednakową łatwością, wykorzystując ten sam układ transportujący, do tkanki nerwowej wchodzi zmodyfikowana glukoza - 2-deoksyglukoza (2-DG) - i ulega przemianom do podobnego produktu - 2-DG-6-fosforanu. Produkt ten z trudnością ulega dalszym przemianom i długo pozostaje w komórce. Jeżeli zwierzęciu wstrzyknięto roztwór 2-DG, której cząsteczki zawierają radioaktywny atom węgla, i tak znakowana 2-DG wejdzie do komórek, atom ten znajdzie się w cząsteczkach 2-DG-6-fosforanu i przez pewien 33 tu czas będzie go można wykryć metodą autoradiografli. Po zabiciu zwierzęcia cienkie skrawki mózgu umieszcza się na odpowiednio czułej błonie rengenowskiej. Otrzymuje się wówczas obrazy tych skrawków, podobne do zdjęć rentgenowskich. Ośrodki mózgu, które były aktywne przed śmiercią zwierzęcia, są na nich uwidocznione jako miejsca intensywnie zaczernione. H,« * ( • , Metody genetyczne stosowane w badaniach zachowania W badaniach nad zachowaniem coraz częściej wykorzystuje się zwierzęta o zmienionej aktywności genu kodującego syntezę przekaźnika, hormonu lub białka receptorowego neuronu. Na przykład stwierdzono, że szczury z wrodzonym brakiem wazopresyny (hormonu antydiuretycznego) wykazują deficyt uczenia się. Takie zaburzenia mogą powstać w wyniku mutacji, ale także mogą być spowodo- wane zabiegami na genomie, na przykład przez usunięcie genu (knock out) albo przez wprowadzenie do zarodka obcego genu; uzyskane w ten sposób zwierzęta nazywane są transgenicznymi. > „ ,. . : Wykorzystanie zjawisk bioelektrycznych do badania czynności układu nerwowego * Funkcjonowaniu komórek roślinnych i zwierzęcych towarzyszą zjawiska elek- tryczne. Potencjały elektryczne można odebrać za pomocą elektrod, wzmocnić za pomocą urządzeń elektronicznych (wzmacniaczy), a przebieg ich uwidocznić na oscyloskopie lub zarejestrować na przesuwającej się taśmie papierowej. Analizą potencjałów wytwarzanych przez komórki nerwowe i mięśniowe zajmuje się elektrofizjologia. Osiągnięcia elektrofizjologii umożliwiły powstanie i udoskonalenie obecnie rutynowo stosowanych technik badania u człowieka czynności mózgu (elektroencefalografia), nerwów (elektroneurografia), mięśni szkieletowych (elektromiografia) i serca (elektrokardiografia). ,;,- . • ' - ' '' • . - ^)i l^\ U'.v ':--- < Badanie czynności neuronów Przedmiotem zainteresowania badacza może być pojedyncza komórka nerwowa, populacja neuronów albo aktywność ośrodka nerwowego lub części mózgu. Liczba badanych neuronów zależy m.in. od rozmiarów elektrody używanej do odbierania potencjałów elektrycznych. Do badania aktywności elektrycznej pojedynczych neuronów używa się mikroelektrod, mających zakończenia o średnicy nie przekraczającej l mikrona. Mikroelektrodę wprowadza się do wnętrza neuronu - taki sposób odbierania potencjałów nazywa się rejestracją wewnątrzkomórkową, albo umieszcza się na zewnątrz badanego neuronu, dotykając jego błony - metodę tę nazywa się rejestracją zewnątrzkomórkową. Do wewnątrzkomórkowej rejestracji potencjałów elektrycznych służą szklane pipetki wypełnione roztworem elektrolitu, najczęściej chlorku potasu. Doświadczenia te można wykonywać na dużych neuronach, jakie występują u niektórych zwierząt bezkręgowych, a u ssaków - na neuronach ruchowych rdzenia kręgowego. Czynność bioelektryczną pojedynczych neuronów, 34 l Rejestracja wewnątrzkomórkowa Rejestracja zewnatrzkomórkowa Rys. 1.1. Badanie czynności neuronów ,,,,,, metodami elektrofizjologicznymi. Rejestracja aktywności puli neuronów Potencjał polowy dużych i małych, można badać za pomocą mikroelektrod metalowych wprowadzo- nych tak, aby ich zakończenie znajdowało się w pobliżu neuronu. Badania ograniczają się wówczas do rejestracji potencjałów czynnościowych, natomiast nie umożliwiają śledzenia zjawisk poprzedzających pobudzenie neuronu ani też mechanizmu hamowania neuronu. Elektrody o większych rozmiarach (o średnicy kilkunastu mikronów) mogą odbierać potencjały wytwarzane przez kilka znaj- dujących się obok siebie komórek (rys. 1.1). . • . ,• v c( „ t i -;• • » : ' Elektroencefalografia Metoda odbierania potencjałów elektrycznych mózgu za pomocą dużych elektrod, o średnicy części milimetra lub większej, czyli tzw. makroelektrod, nazywa się elektroencefalografią (EEG). W rutynowym badaniu EEG potencjały elektryczne są zapisywane pisakiem atramentowym na przesuwającej się taśmie papierowej. Zapis taki, zwany elektroencefalogramem, przedstawia zsumowaną aktywność dużych populacji neuronów, obejmujących całe struktury mózgowe. Elektrody są umocowywane w standardowych miejscach na skórze głowy pacjenta. U zwierząt doświadczalnych aktywność EEG odbiera się za pomocą elektrod umieszczanych w kości czaszki. Oprócz tego elektrody wszczepia się do ośrodków w głębi mózgu, w celu bezpośredniego badania ich czynności. Zabieg operacyjny wszepiania elektrod jest wykonywany w narkozie ogólnej, a po kilku dniach zwierzę jest używane do doświadczeń w pełnym stanie czuwania. Rejestrację aktywności EEG bezpośrednio ze struktur mózgowych stosuje się również u pacjentów podczas operacji neurochirurgicznych w celu zbadania właściwości ogniska chorobowego. Aktywność EEG jest mieszaniną fal o różnych częstotliwościach. Uwidocz- nienie tych częstotliwości nie jest możliwe w rutynowym elektroencefalogramie, ponieważ przedstawia on zapis zsumowany. W celu wyłowienia w elektroencefalo- gramie fal „ukrytych" potencjały po wzmocnieniu przepuszcza się przez układy 35 elektroniczne analizujące automatycznie pasma, obejmujące różne zakresy częstot- liwości. Uzyskana w ten sposób informacja ma znaczenie w diagnostyce neuro- logicznej. Potencjały wy wołane W poprzednich podrozdziałach była mowa o spontanicznej aktywności bioelek- trycznej neuronów i struktur mózgowych. Za spontaniczną uważa się taką aktyw- ność, która występuje bez stosowania dodatkowych bodźców, natomiast potencjałem wywołanym jest zjawisko bioelektryczne pojawiające się w odpowiedzi na zastosowany konkretny bodziec. Metodę potencjałów wywołanych stosowano dawniej do ustalania połączeń między ośrodkami mózgowymi. Do mózgu wprowadza się dwie elektrody - drażniącą i odbierającą. Drażnienie ośrodka mózgowego albo drogi nerwowej odbywa się za pomocą impulsów elektrycznych z generatora. Odbierane potencjały, po wzmocnieniu, są uwidaczniane na ekranie oscyloskopu. Analiza potencjału wywołanego umożliwia ocenę charakteru połączenia między ośrodkami, na przykład ustalenie, czy połączenie składa się z dużej, czy małej liczby synaps. Potencjały wywołane bada się również u ludzi, stosując bodźce wzrokowe, słuchowe, dotykowe, bólowe czy też drażnienie nerwów czuciowych prądem elektrycznym. Analiza tych potencjałów ma znaczenie w diagnostyce zaburzeń sensorycznych (rys. 1.2). Często potencjał wywołany, zwłaszcza rejestrowany u człowieka techniką EEG ze skóry głowy, ma tak małą amplitudę, że nie można go dostrzec na tle spontanicznej aktywności EEG. Stosuje się wówczas metodę ekstrakcji potencjału, polegającą na wielokrotnym powtarzaniu bodźca i uśrednianiu otrzymanych potencjałów za pomocą układu elektronicznego. Przypadkowa aktywność bioelek- tryczna, o przeciwnej polaryzacji (dodatniej i ujemnej), ulega w ten sposób wygaszeniu, tak że otrzymuje się uśredniony „czysty" potencjał wywołany. Do badania czynności niektórych ośrodków, na przykład słuchowego czy mowy, stosuje się zamiast prostych bodźców fizycznych (jak dźwięki, trzaski) bodźce o określonym znaczeniu, na przykład zdania sensowne lub bezsensowne. Ostatnio coraz większe zainteresowanie budzi metoda badania czynności mózgu zwana magnetoencefalografią. W metodzie tej wykorzystuje się fakt, ...prawidłowe Zdanie... Rys. 1.2. Badanie czynności mózgu człowieka metodą potencjałów wywołanych. 200 400 600 milisekundy Potencjał wywołany 36 że przepływ impulsów przez leżące blisko siebie włókna nerwowe powoduje powstanie pola magnetycznego, które można zarejestrować za pomocą odpowied- nich urządzeń. l Badanie czynności mózgu u ludzi * <••»,,•• . • >»',, W przeszłości źródłem informacji o czynności mózgu człowieka były z reguły wyniki badań lekarskich pacjentów kliniki neurologicznej lub neurochirurgicznej. Przy ówczesnym stanie technik badawczych ustalenie dokładnej lokalizacji uszkodzenia mózgu za życia chorego nie zawsze było możliwe, a małe ogniska chorobowe często były trudne do wykrycia. Jednak w ciągu co najmniej dwóch wieków obserwacji klinicznych stosunkowo dobrze poznano organizację czynności ruchowych i sensorycznych, zwłaszcza czucia somatycznego, wzroku i słuchu, umiejscowienie ośrodków mowy, rolę płata czołowego i skroniowego w czynnoś- ciach psychicznych, znaczenie hipokampa w mechanizmie pamięci. ..••.• Wprowadzenie nowych sposobów uwidaczniania struktur mózgowych za pomocą różnych wersji tomografii komputerowej spowodowało lawinowy postęp w badaniach czynności mózgu ludzkiego. Metody te są niezmiernie cenne w diagnostyce neurologicznej, ponieważ umożliwiają dokładne rozpoznanie miejsca i stopnia uszkodzenia mózgu, a także ułatwiają wybór właściwego leczenia i ocenę jego skuteczności. Dla potrzeb badawczych cenna jest znajomość lokalizacji uszkodzenia mózgu, zwłaszcza u osób z niewielkimi zaburzeniami neurologicznymi, stosunkowo sprawnych. Chorych tych można poddawać ba- daniom za pomocą właściwie opracowanych testów psychologicznych, uwzględ- niających szybkość uczenia się, różne rodzaje pamięci, inteligencję, rozwią- zywanie zadań manualnych, percepcję, czynności motywacyjne i wrażliwość emocjonalną. Upośledzenie wykonywania tych testów przez chorych można skorelować z wynikami badań tomograficznych mózgu. Należy zaznaczyć, że badania psychologiczne przynoszą pożytek samemu choremu, ponieważ ułatwiają wybór terapii, zwłaszcza zajęciowej, a także umożliwiają ocenę przebiegu leczenia środkami farmakologicznymi. Metody wizualizacji struktur mózgowych Tomografia komputerowa Tomografia komputerowa jest metodą umożliwiającą uzyskiwanie warstwowych zdjęć narządów za pomocą zmodyfikowanej techniki radiologicznej (rentgeno- wskiej) i komputerowego opracowania pomiarów. Ruchome źródło wiązki promieni rentgenowskich porusza się po łuku wokół głowy pacjenta. Wiązka po przejściu przez czaszkę ulega osłabieniu. Natężenie wiązki jest mierzone za pomocą czujników umieszczonych na jej drodze po przeciwnej stronie badanego. Natężenie promieni odzwierciedla fizyczny stan tkanki nerwowej. Wyniki pomiarów są opracowywane matematycznie. Na ich podstawie tworzy się rozkład zaczernień błony rentgenowskiej, przedstawiający obraz badanej warstwy. W ten sposób uzyskuje się obrazy kolejnych przekrojów mózgu. 37 Rezonans magnetyczny :-,! ,v-",". , -•;•'<•!,•.•• •- -.-..' ": Jądra atomów o nieparzystej liczbie protonów (np. jądro wodoru) mają moment magnetyczny, przez co w silnym polu magnetycznym, jak małe magnesy, ustawiają się swymi biegunami wzdłuż jego linii. Jeśli na atomy zadziałają dodatkowo fale radiowe o określonej częstotliwości, zmienia się moment magnetyczny atomów i jednocześnie zmienia się kierunek ustawienia ich w polu stałego magnesu. Po wyłączeniu fal radiowych atomy wracają do pierwotnego ustawienia w polu magnetycznym. Powoduje to wypromieniowanie energii, która jest odbierana za pomocą odpowiednich czujników. Czas, w jakim dochodzi do zmian ustawienia atomów pod wpływem impulsów fal radiowych (tzw. stała czasowa), zależy od struktury tkanki. Właściwość ta umożliwia uwidocznienie w mózgu, w sposób nieszkodliwy dla badanego, ognisk chorobowych o bardzo małych rozmiarach. Głowę pacjenta umieszcza się w stałym polu magnetycznym. Generator fal radiowych porusza się wokół niej po łuku. Promienie elektromagnetyczne generowane w związku ze zmianą momentu magnetycznego atomów mierzy się za pomocą odpowiednio rozmieszczonych odbiorników tych fal. Pomiary stałej czasowej zmian momentu magnetycznego służą do opracowania techniką kom- puterową obrazów kolejnych przekrojów mózgu. Emisyjna tomografia pozytonowa , 5; Vi n v-i >;; 4 ^ *» ^ ; ;» Tomografia oparta na emisji pozytonu (positron emission tomogmphy - PET) wykorzystuje zjawiska promieniowania anihilacyjnego wskutek połączenia się pozytonu z elektronem (negatonem). Protony w jądrach atomowych izotopów (nuklidów) o zmniejszonej liczbie neutronów mają tendencję do przekształcania się w neutrony, w wyniku czego są wypromieniowywane pozytony. Dodatnio naładowany pozyton jest nietrwały - gdy napotka ujemnie naładowany elektron, łączy się z nim i ulega anihilacji. Emitowane są wówczas dwa kwanty promienio- wania gamma, które rozchodzą się w przeciwnych kierunkach. Badanemu wstrzykuje się małą ilość związku chemicznego, na przykład 2-deoksyglukozy, którego nagromadzenie w komórkach świadczy o ich zwięk- szonej aktywności. Stosuje się też substancje wiązane przez specyficzne układy funkcjonalne mózgu, na przykład przez receptory przekaźników, a w celu pomiaru przepływu krwi przez ośrodki mózgowe - tlenek węgla (wiązany przez hemoglobinę krwinek czerwonych). W cząsteczkach wstrzykniętego związku znajduje się promieniotwórczy atom (radionuklid), najczęściej "C, 18F lub 15O. Promieniowanie anihilacyjne mierzy się za pomocą czujników ustawionych przeciwstawnie wokół głowy pacjenta, a uzyskane wyniki, przetworzone przez układy elektroniczne i analizowane przez komputer, służą do sporządzania map przekrojów mózgu. Stopień aktywności ośrodków mózgowych jest uwidocz- niony na ekranie monitora w postaci różnego zabarwienia badanych obszarów (rys. 1.3). • • Metoda PET jest szczególnie przydatna w rozpoznawaniu zaburzeń krążenia krwi w mózgu, pozwala uwidocznić ognisko padaczkowe, umożliwia dokładne określenie miejsca i rodzaju zaburzenia funkcji układu dopaminergicznego 38 Rys. 1.3. Zasada emisyjnej tomografii pozytonowej (PET); A - schemat atomu; B - rozmieszczenie czujników wokół czaszki; C - obraz na ekranie monitora komputerowego. .,,.,.. .":•,-...' Czujniki promieniowania A , ,- 15O Elektrony 11C Protony/ Anihilacja Neutrony ' w chorobie Parkinsona, a nawet ocenę skuteczności leczenia tego zaburzenia. Jej zaletą jest wysoka czułość. Substancje promieniotwórcze są wprowadzane do organizmu chorego w niewielkich dawkach, a nuklidy te, ze względu na krótki okres półtrwania, są nieszkodliwe dla zdrowia badanych. Metodę PET stosuje się też w nieinwazyjnych badaniach czynności ośrodków mózgowych u małp wykonujących różne zadania behawioralne. Perspektywy dalszych badań W najbliższej przyszłości można oczekiwać dalszego udoskonalenia metod badawczych, jakimi posługuje się neurobiologia. Już obecnie są podejmowane prace nad zwiększeniem rozdzielczości metod obrazowania mózgu. Lepsze urządzenia nie tylko zwiększą skuteczność rozpoznawania uszkodzeń mózgu, lecz także stworzą większe możliwości badania funkcji ośrodków mózgowych. Niein- wazyjne metody badania mózgu znajdą też zastosowanie w doświadczeniach na zwierzętach, zwłaszcza na małpach. Wyeliminuje to konieczność stosowania zabiegów operacyjnych. W badaniach neurobiologicznych będzie nadal aktualny problem pamięci i starzenia się. Prowadzone będą badania nad wyjaśnieniem przyczyn chorób układu nerwowego upośledzających pamięć, zwłaszcza choroby Alzheimera, która staje się poważnym problemem społecznym. Przedmiotem badań będą też choroby powodujące zaburzenia ruchowe, takie jak choroba Parkinsona. Można się spodziewać postępu w badaniach związków biologicznie aktywnych, jak neuroprzekaźniki, neuromodulatory, neurohormony i czynniki troficzne. 39 Poznanie mechanizmu działania dotychczas znanych i odkrycie nowych związków zaowocuje rozwojem neurofarmakologii. Powstaną nowe leki, które znajdą zastosowanie w leczeniu nerwic i chorób psychicznych. W związku z rozwojem biologii molekularnej powstanie zapotrzebowanie na badania nad zachowaniem zwierząt transgenicznych i otrzymanych metodą klonowania. Wyniki tych badań umożliwią ocenę genetycznego podłoża czyn- ności popędowo-emocjonalnych, procesów percepcyjnych, uczenia się i pamięci, sterowania ruchem. Pozwolą rozróżnić wrodzone i nabyte mechanizmy zacho- wania. 2. Dynamiczna struktura organizmów żywych. Dziedziczenie cech Ei elementarną jednostką budowy żywego organizmu jest komórka. Ciało zwierzęcia o wysokim stopniu rozwoju składa się z miliardów komórek. Komórki o podobnej budowie i funkcji tworzą tkanki. Tkanki wchodzą w skład narządów organizmu. Niektóre komórki, na przykład krwinki, są w ciągu całego życia organizmu ustawicznie odnawiane - stare są niszczone, a na ich miejsce powstają nowe. Inne komórki, na przykład nerwowe, raz ukształtowane w życiu płodowym, sprawują swą funkcję przez całe życie osobnika, a zniszczone lub uszkodzone nie są już odtwarzane. Lecz nawet komórki funkcjonujące dożywotnio bynajmniej nie utrzymują się w stanie niezmienionym - elementy ich budowy są stale demontowane i zastępowane nowymi. W miarę potrzeby, na przykład w razie nasilenia się czynności narządu albo w okresie rozwoju i wzrostu organizmu, budowa komórek jest odpowiednio modyfikowana. Dotyczy to nawet tak „stabilnych" komórek, jak komórki nerwowe. Organizmy żywe mają ponadto zdolność wydawania podobnego do siebie potomstwa. Wiążą się z tym - powstawanie komórek zarodkowych (gamet), zapłodnienie, rozwój zarodka i dojrzewanie młodego osobnika po urodzeniu. Powstawanie nowych komórek oraz odnowa składników starych komórek przebiega według ustalonego programu. Dzięki temu komórki potomne są identyczne pod względem budowy i funkcji z komórkami rodzicielskimi, a stale odnawiane elementy budowy komórek zachowują swą podstawową strukturę. Dzieje się tak, ponieważ organizm dysponuje szczegółowym planem (diagramem) budowy swych narządów. Plan ten, przechowywany w strukturze genów, nosi nazwę kodu genetycznego, a zawarte w nim dane to informacje genetyczne. Kodowanie struktury białek Szczególną rolę w funkcjonowaniu organizmu odgrywają białka. Białka, będące głównym budulcem komórek, nazywa się strukturalnymi. Inne substancje białkowe (hormony, enzymy, przekaźniki wtórne, czynniki wzrostu, białka receptorów przekaźników i hormonów, białka tworzące kanały jonowe), nazywane białkami funkcjonalnymi, regulują procesy życiowe komórek i narządów. 41 Cząsteczki białka są zbudowane z elementarnych cegiełek - aminokwasów. Wszystkie aminokwasy mają dwie wspólne cechy budowy: 1) w cząsteczce aminokwasu występuje zawsze grupa kwasowa -COOH i grupa zasadowa -NH2, 2) grupa zasadowa -NH2 znajduje się w pozycji a, to znaczy jest związana z tym samym atomem węgla, z którym jest związana grupa -COOH. W organizmie ssaków występuje około 20 aminokwasów. Różnice między aminokwasami dotyczą budowy tzw. reszty aminokwasowej, połączonej z tym samym atomem węgla, z którym są połączone grupy -COOH i -NH2. Cząsteczki różnych aminokwasów łączą się za pomocą wiązań peptydowych. W wiązaniach tych grupa zasadowa jednego aminokwasu tworzy połączenie z grupą kwasową drugiego aminokwasu. W ten sposób powstają łańcuchy aminokwasów o różnej długości. Związki zbudowane z krótkich łańcuchów nazywa się peptydami. Wśród nich rozróżnia się oligopeptydy, zbudowane zaledwie Rys. 2.1. Aminokwasy; A -ogólna struktura aminokwasu i powstawanie wiązania peptydowego; B - budowa peptydu; C - aminokwasy występujące jako przekaźniki lub prekursory przekaźników. grupa grupa aminowa karboksylowa (zasadowa) (kwasowa) : Hx H 4 P Hv H /P N-C-C N— C J— Q HX 1 OH _ H] SOH Reszta H,O Reszta aminokwasowa • '2 aminokwasowa Koniec N Wiązania peptydowe Hx H O*H H*O H H /. /N-C-C-N-C-C-N-C-C Reszta aminokwasowa Reszta aminokwasowa ' Reszta aminokwasowa H H i H H H2N-C-COOH H2N-C-COOH H2N-C-COOH H,N-C-COOH H CH, CH, CH2 Glicyna ĆHa aminokwas COOH H hamujący Kwas glutaminowy OH aminokwas Tyrozyna Tryptofan pobudzający prekursor amin prekursor ;j*i';r<'VS;> . katecholowych 5-hydroksy- tryptaminy . f i 42 z kilku aminokwasów, i polipeptydy, w skład których wchodzi od kilkanastu do kilkudziesięciu aminokwasów. Natomiast białka tworzą łańcuchy zbudowane z wielu setek i tysięcy aminokwasów. Na jednym końcu łańcucha (tzw. końcu N) występuje grupa zasadowa -NH2, a na drugim końcu (na końcu C) - grupa kwasowa -COOH (rys. 2.1). Sekwencja aminokwasów w cząsteczkach białek jest stała u danego gatunku zwierząt i zakodowana genetycznie. Wzorce wszystkich białek organizmu są przechowywane w strukturze kwasu deoksyrybonukleinowego (deoxyribonucleic acid - DNA) genów i podczas podziałów komórek przechodzą do komórek potomnych. Należy podkreślić, że rola genów nie ogranicza się do dziedziczenia cech organizmu. W ciągu całego życia osobnika trwają procesy odnowy, a wraz z nimi odbywa się sterowana przez geny synteza nowych białek strukturalnych. Poza tym „na bieżąco" geny sterują również syntezą białek funkcjonalnych komórki, na które zapotrzebowanie zmienia się stosownie do czynności aktualnie wykonywanych przez organizm. V •,•* Rola kwasów nukleinowych w kodowaniu informacji genetycznej Podobnie jak elementarnymi składnikami cząsteczki białka są aminokwasy, tak elementarnymi składnikami kwasu nukleinowego są nukleotydy. Cząsteczka nukleotydu składa się z trzech części: 1) zasady purynowej lub pirymidynowej, 2) rybozy i 3) kwasu fosforowego. W zależności od budowy rybozy rozróżnia się kwas rybonukleinowy i kwas deoksyrybonukleinowy. Ryboza jest węglowodanem o pięciu atomach węgla. Jak pokazano na rys. 2.2, atom węgla oznaczony jako 1 jest połączony z zasadą purynową albo pirymidynową. Atom węgla oznaczony jako 5' łączy się z kwasem fosforowym. Przy atomie węgla oznaczonym jako 3' występuje zawsze atom tlenu (w grupie -OH). Rodzaj kwasu nukleinowego zależy od tego, czy również przy atomie węgla oznaczonym jako 2' występuje atom tlenu, czy też tylko atom wodoru. Ryboza mająca ten atom tlenu (a więc i grupę -OH) wchodzi w skład kwasu rybonukleinowego (ribonucleic acid - RNA). Natomiast ryboza bez tego atomu tlenu nazywa się deoksyrybozą i wchodzi w skład kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA). •*>&>.;J^ina^* • ;,.:.;<•-. Kwasy DNA i RNA różnią się jeszcze rodzajem zasad wchodzących w ich skład nukleotydów. O ile zarówno w DNA, jak i RNA występują te same zasady purynowe - adenina (A) i guanina (G), oraz jedna z zasad pirymidynowych - cytozyna (C), o tyle drugą zasadą pirymidynową w DNA jest tymina (T), a w RNA podobny do niej pod względem budowy uracyl (U). Tak więc w nukleotydach cząsteczki DNA występują zasady A, G, T i C, w nukleotydach zaś cząsteczki RNA - A, G, U, C. Sekwencja tych zasad w cząsteczce DNA jest właśnie istotą kodu genetycznego białek. Kolejne nukleotydy w cząsteczkach DNA i RNA są powiązane ze sobą w taki sposób, że atom fosforu w cząsteczce kwasu fosforowego jednego nukleotydu łączy się, poprzez atom tlenu, z atomem węgla 3' deoksyrybozy (lub rybozy) 43 ł fłys. 2.2. Budowa nukleotydów; P - kwas fosforowy. ADENINA NH* GUANINA ZASADY PURYNOWE HC O ^ W" HC' NH J Ryboza-RNA vy Deoksyryboza -DNA \/Cx l J Ryboza-RNA ^E/ Deoksyryboza -DNA ZASADY PIRYMIDYNOWE NH, CYTOZYNA i M^friJBI-:."! ••;. ''Hi-'; .i'i-r«'. Kwas rybonukleinowy Kwas deoksyrybonukleinowy następnego nukleotydu. Na jednym końcu łańcucha tworzącego cząsteczkę DNA lub RNA znajduje się zatem wolna reszta kwasu fosforowego (przyłączona, jak wspomniano wyżej, do atomu 5' rybozy albo deoksyrybozy), na drugim zaś końcu - „odsłonięty" atom węgla 3'. Mówi się zatem, że łańcuch kwasu rybonukleinowego ma koniec 5' i koniec 3'. Cząsteczki kwasu deoksyrybonukleinowego są ułożone parami przeciwrów- nolegle, to znaczy w taki sposób, że koniec 3' jednej cząsteczki znajduje się naprzeciwko końca 5' drugiej (przeciwległej) cząsteczki. Takie wzajemne ułożenie obu cząsteczek DNA powoduje, że między zasadami wchodzącymi w skład nukleotydów obu cząsteczek mogą powstawać wiązania chemiczne, przy czym jedną w tak połączonej parze jest zasada purynowa, drugą zaś zasada pirymidynowa. Przeciwległe cząsteczki DNA są więc połączone mostkami A-T i G-C. Istotą mostka jest tzw. wiązanie wodorowe, które polega na tym, że jon wodoru związany z atomem azotu jednej zasady okresowo łączy się z atomem azotu lub tlenu drugiej zasady. Konfiguracja przestrzenna zasad i połączenia między nimi powodują, że 44 cząsteczki DNA są wzajemnie skręcone i tworzą tandem o strukturze podwójnej spirali. Natomiast cząsteczki RNA nie tworzą podobnych par i występują w postaci pojedynczych łańcuchów nukleotydowych (patrz rys. 2.5). , • ..-..•. i •. - *• ' * ~C Powstawanie kopii cząsteczek DNA Cząsteczki DNA są matrycą, na której mogą być syntetyzowane nowe cząsteczki DNA o komplementarnej budowie, co oznacza, że w miejscu zasad A, T, C i G cząsteczki macierzystej w cząsteczce pochodnej występują odpowiednio zasady T, A, G i C. Proces tworzenia komplementarnej kopii cząsteczki DNA nazywa się replikacją kwasu deoksyrybonukleinowego. Ponieważ obie cząsteczki DNA w tej samej spirali są matrycami dla swych komplementarnych kopii, w efekcie powstaje nowa para cząsteczek DNA, o sekwencji nukleotydów identycznej z tą, jaka charakteryzuje cząsteczki pierwotne (rys. 2.3). Replikacją DNA odgrywa ważną rolę w podziałach komórek, ponieważ umożliwia przekazy- wanie kodu genetycznego z komórki macierzystej do komórek potomnych. Rys, 2.3. Replikacją DNA; kolejne fragmenty starej cząsteczki DNA rozwijają się i służą jako matryca do syntezy nowej cząsteczki. Spirala rozwinięta Spirala skręcona: stare cząsteczki DNA Spirala rozwinięta Spirala skręcona: nowe cząsteczki DNA Matryca Cząsteczki replikowane Spirala skręcona: stare cząsteczki DNA Przebieg syntezy białek w komórce W większości komórek organizmu można wyodrębnić dwie wyróżniające się części - jądro i cytoplazmę (rys. 2.4). Głównym składnikiem jądra komórki jest chromatyna, utworzona z łańcuchów DNA. Chromatyna jest luźno rozmieszczona w środowisku jądra, czyli w karioplazmie, i tylko w okresie podziału komórki tworzy zbite twory zwane chromosomami. W obrębie łańcuchów DNA można wyodrębnić odcinki (fragmenty) o specjalnym znaczeniu funkcjonalnym, czyli geny. Miejsce chromosomu zajmowane przez dany gen nazywa się locus tego genu. Struktura genów jest kodem, na podstawie którego są syntetyzowane białka komórki. Pierwszy etap syntezy białek, nazywany transkrypcją, przebiega w jądrze komórki. Na etapie tym powstaje cząsteczka informacyjnego RNA (messenger RNA - mRNA) o budowie komplementarnej względem struktury odpowiedniego genu. W jądrze są wytwarzane także inne rodzaje RNA uczestniczące w syntezie 45 Transkrypcja DNA—t mRNA l Translacja (powstawanie łańcucha peptydowego) Formowanie cząsteczki "" Magazynowanie białka Cytoplazma Jądro Jąderko V Rys. 2.4. Główne struktury komórki z zaznaczeniem miejsc, w których przebiegają kolejne ,,r f etapy syntezy • , <\ białek. białek, a mianowicie przenośnikowy RNA (transfer RNA - tRNA) i rybosomalny RNA (rRNA). Rybosomalny RNA powstaje w części jądra zwanej jąderkiem. Zespół cząsteczek rRNA wchodzi w skład rybosomu, w którym odbywa się łączenie aminokwasów w cząsteczkę peptydu. Jądro otacza błona zaopatrzona w pory, przez które odbywa się wymiana substancji między środowiskiem jądra a cytoplazmą komórki. Rybosomy opuszczają jądro przez te pory. Do cytoplazmy przechodzą tą drogą również cząsteczki tRNA imRNA. Drugi, właściwy etap syntezy białek, zwany translacją, odbywa się w cyto- plazmie, a ściślej w strukturze zwanej siateczką śródplazmatyczną. Siateczka jest systemem błon otaczających przestrzenie, wśród których wyróżnia się cysterny i komory. Siateczka śródplazmatyczną występuje w dwóch postaciach: ziarnistej i gładkiej. Do siateczki ziarnistej przyczepiają się, po opuszczeniu jądra, rybosomy, w których zachodzi translacja, czyli formowanie cząsteczek peptydów na podstawie kodu zawartego w cząsteczce mRNA. Powstałe tu cząsteczki peptydów są przekazywane do dalszej obróbki w obrębie siateczki gładkiej i w związanym z nią aparacie Golgiego. Peptydy łączą się tu w dłuższe łańcuchy białkowe, które są umieszczane w pęcherzykach i w tej formie uwalniane do cytoplazmy. Transkrypcja ,,, , , • ., , '; , . , 4 ,; Fragment cząsteczki DNA o specyficznej sekwencji nukleotydów, czyli gen, stanowi matrycę, na której jest syntetyzowana komplementarna względem niej cząsteczna mRNA. Komplementarność budowy fragmentu DNA i syntetyzowanej na nim cząsteczki RNA polega na tym, że do zasad A, G, T i C DNA przyłączają się, za pomocą wiązań wodorowych, odpowiednio zasady U, C, A i G. Ustawione w tak uformowanym rzędzie nukleotydy zostają następnie powiązane wskutek działania enzymu polirybonukleazy i tworzą cząsteczkę mRNA. Należy zauważyć, że w procesie tym, zwanym transkrypcją, jest przepisywany komplementarny stan tylko jednej z dwu cząsteczek DNA (rys. 2.5). Rys, 2.5. Schemat przebiegu transkrypcji. »* -, ' • PODWÓJNA SPIRALA DNA ROZWINIĘTY FRAGMENT SPIRALI l l l l l l l l l l l l l l l ATAGTATAGGGCAAA TATCATATCCCGTTT MMIII MATRYCA ONA S 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 X ATAGTATAGGGCAAA UAUCAUAUCCCGUUU ,111111111111111, syntetyzowana cząsteczka mRNA TATCATATCCCGTTT 1 1 1 1 1 1.1.1. 1. M J 1.1 li ' CZĄSTECZKI DNA PONOWNIE ZWINIĘTE U A d=± U C A l l l A U C C C G II II l l U U U l l l, cząsteczka mRNA Sekwencja nukleotydów w tej cząsteczce DNA - matrycy dla mRNA - jest określana jako „antysensowna", natomiast sekwencja nukleotydów w komplemen- tarnej względem niej cząsteczcie mRNA - jako „sensowna". „Sensowna" jest także sekwencja nukleotydów w drugiej cząsteczce DNA, która nie uczestniczy w procesie transkrypcji. Znajomość tej nomenklatury jest niezbędna do zrozumienia mechanizmu działania nukleotydów antysensownych - narzędzia badawczego biologii molekularnej. Gen zawiera nie tylko kod syntetyzowanego białka, lecz także informację o początku i końcu fragmentu, który ma ulec transkrypcji, o intensywności syntezy, a nawet o narządach i komórkach, w których ta synteza ma przebiegać. Ta dodatkowa ważna informacja znajduje się w części genu zwanej promotorem, utworzonej przez odpowiednią sekwencję nukleotydów DNA. W znacznym 47 uproszczeniu można sobie wyobrazić, że do promotora przyłącza się jedna z podjednostek enzymu polirybonukleazy. Enzym ten otrzymuje instrukcję o miejscu startowym, od którego ma rozpocząć scalanie nukleotydów w cząsteczkę RNA. Miejsce końca syntezy oznajmia sygnał STOP w postaci odpowiedniej sekwencji nukleotydów DNA. W obrębie promotora znajduje się jeszcze część wrażliwa na tzw. czynniki transkrypcyjne. Działanie tych czynników jest niezbędne dla ekspresji genu, czyli dla wykorzystania informacji zawartej w genie do syntezy białka (rys. 2.6). Rys. 2.6. Części składowe genu. Miejsce Miejsce Sekwencja działania określające określająca czynników intensywność miejsce transkrypcyjnych transkrypcji startu Fragment podlegający - transkrypcji ----- W rzeczywistości proces transkrypcji jest bardziej skomplikowany. W łań- cuchu DNA występują miejsca „aktywne", zwane eksonami, zawierające właściwy kod genetyczny, oraz miejsca „nieaktywne", tzw. introny, a mRNA jest kom- plementarną kopią eksonów. W większości komórek proces transkrypcji przebiega dwufazowo. Najpierw powstaje duża cząsteczka mRNA zawierająca komple- mentarne kopie zarówno eksonów, jak i intronów, potem, w wyniku działania odpowiednich enzymów, kopie intronów zostają usunięte, natomiast kopie ekso- nów łączą się ze sobą. T > ',:-;i,';~'.',.~.:> Często pewna grupa białek pełni określoną wspólną funkcję biologiczną. Na przykład białko enzymu czy receptora składa się z kilku podjednostek, z których każda jest zakodowana w strukturze oddzielnego genu. Wówczas wszystkie geny sterujące syntezą tego enzymu lub receptora tworzą zespół zwany operonem i funkcjonują w sposób skoordynowany. Translacja W procesie translacji odgrywają rolę, oprócz mRNA, przenośnikowy i rybosomalny RNA (tRNA i rRNA), które również opuszczają jądro komórkowe i odgrywają swą właściwą rolę w cytoplazmie (rys. 2.7). 48 Rys. 2.7. [[[Schemat przebiegu translacji; A - cząsteczka mRNA przyczepia się do rybosomów i kolejno przesuwa się o jeden kodon od miejsca A do miejsca P rybosomu; B - struktura przenośnikowego RNA (tRNA); C - kolejne etapy budowania cząsteczki peptydu z pojedynczych aminokwasów; cząsteczka tRNA z właściwym antykodonem przyczepia się do kodonu mRNA w miejscu A rybosomu; cząsteczka ta niesie ze sobą swoisty dla niej aminokwas (1, 4); łańcuch aminokwasów doczepiony do tRNA zajmującego miejsce P rybosomu dołącza się do aminokwasu związanego z cząsteczką tRNA w miejscu A (2, 5), a wówczas cząsteczka tRNA, pozbawiona aminokwasu, opuszcza miejsce P; cząsteczka mRNA przesuwa się o jeden kodon i pociąga za sobą cząsteczkę tRNA z łańcuchem aminokwasów, która tym samym przesuwa się z miejsca P do miejsca A rybosomu (3, 6). Rybosomy l l l l Ifl n i i i i mRNA kierunek przesuwu B Cześć przyłączająca aminokwas Rosnący łańcuch aminokwasów Rosnący łańcuch aminokwasów [[[Cząsteczka tRNA jest pofałdowana i zawiera kilka miejsc aktywnych. Jednym z takich miejsc jest jej zakończenie przyłączające aminokwas. Miejsce to jest swoiste dla danego aminokwasu, a zatem istnieje tyle rodzajów tRNA, ile jest 49 aminokwasów. Drugim aktywnym miejscem jest pętla zawierająca antykodon. Jest to zespól trzech nukleotydów, zawierających różne zasady w zależności od rodzaju przenoszonego aminokwasu. Na przykład w antykodonie cząsteczki tRNA przeno- szącej aminokwas tyrozynę znajduje się sekwencja zasad adenina-uracyl-guanina (AUG). Gdy cząsteczka tRNA z takim antykodonem trafi na odpowiedni kodon, czyli miejsce mRNA zawierające trzy komplementarne zasady w sekwencji uracyl-adenina-cytozyna (UAC), przyłącza się do niego i ustala w tej pozycji aminokwas. Oprócz kodonów właściwych dla odpowiednich aminokwasów cząs- teczka zawiera też sekwencje nukleotydów sygnalizujących początek i koniec syntezy. Do spotkania tRNA i mRNA dochodzi w obrębie rybosomów. Rybosom zawiera dwa miejsca (oznaczone literami A i P), każde mieszczące jedną cząsteczkę tRNA. Wzdłuż rybosomu w sposób skokowy przesuwa się cząsteczka mRNA, tak że w miejscach A i P każdorazowo znajduje się kolejny kodon. Gdy dwa sąsiadujące kodony mRNA przyłączą dwie cząsteczki tRNA, aminokwas związany z cząsteczką tRNA w miejscu P rybosomu przyłącza się do aminokwasu związanego z cząsteczką tRNA, która zajęła miejsce A. Wówczas cząsteczka tRNA zajmująca miejsce P zostaje uwolniona z rybosomu, a druga cząsteczka, znajdująca się poprzednio w miejscu A, przeskakuje do miejsca P, pociągając za sobą dwa aminokwasy. Wraz z nią przesuwa się, o odcinek odpowiadający jednemu kodonowi, cząsteczka mRNA. Gdy opróżnione miejsce A rybosomu zostanie zajęte przez cząsteczkę tRNA, której antykodon jest komplementarny względem następnego kodonu mRNA, cykl się powtarza. Do aminokwasu niesionego przez tę cząsteczkę dołączają się teraz dwa aminokwasy związane z cząsteczką tRNA obecną w miejscu P. Cząsteczka ta, oddawszy aminokwasy, zostaje uwolniona, a druga cząsteczka, pociągając za sobą już trzy aminokwasy, przeskakuje z miejsca A do miejsca P. W ten sposób w każdym kolejnym cyklu powstająca cząsteczka peptydu wydłuża się o jeden aminokwas. Proces ten trwa tak długo, aż zostanie rozpoznany fragment sygnalizujący koniec syntezy. Zwykle w obrębie rybosomów powstają łańcuchy peptydowe średniej długości. Dalsze ich przetwarzanie i łączenie w cząsteczki białka zachodzi w gładkiej siateczce śródplazmatycznej.]]] Ekspresja genu Sama obecność genu nie wystarcza, by na podstawie zawartego w nim kodu automatycznie zachodziła synteza białka w komórce. Do tego potrzebne są jeszcze czynniki sterujące czynnością genu, tzn. ułatwiające lub osłabiające jego funkcje. Ujawnianie się funkcji genu pod wpływem różnych czynników wewnątrz- i zewnątrzkomórkowych nazywa się ekspresją genu. [[[Mechanizmy ekspresji genów działają zarówno na poziomie transkrypcji, jak i translacji. Mechanizmy działające na poziomie transkrypcji opierają się głównie na udziale czynników transkrypcyjnych w przepisywaniu kodu genetycznego na cząsteczkę mRNA. Czynniki te łączą się ze specjalnymi miejscami w obrębie promotora i wspomagają działanie polirybonukleazy i innych enzymów syn- 50 tetyzujących mRNA. Niektóre czynniki transkrypcyjne mogą powodować re- organizację struktury chromatyny jądra komórkowego w taki sposób, że jest ona stale łatwiej dostępna dla tych enzymów, albo ułatwiać przekształcanie pierwotnego mRNA w ostateczną cząsteczkę mRNA. Czynniki transkrypcyjne wpływają też na syntezę rRNA - składnika rybosomów, oraz tRNA - transportera aminokwasów. Ilość tRNA jest wówczas odpowiednia do ilości powstałego mRNA, co usprawnia proces syntezy białka. Wśród czynników transkrypcyjnych szczególną rolę odgrywają onkogeny. Są to białka sterujące wzrostem i podziałami komórek. Procesy te trwają przez całe życie organizmu. Ich niekontrolowany przebieg w stanach patologicznych może prowadzić do powstawania nowotworów. Geny sterujące syntezą onkogenów nazywa się protoonkogenami. Stosunkowo najlepiej została poznana czynność dwóch białek, zwanych Fos i Jun. Powstają one w wyniku działania protoonkogenów c-fos i c-jun. Białka Fos i Jun wchodzą w skład większego kompleksu - białka aktywującego l (activator protein l - AP-1). Białko AP-1 przyłącza się do swoistego miejsca w cząsteczce DNA, o specjalnej sekwencji nukleotydów, i wpływa na ekspresję wielu genów, niekiedy o odległym umiejscowieniu. W wyniku działania czynników transkrypcyjnych zostaje przyspieszona synteza białek strukturalnych i funkcjonalnych komórki. W komórkach nerwowych do białek tych zalicza się receptory i kanały jonowe, enzymy syntetyzujące i rozkładające przekaźniki oraz prekursory neuropeptydów, a także elementy cytoszkieletu. W gruczołach wydzielania wewnętrznego czynniki transkrypcyjne nasilają syntezę hormonów. Raz uruchomiony mechanizm ekspresji genów może działać dłużej niż czynnik, który spowodował jego działanie. Zwiększona zawartość białka Fos w komórkach nerwowych występuje w stanach pobudzenia tych komórek, na przykład w neuronach hipokampa po indukowaniu w nich stanu długotrwałego wzmocnienia synaptycznego (patrz s. 489). Czynniki transkrypcyjne z kolei są aktywowane przez przekaźniki wtórne, czynniki wzrostu i hormony, a także przez jony wapnia. Na ekspresję genów wpływają m.in. hormony o budowie steroidowej (np. wydzielane przez korę nadnerczy lub hormony płciowe). Steroidy wnikają do wnętrza komórki, gdzie łączą się ze swoistymi receptorami wewnątrzkomórkowymi. Zespół steroid-receptor wchodzi następnie do jądra komórki i tu działa na DNA. Na przykład glikokortykosteroidy - hormony kory nadnerczy, stymulują w przy- sadce syntezę hormonu wzrostu, a hamują syntezę proopiomelanokortyny - prekursora wielu hormonów, m.in. hormonu adrenokortykotropowego (ACTH) i endorfin. Mechanizm ten odgrywa ważną rolę w regulacji wydzielania tych hormonów w stanie stresu, zwłaszcza chronicznego. • . ••! !C't!.r- Dziedziczenie cech W komórkach każdego gatunku zwierząt i roślin występuje charakterystyczny, gatunkowo swoisty zestaw genów zwany genomem. Zespół wszystkich genów danego organizmu nazywa się genotypem, zespół zaś cech (anatomicznych, fizjologicznych, behawioralnych, psychicznych itp.) określanych przez ten genotyp 51 nazywa się fenotypem. Ponieważ geny są fragmentami cząsteczek DNA, a z kolei DNA jest składnikiem chromosomów, dziedziczenie cech polega w istocie na przekazywaniu potomstwu określonych chromosomów. Każdy gatunek zwierząt i roślin ma typowy rodzaj i liczbę chromosomów; właściwość tę nazywa się kariotypem. • •• ... ••> > Struktura i funkcja chromosomów Gen zajmuje określone miejsce w chromosomie nazywane locus (liczba mnoga: loci). W skład chromosomu wchodzą również białka. Niektóre z nich są enzymami uczestniczącymi w opisanych wyżej procesach replikacji DNA i transkrypcji informacji z DNA na mRNA. W okresach między podziałami komórki w środowis- ku jądra komórkowego (karioplazmie) widoczne są tylko rozproszone nitki chromatyny utworzone z cząsteczek DNA. Bezpośrednio przed podziałem komórki nitki te skupiają się i wówczas pod mikroskopem można oglądać chromosomy. Liczba chromosomów u danego gatunku jest stała. Człowiek ma 46 chromosomów, dla porównania pies - 78, kot - 38, koń - 64, karp - 100, muszka owocowa (Drosophila melanogaster) - 4. Wymienione liczby chromosomów występują we wszystkich komórkach organizmu danego gatunku, tzw. somatycznych, które wchodzą w skład tkanek i narządów. W kariotypie charakterystycznym dla danego gatunku wyróżnia się chromosomy autosomalne, które zawierają geny określające wszystkie cechy organizmu, oraz chromosomy płciowe, determinujące płeć. W komórkach somatycznych człowieka występują 44 chromosomy autosomalne i 2 chromosomy płciowe, z których połowa (tj. 22 chromosomy autosomalne i jeden chromosom płciowy) pochodzi od każdego z rodziców. Można zatem powiedzieć, że każda komórka somatyczna organizmu ludzkiego zawiera 23 pary chromosomów; jeden chromosom w każdej parze pochodzi od ojca, drugi od matki. Tego rodzaju układ chromosomów określa się jako podwójny (diploidalny). Chromosomy autosomalne są homologiczne, co oznacza, że w każdym z chromosomów danej pary loci poszczególnych genów zajmują takie same miejsca. Gen określający daną cechę występuje zatem w dwóch odmianach, nazywanych allelami. Każdy allel zajmuje locus w jednym z chromosomów homologicznych. Gdy oba allele są identyczne, tzn. wywierają ten sam efekt genotypowy (np. powodują ten sam kolor oczu lub kwiatów), noszącego je osobnika nazywa się homozygotą. Gdy oba allele nie są identyczne (np. każdy z nich determinuje inny kolor oczu), wówczas osobnika nazywa się heterozygotą. Inaczej jest z chromosomami płciowymi. U człowieka jeden z tych chromo- somów, pochodzący od matki, jest zawsze chromosomem X, drugi natomiast, pochodzący od ojca, jest u kobiety chromosomem X, a u mężczyzny chromo- somem Y. W odróżnieniu od komórek somatycznych komórki rozrodcze (gamety) zawierają pojedynczy (haploidalny) układ chromosomów. W gametach człowieka występują zatem 22 chromosomy autosomalne i jeden chromosom płciowy - w jajach chromosom X, w plemnikach zaś chromosom X lub Y. Gdy w procesie zapłodnienia dochodzi do połączenia się matczynej komórki rozrodczej (jaja) 52 z komórką ojcowską (plemnikiem), z haploidalnych układów chromosomów obu komórek powstaje podwójny (diploidalny) układ chromosomów komórek somatycz- nych organizmu potomnego. • - ,>••••, Podziały komórek '' ' iw f' S Komórki organizmu mogą się dzielić. W wyniku podziału komórki somatycznej powstają dwie identyczne komórki potomne, o kariotypie diploidalnym identycznym z tym, jaki występuje w komórce macierzystej. Taki podział komórki nazywa się mitozą albo podziałem mitotycznym. Inaczej przebiega podział komórek, które są prekursorami gamet, czyli komórek rozrodczych. Jest on nazywany mejozą (podziałem mejotycznym). Gamety powstałe w wyniku mejozy mają kariotyp haploidalny, tj. połowę liczby chromosomów charakterystycznej dla danego gatunku. Mitozą •:,.- < ..,',;-. ,, ;. •.<-.•>, . ..•• , ...- ,-•. . ..-..•• W podziale mitotycznym wyróżnia się cztery okresy (fazy): profazę, metafaze, anafazę i telofazę (rys. 2.8). W profazie cienkie i rozciągnięte nitki chromatyny ulegają pogrubieniu. Jest to z jednej strony związane ze zmianą konsystencji Rys. 2.8. Przebieg mitozy. PROFAZA Komórka pierwotna TELOFAZA METAFAZA ANAFAZA 53 chromatyny, która staje się bardziej zbita, z drugiej - z replikacją DNA. Następnie pogrubiony chromosom rozdziela się na dwie chromatydy, z których każda zawiera tak samo zbudowaną cząsteczkę DNA. Chromatydy są złączone w centralnym miejscu chromosomu zwanym centromerem, natomiast ich końce się rozdzielają. W metafazie powstaje w komórce układ włókienek zwany wrzecionem podziałowym. Chromosomy ustawiają się w części środkowej tego wrzeciona, przytwierdzone centromerami do jego włókien. W końcowym okresie metafazy chromatydy rozdzielają się, aby następnie w anafazie rozejść się do biegunów wrzeciona. W telofazie komórka macierzysta ulega podziałowi na dwie komórki potomne. Chromosomy zmieniają swą konsystencję, przekształcają się w rozciągnię- te nitki chromatyny i w takiej postaci pozostają aż do następnego podziału komórki. .' T '>!'/ ' K'- ;»;<•' »)>!*< ,', - i. • > Mejoza Podział mejotyczny składa się z dwóch etapów, zwanych pierwszym i drugim podziałem mejotycznym. Przebieg mejozy nieco się różni w zależności od płci. U osobnika męskiego w pierwszym, właściwym podziale mejotycznym ze spermatocytu pierwotnego, prekursora plemnika o kariotypie diploidalnym, powstają dwa spermatocyty wtórne o kariotypie zredukowanym o połowę, czyli haploidalnym. W drugim podziale mejotycznym, który przebiega według zasad podziału mito- tycznego, z każdego spermatocytu wtórnego powstają dwie identyczne spermatydy o kariotypie również haploidalnym, które już bez dalszych podziałów przekształcają się w plemniki. Tak więc ze spermatocytu pierwotnego ostatecznie powstają cztery męskie komórki rozrodcze. W podobny sposób powstają żeńskie komórki rozrodcze. Specyficzne właściwości tego procesu w organizmie żeńskim są omówione w rozdziale 18. Najdłuższym i niezwykle złożonym etapem pierwszego podziału mejotycznego jest profaza, podczas której dochodzi do reorganizacji struktury chromatyny. Wskutek replikacji DNA każdy chromosom rozdziela się na dwie chromatydy. Chromosomy homologiczne ustawiają się równolegle względem siebie w takiej odległości, że staje się możliwa wymiana między nimi fragmentów sąsiadujących chromatyd, a tym samym zawartych w nich genów. Zjawisko to, zwane crossing-over, odgrywa ważną rolę w ujawnianiu się u potomstwa nowych cech dzięki tzw. efektowi pozycyjnemu genów. Polega on na tym, że geny współdziałające w determinowaniu określonej cechy znajdą się na tym samym chromosomie. Położenie genów na chromosomie może ulec zmianie nie tylko w wyniku crossing-over, lecz także wskutek zmian w obrębie chromosomu. Zmiany te mogą polegać na podwojeniu, ubytku części chromosomu, jej przemieszczeniu w obrębie tego samego chromosomu albo na inwersji, czyli ustawieniu danej części w tym samym miejscu chromosomu, ale z odwróconą sekwencją genów (ABCDE -» EDCAB). Na początku metafazy chromosomy homologiczne rozłączają się i ustawiają naprzeciwko siebie, przytwierdzone do włókienek wrzeciona podziałowego, a w telofazie rozchodzą się do przeciwległych biegunów wrzeciona. Komórka ulega przewężeniu, a następnie podziałowi na dwie komórki potomne, które - po przejściu przez krótkotrwały pośredni etap zwany interkinezą, wchodzą w drugą część podziału mejotycznego (rys. 2.9). 54 Rys. 2.9. Przebieg mejozy; etapy profazy: leptoten, zygoten, pachyten, diploten. „'_• , PROFAZA MEJOZA l META c A 7 A i METAFAZA l METAFAZAII MEJOZA II Komórki rozrodcze W drugim podziale mejotycznym chromosomy przytwierdzają się do wlókienek wrzeciona podziałowego, chromatydy rozdzielają się i rozchodzą do biegunów wrzeciona. W telofazie każda komórka rozdziela się na dwie komórki - prekursory komórek rozrodczych, które mają tylko po jednym chromosomie z każdej pary, a zatem tylko połowę oryginalnego kariotypu. W żeńskich komórkach rozrodczych u ssaków występuje zawsze chromosom płciowy X, natomiast połowa komórek męskich ma chromosom X, połowa zaś chromosom Y. , ,. > ,. .<:••• ,,>• Prawa Mendla Gdy w wyniku zapłodnienia dochodzi do połączenia komórki rozrodczej (gamety) męskiej z gametą żeńską, komórka nowo powstałego organizmu, zwana zygotą, otrzymuje od każdego z rodziców po jednym chromosomie homologicznym, a tym samym po jednym allelu każdego genu. Wraz z genami potomek dziedziczy determinowane przez nie cechy fenotypowe. Prawidłowości dzie- 55 dziczenia są ujęte w prawa Mendla, ustalone w XIX wieku, gdy nie istniało jeszcze pojecie genu. Allele genu są nośnikami określonej cechy. Jeśli oboje rodzice w odniesieniu do danej cechy są homozygotami, ich potomstwo również będzie wykazywało tę cechę. Zgodnie z tym Mendel zaobserwował, że krzyżowanie odmiany grochu o kwiatach czerwonych daje zawsze rośliny o kwiatach czerwonych. Podobnie dzieje się w przypadku krzyżowania grochu o kwiatach białych. Gdy jednak Mendel skrzyżował homozygotyczne rośliny o kwiatach czerwonych z homozygotycznymi roślinami o kwiatach białych (pokolenie rodzicielskie - P), wszystkie rośliny powstałe z tego krzyżowania (pierwsze pokolenie mieszań- ców - F,) miały kwiaty czerwone. Następne pokolenie (F2), powstałe z krzy- żowania między sobą grochu pokolenia F1; zawierało rośliny o kwiatach czer- wonych i białych w proporcji 3:1. Wynik tego eksperymentu obecnie interpretuje się następująco. Rośliny pokolenia rodzicielskiego (P), jako homozygoty, miały w swym genotypie oba allele determinujące czerwoną (CC) lub białą (bb) barwę kwiatów. Wytwarzały zatem gamety z jednym allelem - C lub b. Wynika to z pierwszego prawa Mendla - prawa czystości gamet, zgodnie z którym do gamety przechodzi tylko jeden allel każdego genu. W pokoleniu Fl wszystkie rośliny były heterozygotami (o genotypie Cb i bC), niemniej jednak wszystkie miały kwiaty czerwone, tak jak jedno z rodziców o genotypie CC. Znaczy to, że osobniki o różnych genotypach (w danym przypadku CC i Cb lub bC) mogą wykazywać tę samą cechę fenotypową - czerwoną barwę kwiatów. Zjawisko to zachodzi wówczas, gdy jedna cecha (w tym przypadku czerwona barwa kwiatów) jest dominująca, a druga recesywna. Do wystąpienia cechy dominującej wystarczy, aby dany osobnik miał tylko jeden allel - nośnik tej cechy. Natomiast w pokoleniu F2 pojawiły się osobniki o kwiatach czerwonych i genotypie CC, Cb, bC oraz rośliny o kwiatach białych o genotypie bb. Dzieje się tak dlatego, ponieważ do ujawnienia się cechy recesywnej konieczne jest, aby w genotypie znalazły się oba allele determinujące tę cechę. Według drugiego prawa Mendla różne cechy są dziedziczone niezależnie. Dotyczy to na przykład barwy kwiatów i kształtu nasion. Tak więc w jednej gamecie grochu może się znaleźć jedna z kombinacji alleli barwy kwiatów (C lub b) z allelami okrągłego (O) lub kanciastego (k) kształtu nasion: CO, Ck, bO i bk. Po połączeniu się gamet mogą wystąpić różne kombinacje genotypowe: CCOO, CCOk, CCkk, CbOO, bbkk itp.). Niekiedy zdarza się, że w wyniku krzyżowań uzyskuje się inne proporcje osobników o określonych cechach, niżby to wynikało z praw Mendla. Najczęściej kilka różnych cech dziedziczy się razem, nie zaś oddzielnie, jak by to wynikało z drugiego prawa Mendla. W zasadzie prawo to obowiązuje w pełni wobec cech determinowanych przez geny umiejscowione na różnych chromosomach, a więc rozchodzące się niezależnie do różnych gamet w czasie mejozy. Natomiast cechy określane przez geny umiejscowione na tym samym chromosomie są dziedziczone łącznie, a ich rozdzielenie może nastąpić dopiero w wyniku wymiany fragmentów między chromosomami (crossing-over). 56 Poligenia, plejotropia. Cechy jakościowe i ilościowe Znane są cechy sterowane przez jeden lub niewiele genów. Cechy takie nazywa się jakościowymi. Cecha jakościowa, jak czerwona barwa kwiatów grochu w doświadczeniach Mendla, może występować albo nie występować. U zwierząt od jednego genu może zależeć barwa oczu czy sierści albo od niewielu genów może zależeć wytwarzanie hormonu. Wiele cech wymaga jednak współdziałania wielu genów. Zjawisko to nazywa się poligenią. Cechy determinowane przez wiele genów (poligenowo) są przeważne cechami ilościowymi - ich natężenie może się różnić u różnych osobników w zależności od tego, jakie geny określające daną cechę występują w ich genotypie. Niekiedy taka cecha może zależeć od tzw. efektu pozycyjnego, czyli od rozmieszczenia właściwych genów w obrębie jednego chromosomu. Do takiego skupienia genów na jednym chromosomie może dojść w wyniku omówionego wyżej crossing-over. Determinowanie kilku cech przez jeden gen nazywa się plejotropia. Może ona wystąpić wtedy, gdy enzym zależny od jednego genu występuje na różnych szlakach metabolicznych, na przykład istotnych dla wytwarzania różnych hormonów i przekaźników. Cechy określane przez taki gen nazywa się cechami skorelowanymi. Pojęcie gatunku i populacji « Za gatunek uważa się zespół zwierząt lub roślin o podobnych cechach morfo- logicznych, o zbliżonym sposobie bytowania i podobnych relacjach ze środowis- kiem. W obrębie gatunku wyróżnia się populacje zwykle zamieszkujące jeden teren, w których osobniki bezpośrednio kontaktują się ze sobą - razem polują, poszukują pożywienia, tworzą stada, a co najważniejsze - rozmnażają się. Definicja ta nie jest jednak zadowalająca, gdyż samo pojęcie gatunku nie jest jednolite. Niektórzy badacze rozróżniają gatunek w sensie ewolucyjnym i gatunek w sensie genetycznym. Pod ewolucyjnym pojęciem gatunku rozumie się linię podobnych morfo- logicznie roślin lub zwierząt, izolowaną pod względem rozrodczym (reprodukcyj- nym), w obrębie której od wielu pokoleń cechy rodziców są przekazywane potomstwu. Powstanie takiego gatunku oraz jego przekształcanie w inny gatunek nazywa się ewolucją filetyczną. Zgodnie natomiast z pojęciem genetycznym za gatunek uważa się zespół populacji roślin lub zwierząt, mających wspólną pulę genową, których osobniki w wyniku wzajemnych krzyżowań mogą rodzić płodne potomstwo. Powstanie takiego gatunku nazywa się specjacją. r Procesami zachodzącymi w populacjach zajmuje się ekologia oraz genetyka populacji. Przedmiotem zainteresowania ekologii są wzajemne stosunki między osobnikami w populacji oraz interakcja populacji ze środowiskiem - fizycznym i biologicznym. Genetyka populacji natomiast zajmuje się zjawiskami dziedziczenia w grupach zwierząt. Uwzględnia zarówno czynniki związane z samą populacją (wielkość populacji, typ kojarzeń, długość życia osobników), jak też mechanizmy genetyczne (mutacja, rekombinacja, selekcja) i właściwości samych genów (efekt 57 pozycyjny, różnorodność alleli, geny związane z płcią). Genetyka populacji zajmuje się również specjacją, czyli różnicowaniem się populacji na subpopulacje izolowane pod względem rozrodczym. Pula genowa populacji i jej zmiany 1 Suma genów zawartych w genotypach poszczególnych osobników przystosowanych do życia w danym środowisku tworzy pulę genową populacji. Pula ta jest względnie stabilna tak długo, jak długo utrzymują się stałe warunki środowiska. W przypadku znacznej i długo utrzymującej się ich zmiany w populacji zaczynają przeważać osobniki z „lepszym" genotypem, a tym samym lepiej przystosowane do nowych warunków bytowania. Wskutek sumowania się tych osobniczych zmian ulega zmianie pula genowa populacji. Proces ten jest niekiedy nazywany mikroewolucją, w odróżnieniu od makroewolucji, dotyczącej kształtowania się cech u nowych gatunków. = • .-.-.- ,-s , Zmiany puli genowej populacji mogą zachodzić w wyniku mutacji i rekom- binacji genów oraz wskutek selekcji, gdy osobniki o określonych cechach mają większe szansę przeżycia i wydania potomstwa. Mutacje Mutacja polega na zmianie rodzaju, sekwencji lub liczby nukleotydów w cząsteczce DNA w chromosomie. Zwykle mutacje powstają spontanicznie, mogą też być wywołane przez czynniki zewnętrzne, np. promienie X. Wiele mutacji, zwanych letalnymi, powoduje śmierć organizmu jeszcze w okresie zarodkowym. Aby mutacja wywarła trwały wpływ na skład genowy populacji, musi wystąpić jednocześnie u wielu osobników, które by przekazały zmutowane geny potomstwu. Mutacja, która dotyczy jednego locus w chromosomie, czyli jednego genu, nazywa się mutacją punktową. Mutacja może też obejmować cały chromosom lub jego znaczną część i powodować zmiany wielu genów. Jednorazowa mutacja punktowa najczęściej występuje u niewielu osobników i nie rozprzestrzenia się w obrębie populacji. Większe znaczenie mają mutacje powtarzające się często, ponieważ mogą wystąpić jednocześnie u wielu osobników, które przekażą zmutowane geny znacznej liczbie potomstwa. Mutacje mogą mieć tym większy wpływ na zmiany puli genowej populacji, im szybsza jest wymiana pokoleń u danego gatunku (np. u niektórych bakterii jedno pokolenie przypada na pół godziny, u człowieka - na 30 lat). .- •/.•-; ::'.;! rMv..-i n:,„,» • i ' , , ,; .-i Zwierzętami transgenicznymi nazywa się zwierzęta noszące w swoim genomie obcy gen, wszczepiony im we wczesnym okresie zarodkowym. Od ciężarnej myszy pobiera się z jajowodu zapłodnione komórki jajowe. Za pomocą mikropipetki i mikromanipu- latora wprowadza się do jednego z przedjąder komórki fragment DNA. Fragment ten w sposób losowy wchodzi do genomu gospodarza, wybierając zwykle miejsca złamań w obrębie chromosomów. Następnie tak zmodyfikowaną komórkę umieszcza się w macicy myszy z wytworzoną hormonalnie ciążą rzekomą. Jeżeli wprowadzony fragment DNA wejdzie w skład łańcuchów DNA jednego lub kilku chromosomów, w wyniku podziałów komórki, a potem wraz w rozwojem zarodka znajdzie się w genomie większości komórek organizmu. Gdy trafi do komórek rozrodczych, zostanie przekazany potomstwu. Następnie, drogą selecji, można uzyskać linie zwierząt, u których wszczepiony fragment znajduje się w tym samym chromosomie. 65 Najwięcej eksperymentów wykonano z wprowadzaniem do zapłodnionej komórki genów sterujących syntezą hormonów. Na przykład myszy transgeniczne z wprowadzonym genem hormonu wzrostu rosną 2-3 razy szybciej niż normalne zwierzęta tego samego szczepu. . / •-• , » , .f Zabiegiem powodującym odwrotny skutek jest usunięcie wybranego genu (knock ouf). U myszy z blastocyty, tj. wczesnej formy zarodka, pobiera się niezróżnicowane komórki pierwotne, z których normalnie wykształcają się tkanki organizmu. Komórki te hoduje się w sztucznym środowisku i poddaje zabiegom polegającym na wprowadzaniu do ich genomu fragmentu DNA o nieprawidłowej sekwencji nukleotydów albo procedurom powodującym mutację genu w od- powiednim miejscu chromosomu. Tak zmienione komórki wprowadza się do blastocysty. Jak z normalnych komórek, również z komórek o zmienionym genomie powstają tkanki organizmu. Jeśli powstaną z nich komórki rozrodcze, zmieniony materiał genetyczny znajdzie się w jajach i plemnikach i zostanie przekazany potomstwu. Potem, drogą odpowiednich krzyżowań wyodrębnia się myszy noszące nieprawidłowy gen. Najczęściej myszy z nieprawidłowym genem stanowią modele w badaniach nad genetycznym podłożem różnych chorób. . w •» -MI. l i Oligonukleotydy antysensowne ! ' -r> ''' * Zgodnie z nomenklaturą przedstawioną na stronie 47, sekwencję nukleotydów | w cząsteczce mRNA określa się jako „sensowną", jeżeli do komórki wprowadzi się związek zbudowany z kilkunastu (zwykle 15-18) nukleotydów o sekwencji komplementarnej (czyli „antysensownej") względem danego fragmentu mRNA. Związek ten, zwany oligonukleotydem antysensownym, przyłączy się do tego fragmentu. Cząsteczka mRNA stanie się wówczas niedostępna dla przenośnikowego RNA (tRNA), a tym samym będzie niemożliwy normalny proces syntezy białka. Mówi się wówczas, że zablokowana jest ekspresja genu sterującego daną syntezą. Oligonukleotydy antysensowne mogą równiaż blokować proces transkrypcji. Dzieje się tak wtedy, gdy nukleotyd wnika do jądra komórki i przyłącza się do fragmentu cząsteczki DNA o komplementarnej („sensownej") sekwencji nukleo- tydów. W miejscu tym powstaje nieprawidłowy układ nie dwóch, lecz trzech łańcuchów nukleotydów, co utrudnia syntezę pierwotnego mRNA. Innym sposobem blokowania transkrypcji jest hamowanie formowania ostatecznej cząsteczki mRNA, które normalnie polega na eliminacji nieaktywnych intronów i łączeniu czynnych eksonów. Oligonukleotydy antysensowne wprowadza się do komór mózgu lub do wybranych struktur mózgu myszy lub szczurów. Tym sposobem osiągano skuteczne długotrwałe blokowanie syntezy hormonów, na przykład wazopresyny, albo różnych białek funkcjonalnych komórki, na przykład receptorów przekaźników. Rozwój i budowa układu nerwowego knatomię układu nerwowego można podzielić, jak inne działy anatomii, na anatomię makroskopową i mikroskopową (histologię). Anatomia makroskopowa bada budowę dużych struktur nerwowych, natomiast przedmiotem zainteresowania anatomii mikroskopowej mózgu jest struktura komórek, włókien nerwowych, a obecnie także struktur subkomórkowych i synaps. ; '' W ostatnich latach w rozwoju neuroanatomii zaznaczył się duży postęp dzięki wprowadzeniu nowych technik badawczych. Zastosowanie metod obrazowania mózgu za pomocą tomografii komputerowej i rezonansu magnetycznego znacznie rozszerzyło możliwości badawcze makroskopowej anatomii układu nerwowego. Z kolei w histologii mózgu stosuje się metody farmakologiczne i cytochemiczne, umożliwiające finezyjną ocenę nie tylko połączeń anatomicznych, lecz także związków funkcjonalnych między ośrodkami, realizowanych za pomocą swoistych neuroprzekaźników. W badaniach nad ekspresją genów w strukturach mózgu w różnych stanach funkcjonalnych organizmu, na przykład podczas uczenia się, w coraz szerszym zakresie stosuje się techniki molekularne. Szczególnym zainteresowaniem badaczy cieszy się obecnie rozwój układu nerwowego pod względem makroskopowym i mikroskopowym, kształtowanie się struktur mózgu, połączeń nerwowych i powstawanie synaps (synaptogeneza). Rozwój układu nerwowego M i "• Rozwój układu nerwowego przyjęto rozpatrywać w aspekcie filogenetycznym i ontogenetycznym. Aspekt filogenetyczny obejmuje porównywanie budowy i czynności układu nerwowego u zwierząt na różnych szczeblach ewolucji. Prostsza organizacja układu nerwowego u zwierząt niższych ewolucyjnie sprawia, że często są one dogodniejszymi modelami do obserwowania procesów czynnoś- ciowych na poziomie pojedynczych neuronów czy sieci nerwowych niż zwierzęta z bardziej zróżnicowanym mózgiem. Poza tym znajomość filogenetycznego rozwoju mózgu kręgowców ułatwia ocenę, czy obserwowane funkcje nerwowe występują tylko u danego gatunku zwierząt, czy ze względu na ogólnobiologiczny charakter mogą być przeniesione na człowieka. W aspekcie ontogenetycznym bada się proces powstawania komórek nerwowych w życiu zarodkowym, rozwój mózgu i rdzenia kręgowego w życiu płodowym aż do urodzenia, a następnie kształtowanie się funkcji mózgu w okresie dojrzewania. ? '* »J >r k- ; Rozwój filogenetyczny (rodowy) układu nerwowego U organizmów jednokomórkowych, nie mających wyspecjalizowanych narządów, pobudliwa jest cała komórka stanowiąca ich ciało. Organizmy te reagują na bodźce mechaniczne (np. dotyk, wstrząsy), co umożliwia im omijanie przeszkód podczas poruszania się; są także wrażliwe na bodźce chemiczne, dzięki którym orientują się w otoczeniu i odróżniają pokarm od substancji niejadalnych. Jednak i u nich zaznacza się specjalizacja pewnych części komórki zarówno pod względem receptorowym, jak i efektorowym. Na przykład klejnotka (Euglend) dzięki plamce (stigmd) zawierającej fotopigment jest wrażliwa na światło, a u innego wiciowca, Pouchetia, wraz z plamką występuje nawet element soczewki. Pobudzenie komórki uruchamia właściwe organelle umożliwiające poruszanie się, jak rzęski u pantofelka, czy też powoduje ruch pełzający, jak u ameby, wyzwalając skurcz wyspec- jalizowanych włókienek kurczliwych w protoplazmie. Układ nerwowy zwierząt odznacza się pobudliwością i zdolnością przenoszenia stanu czynnego od receptorów do ośrodków i z ośrodków do narządów wykonaw- czych. Interesujące jest to, że wyspecjalizowane efektory pojawiły się wcześniej niż układ nerwowy. Gąbki - zwierzęta bez układu nerwowego - mają rozwinięty system włókien kurczliwych podobnych do mięśni gładkich, otaczających otworki ich ciała (osculd). Najprostsza rozproszona sieć nerwowa występuje u polipów, a w formie promienistej - u meduz. Meduzy mają wyspecjalizowane komórki receptorowe wrażliwe na dotyk, zmiany położenia ciała i światło. Komórki te przekazują pobudzenie efektorom - komórkom mięśniowym skupionym wokół otworu gębowego, reagującym skurczem na pobudzenie tego obszaru ciała. U zwierząt o wydłużonym kształcie ciała wydłużony jest również układ nerwowy, który rozwijał się inaczej u pragębowcow, a inaczej u wtornogębowcow1. Zasadnicza różnica polega na tym, że pnie nerwowe pragębowcow są pełne, a układ nerwowy wtornogębowcow jest cewkowaty, ponieważ rozwinął się z pierwotnej rynienki nerwowej. •> '; • i f' * "* "< .t\ >,l i ; . i * źi Układ nerwowy pragębowcow Charakterystyczną cechą układu nerwowego pragębowcow jest występowanie w brzusznej części ciała dwóch pni nerwowych. Są one połączone poprzecznymi '. ii, : *, •••a i , s • * i '<:.'* ' 1 Pragębowce różnią się od wtornogębowcow przebiegiem rozwoju zarodkowego od stadium gastruli. U pragębowcow pierwotna jama gastruli staje się otworem gębowym, u wtornogębowcow otwór gębowy wytwarza się wtórnie na przeciwległym końcu. Obie linie ewolucyjne różnią się też rozmieszczeniem narządów. U pragębowcow serce jest umieszczone po stronie grzbietowej ciała, natomiast układ nerwowy po stronie brzusznej. U wtornogębowcow, odwrotnie, serce występuje po stronie brzusznej, a układ nerwowy po stronie grzbietowej. 68 Rys. 3.1. Schemat układu nerwowego dżdżownicy; A - widok z boku; B - widok od strony brzusznej; C - przekrój poprzeczny. Przełyk Mięśnie okrężne Obrączka okołoprzełykowa Zwój głowowy Zwój nerwowy Mięsień podłużny Mięsień okrężny spoidłami (komisuranii) tworzącymi drabinkę nerwową. U ewolucyjnie wyższych pragębowców (pierścienic, stawonogów) oba pnie leżą blisko siebie albo łączą się, jak u dżdżownicy, w jeden wspólny pień. W miejscu komisur występują wówczas zgrubienia zwane zwojami nerwowymi. Taki układ zwojów nazywa się łańcuszkiem nerwowym. ••;.-,,- M -i-, -;.'i'>.<•• ••'. •]..-.• Układ nerwowy dżdżownicy, jako przedstawiciela pierścienic, przedstawia rys. 3.1. W części brzusznej ciała znajduje się pień nerwowy ze zwojami. Od każdego zwoju odchodzą nerwy do mięśni w obrębie tego samego segmentu ciała. Od pierwszego zwoju nerwowego, leżącego brzusznie od przełyku, zwanego zwojem podprzełykowym, odchodzą włókna nerwowe (konektywy), które otaczając przełyk tworzą obrączkę okołoprzełykowa. Od strony grzbietowej konektywy dochodzą do parzystego zwoju nadprzełykowego (głowowego). Zwój ten pełni nadrzędną funkcję w stosunku do zwojów brzusznych, jest więc analogiem mózgu. W zwojach nerwowych znajdują się neurony ruchowe unerwiające mięśnie. Do neuronów ruchowych dochodzą wypustki komórek recepcyjnych znajdujących się w powłokach skórnych tego samego segmentu (odcinka) ciała zwierzęcia. Lokalny skurcz mięśni powstaje w wyniku prostego odruchu segmentalnego, lii 69 jednakże za pośrednictwem połączeń między zwojami pobudzenie może się przenosić na sąsiednie segmenty. Skoordynowany przebieg skurczów poszczegól- nych segmentów, który umożliwia płynny ruch pełzający zwierzęcia, odbywa się pod kontrolą zwoju nadprzełykowego (głowowego). Zwój głowowy kontroluje też złożone formy zachowania, jak poszukiwanie pokarmu czy unikanie bodźców szkodliwych, a także uczenie się biologicznie korzystnych reakcji behawioralnych. Układ nerwowy wtórnogębowców U wtórnogębowców układ nerwowy jest położony w grzbietowej części ciała. U kręgowców głowowa jego część - mózgowie - znajduje się w puszce utworzonej przez kości czaszki, a pozostała część - rdzeń kręgowy - w kanale kręgowym. Pomimo oczywistych różnic, organizacja układu nerwowego u zwierząt obu linii ewolucyjnych jest podobna. Również u kręgowców występuje segmentalna organizacja rdzenia kręgowego. Każdy odcinek rdzenia unerwia pod względem czuciowym i ruchowym właściwy mu odcinek (metamer) ciała. Praca sąsiednich, a nawet odległych odcinków jest koordynowana dzięki wzajemnym połączeniom między ośrodkami rdzeniowymi. Neurony ruchowe, podobnie jak u dżdżownicy, znajdują się u kręgowców w ośrodkowym układzie nerwowym, a ich wypustki podążają ku efektorom. Neurony czuciowe znajdują się u kręgowców poza ośrodkowym układem nerwowym, jednak nie na obwodzie, lecz w specjalnych zwojach nerwowych. Rysunek 3.2 przedstawia schemat budowy układu nerwowego ryby. U ryb mózgowie składa się z trzech części - tyłomózgowia, śródmózgowia i przodomóz- gowia. W skład tyłomózgowia wchodzi rdzeń przedłużony i móżdżek. Głównym składnikiem śródmózgowia są płaty wzrokowe, które odpowiadają wzgórkom pokrywy śródmózgowia u ssaków. Stanowią one zakończenie drogi wzrokowej. U ssaków, wraz z rozwojem półkul mózgu, funkcje wzrokowe zostały przejęte przez korę mózgu. W obrębie przodomózgowia ryb rozróżnia się silnie rozwinięte węchomózgowie, małe półkule mózgu i dobrze wykształcone międzymózgowie, a w jego obrębie zawzgórze, wzgórze i podwzgórze. Ryby odznaczają się zatem stosunkowo wysokim stopniem rozwoju struktur, które u ssaków wchodzą w skład pnia mózgu. Szczególnie rozbudowane węchomózgowie świadczy o dużej roli bodźców chemicznych jako źródła informacji o środowisku zewnętrzym u tych zwierząt. Półkule mózgu Wzgórze Móżdżek Rys. 3.2. Schemat układu nerwowego ryby. Opuszka węchowa Nerw wzrokowy Podwzgórze Pień mózgu PRZODO- MÓZGOWIE ŚRÓD- MÓZGOWIE -X- TYŁO- MÓZGOWIE U ptaków szczególnie silnie rozwinięte są jądra podstawy, zwłaszcza struktura o nazwie hyperstriatum, odpowiadająca ciału prążkowanemu ssaków. Cienka jest natomiast kora mózgu. Kora rozwija się intensywnie dopiero u ssaków i przeważa objętościowo nad ośrodkami podkorowymi. U naczelnych powiększają się płaty czołowe, a u człowieka szczególnie ich część najbardziej wysunięta ku przodowi - tzw. okolica przedczołowa. l M < ;•• r^\ .-•? Wraz z rozwojem filogenetycznym układu nerwowego kręgowców i wy- kształcaniem się nowych struktur zaznacza się stopniowe przejmowanie funkcji rdzenia kręgowego przez ośrodki mózgu. Proces ten nazywa się encefalizacją. Rozwój ontogenetyczny (osobniczy) układu nerwowego Schemat ciała jest zakodowany genetycznie. Specjalne geny określają jego organizację segmentalną. Brak genu może spowodować brak całego związanego z nim segmentu. Inne geny, zwane homeotycznymi, wyznaczają umiejscowienie Rys. 3.3. Wykształcanie się cewy nerwowej. Wpuklenie rynienki nerwowej 71 narządów w obrębie segmentów. Już w XIX wieku opisano tzw. mutanty homeotyczne u muszki owocowej (Drosophila melanogastef), charakteryzujące się występowaniem narządu, na przykład kończyny, w niewłaściwym segmencie ciała. W podobny sposób jest zakodowany schemat układu nerwowego, jego podział na części i segmentalna budowa rdzenia kręgowego. Umożliwia to szybkie wykształ- canie się struktur układu nerwowego w życiu płodowym. Zapłodnione jajo (czyli zygota) ssaka ulega podziałom komórkowym, w wyniku których powstają kolejno: morula, blastula, czyli pęcherzyk zbudowany z jednej warstwy komórek, i gastrula, złożona z dwu blaszek zarodkowych - ektodermy i entodermy. Później powstaje trzecia blaszka - mezoderma. Blaszki te są zawiązkami przyszłych narządów. Tkanka nerwowa pochodzi z ektodermy. Wkrótce po uformowaniu się gastruli, w środkowej części ektodermy powstaje zgrubienie zwane płytką nerwową (rys. 3.3). W obrębie płytki zaznacza się wgłębienie (rynienka nerwowa), które stopniowo wpukla się w kierunku mezodermy. Jednocześnie brzegi płytki zaginają się i łączą, przez co przekształca się ona w cewę nerwową. Grzbietowe od cewy powstaje skupienie komórek zwane grzebieniem nerwowym. Cewa nerwowa jest zawiązkiem ośrodkowego układu nerwowego, z grzebienia zaś rozwija się obwodowy układ nerwowy. Zalążkiem mózgowia są trzy pierwotne pęcherzyki zarodkowe - przodomózgowie, śródmóz- gowie i tyłomózgowie. Z pęcherzyków pierwotnych powstaje pięć pęcherzyków wtórnych: przodomózgowie różnicuje się na kresomózgowie i międzymózgowie, a tyłomózgowie pierwotne na tyłomózgowie wtórne i rdzeniomózgowie; śródmóz- gowie nie ulega podziałowi. Tyłomózgowie wtórne jest zawiązkiem mostu, a rdzeniomózgowie - rdzenia przedłużonego (rys. 3.4). CEWA NERWOWA Przodo- mózgowie PĘCHERZYKI PIERWOTNE Przy- sadka Między- mózgowie Rys. 3.4. Wykształcanie się u ssaka mózgowia z cewy nerwowej. Pęcherzyki pierwotne , i wtórne. Kreso- mózgowie PĘCHERZYKI WTÓRNE Móżdżek Węcho- mózgowie Rdzenio- mózgowie l 72 Rys. 3.5. Wczesne okresy rozwoju układu nerwowego człowieka. Liczby oznaczają tygodnie życia płodowego. ,•,,,,,,,.» „^.. .., ; ..-.•,., -., .-,-,. .... -,.,,: - -.- Między mózgowie Śród- mózgowie Kreso- mózgowie Rdzeń przedłużony Śród- mózgowie Rdzeń przedłużony Kreso- Podwzgórze mózgowie Podwzgórze Most Rdzeń przedłużony Móżdżek Rdzeń przedłużony Dalszy rozwój mózgu w życiu płodowym zależy od gatunku zwierzęcia. U człowieka najintensywniej rozwija się kresomózgowie, które między 10. a 14. tygodniem dominuje pod względem wielkości nad pozostałymi częściami (rys. 3.5). Rozwój ontogenetyczny mózgowia człowieka przedstawia również tabela 3.1. W rozwoju tym można wyodrębnić pewne etapy. Najpierw do około 8. tygodnia Tabela 3.1. Rozwój ontogenetyczny mózgowia u człowieka Tygodnie życia zarod- kowego Budowa mózgowia Etapy rozwoju 4 Zróżnicowanie cewy nerwowej na przodomóz- gowie, śródmózgowie i tyłomózgowie Powstanie pęcherzyka wzro- kowego - zawiązka siatkówki 6 Zróżnicowanie przodomózgowia na kresomóz- gowie i międzymózgowie, a tyłomózgowia na tyłomózgowie wtórne i rdzeń iomózgowie Etap rozwoju charakterysty- czny dla kręgowców niż- szych 7 Wykształcenie się wzgórza i podwzgórza, dalszy rozwój kresomózgowia; zróżnicowanie węcho- mózgowia na ośrodki węchowe i hipokamp; po- wstanie móżdżku Zakończenie etapu rozwoju charakterystycznego dla krę- gowców niższych 9-10 Szybki rozwój kresomózgowia Etap rozwoju charakterysty- czny dla ssaków 12-14 Kora mózgu stopniowo pokrywa pozostałe struk- tury; wykształca się móżdżek 20-40 Dalszy rozwój i pofałdowanie kory mózgu, wy- kształcenie się układu zakrętów i bruzd Etap rozwoju charakterystycz- ny dla naczelnych, a w ostat- niej fazie dla człowieka i 73 wykształcają się struktury obecne u kręgowców niższych, później występujące u ssaków, a w ostatnich tygodniach życia płodowego formują się ostatecznie cechy morfologiczne mózgu ludzkiego. Rozwój mikrostruktury układu nerwowego <,' Analizując kolejne etapy rozwoju mózgu człowieka trzeba sobie uświadomić, że z niewielkiej pierwotnej płytki nerwowej powstaje w stosunkowo krótkim czasie ponad 10 miliardów komórek nerwowych. W początkowym okresie życia zarodka nie ma jeszcze neuronów, powstają natomiast i dzielą się ich prekursory, aby później przekształcić się we właściwe neurony. Proces ten nazywa się neurogenezą. Neurony nie ulegają podziałom komórkowym i raz utworzone nie mogą już zostać zastąpione przez inne2. Migracja neuronów i wzrost aksonów Cewa nerwowa już na wczesnym etapie rozwoju zawiera komórki, w których dochodzi cyklicznie do replikacji DNA, które następnie ulegają podziałowi na komórki wtórne. Na pewnym etapie tego procesu niektóre z tych komórek zaczynają się przekształcać w neurony, inne zaś w komórki glejowe albo w przejściową formę gleju, zwaną glejem promienistym. Nowo powstałe neurony wędrują wzdłuż włókien gleju promienistego do właściwego im miejsca prze- znaczenia w rozwijającym się mózgowiu. Po odegraniu swojej roli glej promienisty przekształca się w zwykłe komórki glejowe. Neuron, który zakończył migrację, wytwarza połączenia z innymi neuronami albo z narządem wykonawczym. W tym celu wypuszcza wypustkę - akson, który stopniowo wydłuża się w kierunku celu. Jeszcze wybitny neuroanatom hiszpański Santiago Ramón y Cajal, badając pod mikroskopem skrawki dojrzewającego układu nerwowego, zauważył na zakończeniach aksonów wydłużone twory, które nazwał „stożkami wzrostowymi" ze względu na ich sugerowaną rolę w rozwoju neuronów. Hipoteza ta znalazła potwierdzenie we współczesnych badaniach. Stwierdzono, że rosnący akson posuwa się ruchem przypominającym ruch ameboidalny. Ważną rolę w tym ruchu odgrywają wspomniane stożki, wyposażone w wypustki cytoplazmy (filopodia), pełniące funkcję pseudonóżek. Wypustki te są wyposażone we włókienka aktyny i miozyny, które podobnie jak w mięśniu powodują kurczenie się i ruch wypustek (rys. 3.6). W cytoplazmie stożka przebiegają procesy biochemiczne ważne dla roz- wijającej się komórki. Stopniowe wydłużanie się aksonu wymaga ciągłej syntezy białek, niezbędnych do intensywnej rozbudowy cytoszkieletu, głównie mikrotubul i neurofilamentów. Zakończenie rosnącego aksonu nie może błądzić, lecz musi wędrować wytyczonym szlakiem. Służą temu dwa mechanizmy. Po pierwsze, narząd docelowy wysyła substancje rozpoznawane przez stożek wzrostowy, których stężenie niby drogowskaz wyznacza aksonowi drogę do celu. Drugi mechanizm polega na stabilizacji położenia rosnącego aksonu. Służą temu białka zawarte Wyjątkiem są komórki węchowe (patrz rozdz. 9). 74 Rys. 3.6. Migracja neuronów; A - schemat migracji; B - budowa aksonu i stożka wzrostowego. Linie przerywane przedstawiają ruch filopodiów; R - receptory czynników wzrostu i kwasu glutaminowego. Czynniki wzrostu B Substancje adhezyjne Kwas 'glutaminowy l H Stożek Aktyna 1 1 Glej wzrostowy i miozyr promienisty : N; : l' I- Wędrujące j^i neurony i / l M ć* l Rosnący A / •'„ akson Filo- podium w błonie komórkowej zakończenia aksonu, które wchodzą w interakcje z od- powiednimi substancjami w środowisku pozakomórkowym. Gdy zakończenie aksonu dotrze do miejsca przeznaczenia, końcowy proces jego rozwoju jest stymulowany przez narząd docelowy za pośrednictwem związków o charakterze przekaźników. Wśród tych substancji ważną rolę odgrywa kwas glutaminowy, który pobudza procesy prowadzące do wykształcenia się w aksonie odpowiednich struktur morfologicznych, w tym także połączeń synaptycznych. W trakcie migracji neuronów kształtują się poszczególne części układu nerwowego i jego struktura wewnętrzna. Miejsce, do którego wędruje neuron, jest w znacznym stopniu zdeterminowane przez czynniki genetyczne, a to oznacza., że właściwe neurony wędrują do zawiązków właściwych płatów i pól kory w obrębie pierwotnej płytki korowej (Chanas-Sacre i wsp., 2000; Rubenstein i Rakic, 1999). Szlaki tej wędrówki są wyznaczone przez włókna gleju promienistego. W inny sposób jest zdeterminowana pozycja neuronu w warstwie kory. Neurony najwcześ- niej przybyłe do celu tworzą wewnętrzną warstwę kory, przybywające zaś później układają się w warstwy bardziej powierzchowne. : Współzawodnictwo neuronów. Czynniki neurotroficzne . ; Neurony są wytwarzane w znacznym nadmiarze, tak że do jednego celu wędruje ich więcej niż jest to potrzebne do właściwego funkcjonowania narządu docelowego. 75 W okresie rozwoju układu nerwowego jedna komórka mięśniowa może być początkowo unerwiona przez kilka neuronów ruchowych. Ostateczna liczba neuronów unerwiających narząd docelowy (inny neuron lub narząd wykonawczy) ustala się później: nadliczbowe neurony obumierają, pozostają tylko te, które zdołały wytworzyć trwałe połączenie synaptyczne z innym neuronem lub efektorem. Między rosnącymi aksonami istnieje pewien rodzaj współzawodnictwa o osiągnięcie celu. Procesem tym kierują związki nazywane czynnikami neurotroficznymi albo czynnikami wzrostu. s ' | W klasycznych badaniach nad czynnikami powodującymi wzrost tkanki nowotworowej wszczepiano do zarodka kurczęcia komórki nowotworu - mięsaka myszy. Zaobserwowano, że po stronie implantacji dochodzi do większego rozwoju odpowiedniego zwoju rdzeniowego. W ten sposób odkryto ciało chemiczne, nazwane czynnikiem wzrostu nerwów (nerve growthfactor - NGF). Czynnik ten ma wpływ na cały wzrost i rozwój neuronu, poczynając od momentu jego powstania z pierwotnej niezróżnicowanej komórki, a więc na wydłużanie się aksonu, różnicowanie morfologiczne i dojrzewanie. Stwierdzono, że przy braku NGF neurony w hodowlach tkankowych nie rosną, natomiast w jego obecności rozwijają się prawidłowo (Levi-Montalcini, 1965). Z czasem tego rodzaju czynników wzrostu odkryto znacznie więcej. Wiele z nich wywiera wpływ na powstawanie i różnicowa- nie komórek w różnych narządach i tkankach. Czynniki wzrostu występujące w układzie nerwowym przedstawia tabela 3.2. Ponieważ są one niezbędne do rozwoju neuronów, niektórzy nazywają je czynnikami neurotroficznymi. Tabela 3.2. Czynniki wzrostu • Skrót Nazwa Działanie NGF Czynnik wzostu nerwów Nerve growth factor Stymuluje wzrost nerwów, głównie współczulnych i czuciowych; niezbędny do prawidłowej pracy neuronów cholinergicznych w podstawnej części mózgu BDNF Czynnik troficzny pochodzenia mózgowego Brain-derived neurotrophic fac- tor : ,::-.'i'i -j'S Pierwotnie uważany za czynnik troficzny komórek zwojowych siatkówki; stymuluje wzrost neuronów czuciowych, a w ośrodkowym układzie nerwo- wym - neuronów cholinergicznych i dopaminer- gicznych NT-3 NT-4/5 Czynniki neurotroficzne 3 i 4/5 Neurotrophins 3 and 4/5 Stymulują wzrost neuronów czuciowych, a w oś- rodkowym układzie nerwowym - neuronów cho- linergicznych i noradrenergicznych CNTF Czynnik troficzny nerwów rzęs- kowych Ciliary neurotrophic factor Pierwotnie stwierdzony w zwojach rzęskowych oka; niezbędny do przeżycia nerwów współczul- nych, przywspółczulnych i czuciowych; występuje również w mózgu EGF Czynnik wzrostu naskórka Epidermal growth factor Wykryty w gruczołach ślinowych myszy; pobudza proliferację komórek grzebienia nerwowego w okresie zarodkowym; wpływa na skład środo- wiska zewnętrznego, a przez to na migrację neuronów i wzrost aksonów 76 Ogólny mechanizm działania czynników wzrostu jest następujący. Czynnik wzrostu jest wytwarzany przez narząd docelowy i wiąże się ze swoistymi receptorami w błonie zakończenia aksonu, które znalazło się w miejscu prze- znaczenia. Receptor jest zbudowany z kilku podjednostek, a jedną z nich jest białko o charakterze enzymu - kinaza tyrozynowa. Czynnik wzrostu tworzy z receptorem kompleks, który ulega „wchłonięciu" do wnętrza aksonu (internaliza- cja), a następnie drogą wstecznego transportu aksonalnego jest przenoszony do jądra komórki. W jądrze pobudza syntezę enzymów katalizujących reakcje, w wyniku których powstają białka cytoszkieletu komórki. Proces ten zachodzi tylko w tych aksonach, które zwyciężyły we współzawodnictwie o osiągnięcie narządu docelowego. Inne neurony, pozbawione czynnika troficznego, umierają. Dojrzewanie funkcjonalne neuronów i synaps Dojrzewanie funkcjonalne układu nerwowego polega na doskonaleniu mechaniz- mów pobudliwości neuronów, wykształcaniu się systemu przekaźników, powstaniu synaps oraz na wytworzeniu połączeń synaptycznych. ' W pobudliwości niedojrzałych neuronów wyłączną rolę odgrywają jony wapnia. Dopiero w miarę dojrzewania komórki tworzą się kanały sodowe i pobudzenie staje się związane z ruchem jonów sodu. Pierwsze styki między neuronami są synapsami elektrycznymi, natomiast synapsy chemiczne, przekazujące pobudzenie za pośrednictwem przekaźników, rozwijają się później. O tym, jakim przekaźnikiem będzie się posługiwał neuron przy przekazywaniu informacji, decydują czynniki genetyczne, lecz także wpływy środowiska. Na przykład neurony adrenergiczne hodowane w izolacji zachowują charakter adrenergiczny, jednakże hodowane z innymi komórkami, na przykład sercowymi, mogą wytwarzać acetylocholinę i tworzyć z tymi komórkami synapsy cholinergiczne. Przypuszczalnie oba mechanizmy mogą odgrywać rolę w wykształcaniu się synaps również w normalnym rozwijającym się mózgu, czyli w tzw. synaptogenezie. Wraz z rozwojem układu nerwowego zmienia się liczba synaps. Rakic i wsp. (1986) mierzyli zagęszczenie synaps w korze mózgu małp w okresie płodowym i w okresie po urodzeniu. Okazało się, że liczba synaps wzrasta wraz z rozwojem mózgu i zwiększa się jeszcze w ciągu dwóch do czterech miesięcy. Następnie, w ciągu dalszych dwóch, czterech lat obserwuje się spadek liczby synaps do poziomu charakterystycznego dla dorosłego osobnika. Znaczy to, że niektóre połączenia między neuronami funkcjonują jedynie na pewnych etapach rozwoju mózgu. Szczególnie wyraźnie można prześledzić rozwój połączeń nerwowych w ukła- dzie wzrokowym. Badania na kotach wykazały, że organizacja neuronalna ośrodka wzroku w korze mózgu ma charakter kolumnowy (patrz s. 208). Przejawia się to tym, że grupa neuronów tworzących kolumnę często reaguje na ściśle określony rodzaj bodźca, na przykład na linię nachyloną pod odpowiednim kątem. Właściwość ta nie występuje u kociąt wychowywanych w takich warunkach, że widziały tylko linie przebiegające w jednym kierunku (np. nosząc odpowiednie zasłony na oczach). Poza tym w korze wzrokowej występują pary zespołów kolumn uporząd- kowane w taki sposób, że informacja z jednego oka dochodzi do kolumn jednej 77 pary, a z drugiego oka do kolumn drugiej pary. Taka organizacja nie powstaje, gdy u kota odpowiednio wcześnie po urodzeniu zostanie wytworzony zez. Badania anatomiczne wykazały, że u kotów tuż po urodzeniu występują liczne połączenia nerwowe miedzy ośrodkami wzrokowymi prawej i lewej półkuli, które służą współdziałaniu obu półkul w zakresie percepcji wzrokowej. W miarę rozwoju mózgu połączenia te, początkowo obejmujące rozległe obszary kory, ulegają koncentracji i przebiegają między ograniczonymi obszarami na granicy pola 17 i 18 każdej półkuli. Do takiej organizacji nie dochodzi u zwierząt z eksperymentalnym zezem. Badania te wskazują, jak ogromne znaczenie dla rozwoju prawidłowego widzenia obuocznego ma odpowiednio wczesne wykrycie i leczenie zeza u dziecka. % , ., > Fizjologiczna śmierć neuronów Wyżej przytoczone przykłady wskazują, że w okresie rozwojowym początkowo powstają nadliczbowe neurony i synapsy, które potem zostają wyeliminowane. Neurony, które przegrały w rywalizacji o wytworzenie połączenia synaptycznego z narządem docelowym, giną. Umieranie komórek jest procesem zachodzącym powszechnie w narządach organizmu. Zjawisko to, zwane apoptozą (od gr. OOTÓTCTOOCTK;, apoptósis - odpadanie) albo programowaną śmiercią komórek, dotyczy także nadliczbowych neuronów w życiu płodowym i wczesnym okresie po urodzeniu. W odróżnieniu od martwicy, apoptozą nie jest spowodowana uszkodzeniem komórki i nie towarzyszy jej proces zapalny. W wyniku apoptozy komórka rozpada się na fragmenty. Enzymy aktywowane w jądrze komórki przecinają łańcuchy DNA, powodując ich fragmentację. Apoptozą jest prawdopodobnie indukowana przez specjalne geny (protoonkogeny), aczkolwiek wykryto też geny o odwrotnym działaniu - stymulujące procesy podtrzymujące przeżywalność komórki. Innym procesem przebiegającym na pewnym etapie dojrzewania mózgu jest redukcja liczby synaps. O ile jednak w wyniku apoptozy ginie niedojrzały neuron, któremu nie było dane rozwinąć działania, o tyle w procesie redukcji synaps zanikają synapsy w pełni sprawne, które zdążyły odegrać swą rolę. Synapsy te uczestniczą we wstępnym tworzeniu połączeń nerwowych między ośrodkami i giną po wykonaniu tego zadania. •.-...;... ;:.. ,!;>;. ,K;< wit :;•,,»..... y,.-.-, : • .4 Budowa mikroskopowa układu nerwowego — J Układ nerwowy jest zbudowany z komórek nerwowych i z neuroglii, czyli gleju, niekiedy nazywanego niewłaściwie tkanką glejową. Komórki nerwowe i glejowe tworzą tkankę nerwową. ... , ',...- j Komórki nerwowe Komórka nerwowa, czyli neuron, jest podstawową jednostką morfologiczną ' i funkcjonalną układu nerwowego. Składa się z ciała komórki zwanego pery- 78 j Rys. 3.7. Budowa neuronu. t?«ł Błona komórkowa Przewężenia Ziarnistości Nissla CIAŁO NEURONU (soma, perykarion) (synaptyczne) kanonem3 i wypustek. Wśród wypustek wyróżnia się jeden akson, zwany też włóknem osiowym (od gr. d?cov, akson - oś) i dendryty (rys. 3.7). Na wczesnym etapie neurogenezy nowo powstały neuron składa się z części centralnej, czyli zawiązka perykarionu, oraz z niezróżnicowanych wypustek cytoplazmy, których wzrost jest stymulowany przez specjalny rodzaj białka. Po pewnym czasie jedna z wypustek zaczyna, się wydłużać szybciej niż pozostałe wskutek działania innego białka, zwanego białkiem tau. Wypustka ta jest zawiązkiem późniejszego aksonu. Rolą aksonu jest przewodzenie impulsów nerwowych od ciała neuronu do innych neuronów lub do narządu wykonaw- czego. Neurony różnią się wielkością i kształtem perykarionów oraz liczbą i wielkoś- cią wypustek. U ssaków wielkość perykarionów wynosi od kilku do około 100 mikrona. Większe neurony spotyka się u niektórych zwierząt bezkręgowych. Pod względem kształtu komórki mogą być okrągłe, owalne, wielokątne, gwiaździste, piramidowe i inne. Ze względu na liczbę wypustek wyróżnia się komórki wielobiegunowe, z jednym aksonem i wieloma dendrytami, i komórki dwu- biegunowe, mające oprócz aksonu tylko jeden dendryt (rys. 3.8). Szczególną grupę komórek dwubiegunowych stanowią komórki rzekomojed- nobiegunowe. Ich perykariony znajdują się w zwojach rdzeniowych; od perykarionu odchodzi jedna wypustka, która rozdziela się na część centralną, czyli akson, oraz część obwodową. Ponieważ część ta przewodzi impulsy w kierunku perykarionu, funkcjonuje jako dendryt. Jednak posiadanie osłonki mielinowej i skokowy sposób 3 W niektórych publikacjach komórka nerwowa bywa utożsamiana z jej perykarionem. Jest to skrót myślowy wynikający z założenia, że perykarion jest głównym (centralnym) składnikiem neuronu. Na przykład stwierdzenie, że w ośrodkach ruchowych rdzenia kręgowego znajdują się motoneurony, milcząco zakłada, że chodzi tu o ciała komórkowe motoneuronów, a nie o ich aksony, które opuszczają ośrodki i wchodzą w skład nerwów. ...i, -.,,.,'...r.- - > ,*:•-.('* -." ;--;r.u -'.: •';«•. :.'•: ": TVP n wg Golgiego Rys. 3.8. Rodzaje komórek nerwowych. Komórka piramidowa Szczyt Komórka rzekomo- jednobiegunowa Akson kierunek przepływu impulsów nerwowych przewodzenia impulsów nerwowych upodabnia ją raczej do aksonu. Rzadziej spotyka się komórki jednobiegunowe. U ssaków występują one w siatkówce oka. Najliczniejsze, komórki wielobiegunowe, Golgi podzielił na dwa typy. Do typu I zaliczył komórki o długim aksonie, który przewodzi impulsy na dużą odległość, często do innej struktury nerwowej. Do typu II należą komórki z krótkim aksonem, dochodzącym do sąsiedniej komórki. Przykładem komórek typu II są interneurony, czyli neurony wstawkowe (pośredniczące). Glej ' ' ; , ' .'....'. Glej, odkryty w XDC wieku przez Yirchowa, został uznany za analog tkanki łącznej w innych narządach, czyli za rodzaj spoiwa (Nervenkitt) utrzymującego komórki nerwowe w ich położeniu i nadającego kształt strukturom nerwowym. W wyniku późniejszych badań okazało się, że glej nie jest bezpostaciową masą, lecz składa się z komórek, wśród których rozróżnia się astrocyty, komórki oligodendrogleju i komórki mikrogleju. Astrocyty i oligodendroglej powstają, wraz z komórkami nerwowymi, z ektodermy. Wyjątek stanowi mikroglej, którego 80 r komórki są, jak tkanka łączna, pochodzenia mezodermalnego. W przypadku uszkodzenia tkanki mózgowej komórki mikrogleju przekształcają się w makrofagi, których zadaniem jest usuwanie produktów rozpadu. Astrocyty mają wypustki rozchodzące się promieniście we wszystkie strony. Wiele teorii wysuwanych na temat funkcji tych komórek nie potwierdziło się, na przykład przypisywany im dawniej udział w transporcie substancji między krwią a mózgiem. Obecnie uważa się, że astrocyty pełnią funkcję podporową wobec neuronów; rozdzielają i grupują włókna nerwowe, uczestniczą w procesach metabolicznych tkanki nerwowej jako źródło prekursorów przekaźników, sub- stancji troficznych i jonów, przechowują nadmiar jonów potasu, których wy- stępowanie w środowisku zewnątrzkomórkowym mogłoby zakłócać pubudliwość neuronów. Oligodendroglej składa się komórek o niewielkiej liczbie wypustek (stąd nazwa tego rodzaju gleju). Ważną rolą komórek oligodendrogleju jest wytwarzanie osłonki mielinowej wokół aksonów w ośrodkowym układzie nerwowym. W obwo- dowym układzie nerwowym osłonkę mielinową wytwarzają komórki Schwanna. Do komórek glejowych należą też komórki wyściółki (ependymy) pokrywające ściany komór mózgu. Włókna i osłonki nerwowe v Włóknami nerwowymi nazywa się wypustki neuronów, zwykle aksony, przewo- dzące impulsy na znaczne odległości. Włókna nerwowe mogą mieć osłonkę rdzenną (mielinową) i wówczas nazywają się włóknami rdzennymi (mielinowymi), włókna zaś nie mające tej osłonki są nazywane włóknami bezrdzennymi (bez- mielinowymi). W ośrodkowym układzie nerwowym osłonkę mielinową wytwarzają komórki oligodendrogleju (rys. 3.9). Na początku w obrębie komórek glejowych powstają wgłębienia, w których przebiegają aksony. Na dalszym etapie wgłębienia te powiększają się, a ich ściany schodzą się, wytwarzając rodzaj kanałów. Następnie fragmenty błony komórki glejowej owijają się coraz ściślej wokół aksonu, aż wreszcie tworzą upakowaną, wielowarstwową osłonkę. Wskutek modyfikacji składników tej osłonki wytwarza się substancja zwana mieliną, o znacznej przewadze związków tłuszczowych. Gdy włókno nerwowe pozostaje tylko w luźnym kontakcie z komórką glejową, osłonka mielinową nie wytwarza się; włókno takie nazywa się bezmielinowym. Proces tworzenia się osłonek mielinowych w układzie nerwowym, zwany mielinizacją, rozpoczyna się w życiu płodowym, a u człowieka trwa jeszcze przez około 2 lata po urodzeniu. W nieco odmienny sposób przebiega proces mielinizacji w nerwach ob- wodowych. Podobną rolę jak neuroglej w ośrodkowym układzie nerwowym pełnią tu komórki Schwanna. W ich obrębie również powstają wgłębienia, warstwy błony komórki Schwanna owijają się ściśle wokół aksonu, powstaje mieliną i wykształca się osłonka mielinową. Inaczej niż w układzie ośrodkowym, każda komórka Schwanna „obsługuje" tylko jeden akson. ,MA/ <.>(;:,;, Osłonka mielinową nie jest ciągła, lecz składa się z odcinków o długości 81 Rys. 3.9. Powstawanie osłonki mielinowej w ośrodkowym (A) i obwodowym (B) układzie nerwowym; C - komórka Schwanna otaczająca włókna nerwowe bezmielinowe. powstawanie osłonki mielinowej Komórka Schwanna Aksony (włókna bezmielinowe) około l mm, między którymi znajdują się przerwy o długości 1-2 mikronów. W obrębie tych przerw, zwanych przewężeniami Ranviera, włókno nerwowe pozostaje odsłonięte (rys. 3.7). Włókna luźno związane z komórkami Schwanna nie mają osłonki mielinowej i są zaliczane do włókien bezrdzennych (bezmielinowych). W odróżnieniu od włókien nerwowych w układzie ośrodkowym, włókna nerwów obwodowych mogą się regenerować po uszkodzeniu. Odcinek obwodowy przerwanego nerwu ulega zwyrodnieniu, zwanemu zwyrodnieniem Wallera. Pozostają natomiast nieuszkodzone komórki Schwanna, których funkcjonowanie jest pobudzone przez produkty rozpadu włókna nerwowego. W kanał utworzony przez te komórki wrasta, w miejsce zwyrodniałego, nowe włókno. Proces ten nie zachodzi w przypadku uszkodzenia ciała neuronu. Od aksonu mogą odchodzić bocznice (kolaterale). Na końcu swego przebiegu bocznice, tak samo jak główny pień aksonu, rozgałęziają się na włókna coraz mniejszego kalibru i ostatecznie na włókna presynaptyczne, które bezpośrednio stykają się i tworzą synapsy z neuronem docelowym albo komórką narządu efektora. Ostatni odcinek włókna presynaptycznego nazywa się też zakończeniem nerwowym albo synaptycznym. Za pośrednictwem synaps odbywa się przekazy- wanie stanu czynnościowego z włókien presynaptycznych do komórki, z którą włókna te się kontaktują. 82 Istota szara i istota biała ^ */' Oglądając mózgowie i rdzeń kręgowy, można łatwo odróżnić miejsca jaśniejsze, 0 białawym zabarwieniu, i miejsca ciemniejsze, szare. Ze względu na różnice w zabarwieniu w ośrodkowym układzie nerwowym rozróżnia się istotę szarą 1 istotę białą. W obrębie istoty szarej występuje znaczna przewaga komórek nerwowych i włókien nerwowych bezrdzennych. Natomiast istota biała zawiera dużo włókien otoczonych osłonką mielinową i jej białawe zabarwienie pochodzi od barwy mieliny. Z istoty szarej jest utworzona kora mózgu oraz wiele niższych ośrodków nerwowych. Z istoty białej są utworzone drogi nerwowe. Największym skupieniem istoty białej jest ciało modzelowate, zawierające włókna mielinowe, które łączą obie półkule mózgu. Zbiorowiska neuronów w istocie szarej wykonujących podobną czynność nazywa się jądrami lub ośrodkami, a jeśli zajmują dużą przestrzeń - polami. W tym ujęciu jądro zawiera komórki jednorodne pod względem budowy i ma wyraźne granice anatomiczne. Pojęcie ośrodka zazwyczaj odnosi się do większej struktury o ostrych granicach anatomicznych, w której występują komórki i włókna nerwowe o różnym znaczeniu czynnościowym - doprowadzające i odprowadzające impulsy, pobudzające lub hamujące neurony, pośredniczące, integrujące itp. Niekiedy jednak ośrodkiem nazywa się zespół elementów funkcjonalnych, wykonujących pewną złożoną czynność, niekiedy nawet roz- proszonych w różnych strukturach i wówczas nazywa się dany ośrodek, uwzględniając jego funkcję. Mówi się zatem o ośrodku głodu, ośrodku ruchowym albo czuciowym czy też o ośrodkach termoregulacji. Szczególnie bogata terminologia dotyczy kory mózgu, w której rozróżnia się ośrodki, pola, obszary, okolice, wykonujące konkretną czynność. Niekiedy stosuje się obiegowe skróty, jak kora wzrokowa, słuchowa, czuciowo-ruchowa, zamiast ośrodek wzrokowy, słuchowy itp. kory mózgu. Skupienia ciał komórek nerwowych poza ośrodkowym układem nerwowym nazywa się zwojami. Należą do nich zwoje rdzeniowe, zawierające neurony czuciowe, i zwoje wegetatywne, w których znajdują się neurony unerwiające narządy wewnętrzne. Drogami nerwowymi (pęczkami, pasmami, sznurami) nazywane są skupiska włókien nerwowych (aksonów) łączących ośrodki, pola, jądra i większe struktury mózgowe. Włókna te są często otoczone osłonką mielinową. Większe skupienia włókien o specjalnym przebiegu nazywa się torebkami (torebka wewnętrzna, zewnętrzna, krańcowa), blaszkami (na przykład we wzgórzu), promienistościami, spoidłami itp. Drogi przewodzące impulsy w kierunku dół - góra (tył - przód u czworonożnych) nazywa się wstępującymi, a prze- wodzące w odwrotnym kierunku - zstępującymi. Włókna albo drogi dostarczające impulsy do określonej części mózgowia nazywa się doprowadzającymi albo aferentnymi, przewodzące zaś impulsy od danej części mózgowia do innych ośrodków lub z układu nerwowego do narządów wykonawczych - odpro- wadzającymi (eferentnymi). >. -.. • ~ > -. Nerwy ^uri - •• > • • • Nerwami nazywa się skupienia włókien nerwowych, mielinowych i bezrdzennych, j łączących ośrodki mózgowia i rdzenia kręgowego z narządami. Nerwy należące do układu somatycznego (animalnego) mają wygląd białawych powrózków i przebiegają wśród mięśni, często w sąsiedztwie naczyń krwionośnych. Ze względu na umiejscowienie ośrodków rozróżnia się nerwy czaszkowe - unerwiające obszar głowy, i nerwy rdzeniowe - unerwiające tułów i kończyny. Pod względem wykonywanej funkcji rozróżnia się w nerwach włókna ruchowe, eferentne - przewodzące impulsy z ośrodków ruchowych do mięśni szkieletowych, i włókna czuciowe, aferentne - przewodzące in- formacje z receptorów w skórze i tkankach głębokich do ośrodkowego układu nerwowego. Nerw utworzony z włókien ruchowych nazywa się nerwem ru- chowym, a nerw złożony z włókien czuciowych - czuciowym. Nerwów o tak jednolitej funkcji jest jednak niewiele. Najczęściej występują nerwy mieszane, zawierające w różnych proporcjach włókna ruchowe (eferentne) i czuciowe (aferentne). W pobliżu rdzenia kręgowego oba te rodzaje włókien rozdzielają się: włókna eferentne tworzą korzenie brzuszne (przednie), aferentne zaś tworzą korzenie grzbietowe (tylne). W obrębie korzeni grzbietowych występują zgrubienia - są to zwoje rdzeniowe zawierające komórki rzekomojednobie- gunowe. Korzeń brzuszny Rys. 3.10. Nerwy i sploty nerwowe. A-t ' Często włókna opuszczają nerw „macierzysty" i wchodzą w skład innego nerwu (rys. 3.10). Gdy liczba tych włókien jest znaczna, wówczas tworzą sploty nerwowe, na przykład splot barkowy, splot lędźwiowy.......: 84 Części układu nerwowego »•>.• - <• ,-.--.,. h/. f* Pod względem anatomicznym wyróżnia się układ nerwowy ośrodkowy i układ nerwowy obwodowy. Układ nerwowy ośrodkowy składa się z dwóch dużych części - mózgowia i rdzenia kręgowego. Istnieją dwa kryteria podziału mózgowia - anatomiczno-ontogenetyczne i fizjologiczno-kliniczne. Zgodnie z pierwszym kryterium w obrębie mózgowia rozróżnia się pięć części, które odpowiadają pięciu pęcherzykom zarodkowym, a mianowicie: kresomózgowie, międzymózgowie, śródmózgowie, most i rdzeń przedłużony. W skład mózgowia wchodzi też móżdżek. W dyscyplinach neurobiologicznych przyjęto podział mózgowia na trzy części - mózg, pień mózgu i móżdżek. Mózgiem nazywa się tylko kresomózgowie, w obrębie którego wyodrębnia się półkule mózgu, struktury węchomózgowia i jądra podstawy. Pień mózgu obejmuje pozostałe części mózgowia od międzymóz- gowia do rdzenia przedłużonego. Trzy części pnia mózgu - śródmózgowie, most i rdzeń przedłużony - stanowią zwartą całość o podobnej funkcji, zawierają bowiem jądra nerwów czaszkowych, twór siatkowaty wraz z głównymi ośrodkami regulującymi sen i czuwanie oraz ośrodki regulujące ważne dla życia czynności ustroju, jak oddychanie i krążenie krwi. Na użytek analizy takich czynności organizmu, jak sterowanie ruchem, czucie i percepcja, sen i czuwanie, warunkowanie i uczenie się, mózgowie dzieli się na korę mózgu i ośrodki podkorowe. Do ośrodków podkorowych należą wówczas jądra podstawne (tj. ciało prążkowane, ciało migdałowate i przedmurze), struktury międzymózgowia (jak jądra wzgórza, podwzgórze i niskowzgórze) i struktury pnia mózgu (na przykład jądro czerwienne, istota czarna, istota szara około wodociągo- wa). Wyodrębnia się też zespoły struktur tworzących wielkie zespoły funkcjonalne, jak układ siatkowaty, układ limbiczny czy ośrodkowy układ tłumienia bólu. Rdzeń kręgowy Rdzeń kręgowy znajduje się w kanale kręgowym utworzonym przez otwory znajdujące się w kręgach kręgosłupa, ale nie zajmuje całej przestrzeni tego kanału, ponieważ wzrasta wolniej niż kręgosłup. Ku górze (ku przodowi) łączy się z rdzeniem przedłużonym, kończy się natomiast w obrębie odcinka lędźwiowego kręgosłupa (u człowieka na granicy między pierwszym i drugim kręgiem lędźwiowym). Rdzeń kręgowy ma budowę odcinkową (segmentalną). Każdy odcinek, zwany neuromerem, unerwia czuciowe i ruchowo odpowiedni odcinek ciała, czyli metamer. Neuromer zawiera ośrodki czuciowe, ruchowe i wegetatywne, a także parę korzeni rdzeniowych przednich (brzusznych) i grzbietowych (tylnych), i których powstają nerwy łączące rdzeń z receptorami i narządami wykonawczymi. W rdzeniu kręgowym człowieka rozróżnia się część szyjną (składającą się J 8 odcinków), część piersiową (12 odcinków), lędźwiową i krzyżową (po i odcinków) i guziczną (l lub 2 odcinki). W obrębie rdzenia kręgowego widoczne ią dwa zgrubienia - szyjne i lędźwiowe, spowodowane występowaniem w tych 85 Rys. 3.11. Budowa rdzenia kręgowego; A - odcinki rdzenia; B - warstwy na przekroju poprzecznym rdzenia wg Rexeda; C - przekrój poprzeczny rdzenia kręgowego. Zgrubienie szyjne Zgrubienie lędźwiowe Część guziczna Szczelina pośrodkowa brzuszna Bruzda pośrodkowa grzbietowa Róg 'grzbietowy "w -<•—T~~y^;,• i;„-r)|«i Rdzeń kręgowy jest utworzony przez centralnie położoną istotę szarą ori otaczającą ją istotę białą. Istota szara Istota szara rdzenia kręgowego ma kształt litery H i składa się z dwói symetrycznych połówek, połączonych spoidłem szarym (rys. 3.11C). W obręt tego spoidła znajduje się kanał środkowy, u dorosłego osobnika zarośnięl natomiast otwarty w życiu płodowym. Poszczególne części istoty szarej nazy\ się rogami lub słupami. Rozróżnia się rogi (słupy) przednie (brzuszne) i tył (grzbietowe), rogi boczne oraz słupy Clarke'a. W użyciu jest podział istoty szai rdzenia na 10 warstw, wprowadzony przez Rexeda. Warstwy te oznacza : cyframi rzymskimi (rys. 3.11B). Warstwy rdzenia, podobnie jak pola cytoarchite 86 Rys. 3.12. Korzenie rdzeniowe; 1 - włókna aferentne przewodzące impulsy z receptorów mięśniowych; 2 - włókna ruchowe; 3, 4 - włókna wegetatywne; 5 - włókna przewodzące impulsy czucia powierzchniowego; 6 - włókna przewodzące impulsy czucia głębokiego. Korzeń grzbietowy do ośrodków czuciowych w pniu mózgu Róg boczny Zwój rdzeniowy Zwój rdzeniowy • ul Staw toniczne kory mózgu, odznaczają się specyficznymi cechami utkania komórkowego i właściwościami funkcjonalnymi. W rogach przednich, zawierających według Rexeda warstwy VII, VIII i IX, znajdują się ośrodki ruchowe. W rogach tylnych, zawierających warstwy od I do VI, znajdują się ośrodki czuciowe. Rogi boczne występują jedynie w odcinkach piersiowym, lędźwiowym i guzicznym rdzenia i zawierają ośrodki układu wegetatywnego. W słupach Clarke'a bierze początek droga rdzeniowo-móżdżkowa grzbietowa. Od rogów przednich i tylnych odchodzą odpowiednio korzenie nerwowe przednie i tylne (rys. 3.12). Korzenie nerwowe opuszczają rdzeń kręgowy przez otwory międzykręgowe. Pierwszy korzeń, należący do najwyższego odcinka części szyjnej rdzenia, wychodzi między pierwszym kręgiem szyjnym i czaszką. Wskutek wspomnianego nierównomiernego wzrostu rdzenia kręgowego i kręgosłupa, korzenie wychodzące z dolnych odcinków rdzenia biegną w obrębie kanału kręgowego i opuszczają kręgosłup poniżej odpowiadających im kręgów. Istota biała . "-•. ..,.7;; •:•.-- V:v' ;•'?._ ''•'••• ' - '-V- : •'•^•"' ' ' Istota biała rdzenia kręgowego tworzy trzy pary sznurów, z których sznury przednie zawierają przeważnie drogi zstępujące, sznury tylne - drogi wstępujące, a powrózki boczne - oba rodzaje dróg. Niektóre drogi wstępujące biorą początek w rdzeniu kręgowym, to znaczy są aksonami neuronów, których perykariony * znajdują się w istocie szarej rdzenia, inne zaś tylko przechodzą przez rdzeń. Te ostatnie są wypustkami centralnymi komórek rzekomojednobiegunowych zwojów rdzeniowych i przewodzą impulsy precyzyjnego czucia dotyku i czucia głębokiego. Drogi zstępujące biorą początek w ośrodkach mózgowia i dochodzą do ruchowych, czuciowych i wegetatywnych ośrodków rdzenia. Drogi własne rdzenia łączą ze sobą ośrodki w sąsiednich i w oddalonych segmentach rdzenia kręgowego. Pień mózgu <*•" -, Wzgórze, podwzgórze, śródmózgowie, most i rdzeń przedłużony wchodzą w skład pnia mózgu (truncus cerebri) (rys. 3.13). Trzy ostatnie z wymienionych struktur tworzą tylną część pnia mózgu, która pod względem funkcjonalnym stanowi jednolitą całość. Natomiast wzgórze i podwzgórze, choć pod względem anatomicz- nym są zaliczane do pnia mózgu, współdziałają z innymi formacjami mózgowia i pełnią też odmienne funkcje. Wyodrębnienie tylnej części pnia mózgu jako jednostki funkcjonalnej jest o tyle usprawiedliwione, że czynności śródmózgowia, mostu i rdzenia przedłużonego są pod pewnymi względami podobne do czynności rdzenia kręgowego. Znajdują się tu bowiem ośrodki czuciowe, ruchowe i wegetatywne nerwów czaszkowych od j in do XII, unerwiających głównie obszar głowy w podobny sposób, jak analogiczne ośrodki rdzenia kręgowego unerwiają resztę ciała. Przebiegają też tędy drogi tworzące, jak w rdzeniu kręgowym, wyraźnie odcinającą się istotę białą. Niemniej Rys. 3.13. Pień mózgu; widok od strony A - grzbietowej i B - brzusznej; C -widok na przekroju w płaszczyźnie strzałkowej; IV-XII - nerwy czaszkowe. Szyszynka Wzgórek \ pokrywy: <> Ciało kolankowate górny) rprzyśrodkowe Skrzyżowanie nerwów wzrokowych Podwzgórze Ciała __ suteczkowate Wzgórek pokrywy: górny dolny Komora Piramidy czwarta Oliwka Konar Środkowy móżdżku Jądro: .smukłe klinowate xl - RDZEŃ . PRZEDŁUŻONY B 88 jednak zakres funkcji pnia mózgu znacznie przekracza czynności rdzenia kręgowego. Znajdują się tu bowiem ośrodki regulujące napięcie mięśniowe, ośrodki zaliczane do układu limbicznego, ośrodki sterujące stanami snu i czuwania oraz ośrodki regulujące ważne dla życia czynności, takie jak oddychanie i krążenie krwi. Rdzeń przedłużony i most Rdzeń przedłużony (medulla oblongata), zwany też opuszką (bulbus), jest najbardziej z tyłu położoną częścią mózgowia i znajduje się między mostem a rdzeniem kręgowym. Na brzusznej powierzchni rdzenia przedłużonego uwypuklają się piramidy, stanowiące skupienia włókien dróg korowo-rdzeniowych (rys. 3.14). Z boku piramid widoczne są oliwki (olivae). Głównym składnikiem każdej z oliwek jest jądro oliwkowe dolne (nucleus olivańs inferior), współdziałające z móżdżkiem w korygowaniu czynności ruchowych. Rys, 3.14. Struktury na przekroju czołowym rdzenia przedłużonego. Ciało powrózkowate Nerw XII Nerw XII Na grzbietowej powierzchni rdzenia przedłużonego zaznacza się przyśrodkowo leżące jądro smukłe (nucleus gmcilis) i bocznie położone jądro klinowate (nucleus cuneatus). Jądra te są ośrodkami czucia dotyku i czucia głębokiego. Dochodzą do nich wspomniane wyżej wypustki centralne komórek rzekomojednobiegunowych znajdujących się w zwojach rdzeniowych. W obrębie rdzenia przedłużonego znajdują się jądra czterech nerwów czaszkowych: językowo-gardłowego (IX), błędnego (X), dodatkowego (XI) i podjęzykowego (XII). Gałązki tych nerwów opuszczają rdzeń przedłużony na brzusznej powierzchni opuszki. Most (pons) znajduje się z przodu opuszki. Na przekroju czołowym mostu widoczna jest nakrywka mostu (tegmentum pontis) położona grzbietowe oraz podstawa (część podstawna albo stopa) mostu (pars basilaris seu pes pontis), zajmująca położenie brzuszne (rys. 3.15). W nakrywce mostu znajdują się następujące struktury: ..... , ........ ,. ., 89 Rys. 3.15. Struktury na przekroju czołowym mostu. Jądra przedsionkowe Jądra Wzgórek przedsionkowe Jądro nerwu //// nerwu VI twarzowego /1/1 NAKRYWKA MOSTU PODSTAWA MOSTU Jądro oliwkowe górne Jądra ślimakowe Jądro nerwu V: ruchowe czuciowe Twór siatkowaty Ciało czworoboczne Nerw VIII mostu Nerw VIII 1) jądra nerwów czaszkowych - trójdzielnego (V), odwodzącego (VI), twarzo- wego (VII) i słuchowego (VIII); '' , 2) jądra przedsionkowe, w liczbie czterech, umieszczone bezpośrednio pod dnem komory czwartej, współdziałające z narządem równowagi w utrzy- maniu równowagi; 3) ciało czworoboczne, należące do układu słuchowego; -»r 4) twór siatkowaty mostu, regulujący procesy czuwania; ; 5) jądra szwu, uczestniczące w regulacji snu. Podstawę mostu tworzą włókna nerwowe o różnym pochodzeniu i prze- znaczeniu. Między tymi włóknami znajdują się jądra mostu (nuclei pontis). Do jąder mostu dochodzą impulsy z kory mózgu i stąd są przesyłane do móżdżku. Sródmózgowie ' '' '•" "! Śródmózgowie (mesencephalori) składa się z trzech części, widocznych najlepiej na przekroju poprzecznym, z pokrywy (tectuni), nakrywki śródmózgowia (tegmen- tum mesencephali) i konarów mózgu (pedunculi cerebri). Przez środek śródmóz- gowia, w kierunku przednio-tylnym, przebiega kanał zwany wodociągiem mózgu (aąuaeductus cerebri), a dawniej wodociągiem Sylwiusza (rys. 3.16). Wodociąg łączy komorę trzecią z komorą czwartą. Na powierzchni grzbietowej śródmózgowia widać cztery uwypuklenia pokrywy zwane wzgórkami. Wzgórki górne (colliculi superiores) należą do układu wzrokowego, a wzgórki dolne (colliculi inferiores) ~ do układu słuchowego. Na powierzchni brzusznej zaznaczają się konary mózgu, czyli dwa uwypuklenia istoty białej. Przebiegają tędy drogi od kory mózgu do jąder mostu oraz do jąder ruchowych pnia mózgu i rdzenia kręgowego. Z wgłębienia między konarami wychodzą włókna nerwu III (okoruchowego). Rys. 3.16. Przekrój przez śródmózgowie; A - struktury; B - części śródmózgowia. Wodociąg mózgu Jądro Westphala -Edingera Wzgórki pokrywy śródmózgowia Jądra nerwu III Twór siatkowaty Ciało kolankowate przyśrodkowe Jądro czerwienne Istota czarna B POKRYWA ŚRÓDMÓZGOWIA NAKRYWKA ŚRÓDMÓZGOWIA Nakrywka śródmózgowia stanowi przedłużenie ku przodowi nakrywki mostu. Między nakrywką śródmózgowia a konarami mózgu znajduje się istota czarna (substantia nigra). Wodociąg mózgu jest otoczony podłużnie przebiegającą istotą szarą środkową śródmózgowia (substantia grisea centralis mesencephali). Struktura ta jest zaliczana do ośrodkowego systemu przeciwbólowego, omawianego w rozdz. 10 na s. 259. W śródmózgowiu spotyka się wiele ważnych jąder i ośrodków zaliczanych do układu ruchowego i limbicznego. Znajduje się tu śródmózgowiowa część tworu siatkowatego, odgrywająca ważną rolę w reakcji wzbudzenia. Ośrodkiem ruchowym o dużym znaczeniu u kotów, a mniejszym u człowieka jest jądro czerwienne (nucleus ruber). Do układu ruchowego zaliczana jest też istota czarna, która współdziała z gałką bladą. W brzusznej części nakrywki znajduje się pole brzuszne nakrywki (area tegmentalis ventralis). Jest to skupienie neuronów dopaminergicz- nych, należące do układu nagrody. W śródmózgowiu, w obrębie brzusznej części istoty szarej środkowej, znajdują się jądra dwóch nerwów czaszkowych unerwiających mięśnie gałki ocznej, a mianowicie nerwu okoruchowego (III) i bloczkowego (IV). Jądro nerwu III leży na poziomie wzgórków pokrywy górnych, a jądro nerwu IV na poziomie wzgórków pokrywy dolnych. • ••»•-• 91 Nerwy czaszkowe Nerwy czaszkowe, podobnie jak nerwy rdzeniowe, zawierają włókna ruchowe (odprowadzające, eferentne), włókna czuciowe (doprowadzające, aferentne) i włókna wegetatywne. Włókna ruchowe i wegetatywne są aksonami neuronów skupionych w jądrach ruchowych i wegetatywnych w pniu mózgu. Natomiast neurony czuciowe znajdują się w zwojach czuciowych poza pniem mózgu. Podobnie jak w nerwach rdzeniowych, każdy z neuronów czuciowych ma wypustkę obwodową, doprowadzającą impulsy od receptorów, oraz wypustkę centralną, dochodzącą do ośrodka czuciowego danego nerwu w pniu mózgu. *""' „ Tradycyjnie rozróżnia się 12 par nerwów czaszkowych. Każdy z nerwów ma nazwę anatomiczną i jest oznaczony liczbą. Faktycznie nerwów tych jest więcej, ponieważ niektóre są czynnościowo niejednorodne, tak że w obrębie jednego można wyodrębnić kilka nerwów (rys. 3.17). Z punktu widzenia wykonywanych funkcji nerwy czaszkowe można podzielić na następujące grupy: 1. Nerwy przekazujące informacje z telereceptorów (tj. pobudzane przez bodźce ze źródeł odległych od organizmu). Są to: nerw węchowy (I), nerw wzrokowy (II) i nerw ślimakowy (część słuchowa nerwu statyczno- -słuchowego - VIII). 2. Nerwy unerwiające mięśnie gałki ocznej - okoruchowy (III), bloczkowy (IV) i odwodzący (VI). 3. Nerw trójdzielny (V), o przewadze funkcji czuciowych. 4. Nerw pośredni (nervus intermedius) - część czuciowa nerwu twarzowego (VII), przewodzący impulsy czucia smaku. ffys. 3.1?. Jądra nerwów czaszkowych w pniu mózgu. NERWY CZUCIOWE NERWY RUCHOWE Jądro czuciowe ' • v nerwu V >—^ ŚRÓD- MÓZGOWIE Jądro ruchowe nerwu V \ Jądro nerwu XII Jądro grzbietowe nerwu X Jądro dwuznaczne 1 Jądro czuciowe nerwu V 92 5. Nerw twarzowy (VII) o przewadze funkcji ruchowych - unerwiający mięśnie mimiczne twarzy. > < ^ 6. Nerw przedsionkowy (część statyczna nerwu statyczno-shichowego - VIII), biorący udział w mechanizmach utrzymania równowagi ciała. 7. Zespół trzech nerwów: językowo-gardłowego (IX), błędnego (X) i dodat- kowego (XI). Nerwy te mają wspólne ośrodki w tylnej części pnia mózgu, unerwiają narządy wewnętrzne i niektóre mięśnie poprzecznie prążkowane. 8. Nerw podjęzykowy (XII), unerwiający mięśnie języka. ''•'•'*•>**! ' •!- Szczegółowe informacje o przebiegu nerwów czaszkowych I-IV i VI są podane we właściwych rozdziałach, omawiających funkcje tych nerwów. Ogólne wiadomości o pozostałych nerwach są przedstawione poniżej. Nerw trójdzielny F !'!'Wf> • -utł" .{,.,-,,. Nerw trójdzielny (nervus trigeminus) jest nerwem mieszanym, ale o znacznej przewadze części czuciowej nad ruchową. Część czuciową tworzą komórki rzekomojednobiegunowe, takie same jak w zwojach rdzeniowych, skupione w zwoju trójdzielnym (Gassera). Wypustki obwodowe tych komórek, po opuszczeniu zwoju, tworzą trzy gałązki nerwu trójdzielnego, uważane ze względu na ich znaczne rozmiary za odrębne nerwy. Są to: nerw oczny (nervus ophthalmicus), nerw szczękowy (nervus maxillaris) i nerw żuchwowy (nervus mandibullaris). Unerwiają one skórę twarzy, błony śluzowe jamy ustnej i nosowej, a także opony mózgu i zebodoły. Część ruchowa nerwu trójdzielnego rozpoczyna się w jądrze mostowym tego nerwu i unerwia mięśnie biorące udział w akcie żucia. ., ......... -.»., ,.•,!,•' ' f . • i,,',. Nerw twarzowy Jądro ruchowe nerwu twarzowego (nervus facialiś) znajduje się w moście. Nerw ten, po odejściu od jądra, opuszcza pień mózgu na granicy mostu i rdzenia przedłużonego. Jego włókna dochodzą do mięśni mimicznych twarzy oraz do mięśnia zwieracza okrężnego oka i zwieracza okrężnego ust. Oprócz włókien ruchowych nerw twarzowy zawiera pewną liczbę włókien wegetatywnych przy- współczulnych. Przewodzą one impulsy od jądra ślinowego górnego (nucleus salivatorius superior) do gruczołów łzowych, gruczołów śluzowych w jamie nosowej oraz do ślinianek podżuchwowych i podjęzykowych. >••.-•.) ,;.f :•; H>! :W'.': r •,;•/•"," •'• rw^^t^i' /' ••"',.••.'' Nerw statyczno-słuchowy Nerw statyczno-słuchowy (nervus statoacusticus) składa się z dwóch odrębnych nerwów - ślimakowego (nervus cochleańś) i przedsionkowego (nervus vestibularis). Nerw ślimakowy jest nerwem słuchowym, nerw przedsionkowy przewodzi informacje z narządu równowagi. Podobnie jak inne nerwy o funkcjach sensorycznych, nerw ślimakowy ma zwój poza ośrodkowym układem nerwowym, zwany zwojem spiralnym ślimaka (ganglion spirale cochleae). W zwoju tym znajdują się neurony aferentne, których 93 dendryty kontaktują się z komórkami włoskowatymi w narządzie Cortiego, aksony zaś wchodzą do mostu i kończą się w jądrach ślimakowych grzbietowym i brzusznym (nucleus cochlearis dorsalis et ventralis). Nerw przedsionkowy zawiera włókna przewodzące impulsy z receptorów w narządzie równowagi w uchu wewnętrznym. Na drodze tego nerwu leży zwój przedsionkowy (ganglion vestibulare). Aksony komórek tego zwoju wchodzą do mostu i kończą się w jądrach przedsionkowych (nuclei vestibulares). Nerwy językowo-gardłowy, błędny i dodatkowy Bliskie sąsiedztwo oraz podobne funkcje trzech nerwów - językowo-gardłowego (nervus glossopharyngeuś), błędnego (nervus vagus) i dodatkowego (nervus accessorius) powoduje, że są one zwykle omawiane wspólnie. Nerwy te spełniają czynności czuciowe, ruchowe i wegetatywne. Wśród czynności wegetatywnych rozróżnia się czynności trzewno-ruchowe, tj. związane ze skurczami mięśni gładkich narządów wewnętrznych i naczyń krwionośnych, i czynności wydziel- nicze. Impulsy czucia trzewnego i czucia smaku są przewodzone przez dwa pierwsze nerwy, tj. nerw językowo-gardłowy i błędny. Nerw językowo-gardłowy unerwia czuciowe błony śluzowe gardła i krtani oraz tylną część języka, a nerw błędny - gardło, krtań, tchawicę, przełyk i narządy jamy brzusznej. Zakończenia czuciowe obu tych nerwów znajdują się także w ścianach naczyń krwionośnych i odbierają informacje z receptorów wrażliwych na zmiany ciśnienia krwi lub na stopień rozciągnięcia ściany naczyniowej przez krew zawartą w naczyniu. Perykariony neuronów aferentnych nerwów IX i X znajdują się w zwojach w pobliżu pnia mózgu, a aksony tych neuronów dochodzą do jądra samotnego (nucleus solitarius) w rdzeniu przedłużonym. Jądro to jest jednym z największych ośrodków czuciowych pnia mózgu. Ciągnie się przez cały rdzeń przedłużony i jest otoczone ze wszystkich stron włóknami nerwowymi tworzącymi pasmo samotne (tractus solitarius). Impulsy czucia smaku są przewodzone przez nerw pośredni (część czuciową' nerwu twarzowego), nerw językowo-gardłowy i nerw błędny. Pierwszy odbiera pobudzenie z przednich 2/3 części języka, drugi - z tylnej 1/3 części, a nerw błędny - z nagłośni. Wspólnym ośrodkiem ruchowym nerwów IX, X i XI jest jądro dwuznaczne (nucleus ambiguus) w rdzeniu przedłużonym. Jądro to zawiera neurony ruchowe (motoneurony), unerwiające mięśnie poprzecznie prążkowane gardła i krtani. Mięśnie te uczestniczą w wykonywaniu aktu połykania i w czynnościach artykulacyjnych, tj. w formowaniu dźwięków mowy. Regulacja czynności wegetatywnych jest domeną nerwu językowo-gardłowego i nerwu błędnego. Nerw błędny jest największym nerwem przywspółczulnym. Unerwia mięśnie gładkie i gruczoły wszystkich narządów klatki piersiowej (przełyku, tchawicy, oskrzeli) oraz przewodu pokarmowego, a także układ automatyzmu serca. Nerw językowo-gardłowy zawiera włókna unerwiające śliniankę podżuchwową. Biorą one początek w jądrze ślinowym dolnym (nucleus salivatorius inferior) w rdzeniu przedłużonym. 94 Nerw podjęzykowy A -t*.^ Nerw podjęzykowy (nervM,y hypoglossus - XII) unerwia ruchowo mięśnie języka. Jego jądro znajduje się w opuszce. Mięśnie języka uczestniczą w czynnościach artykulacyjnych, a także powodują ruchy języka niezbędne do formowania kęsów pokarmowych podczas jedzenia. Komora czwarta ' 5 . , ' , ' W obrębie mostu i rdzenia przedłużonego znajduje się jama należąca do zespołu komór mózgu zwana komorą czwartą. Komora czwarta jest otoczona przez włókna nerwowe podążające w kierunku móżdżku. Tworzą one od przodu konary móżdżku przednie i środkowe, a od tyłu - konary móżdżku tylne. Od przodu komora czwarta łączy się z komorą trzecią za pomocą wodociągu mózgu (aąuaeductus cerebri). Międzymózgowie • ^ Międzymózgowie (diencephalon) jest przednią częścią pnia mózgu, umiejscowioną ku przodowi od śródmózgowia. Składa się z pięciu części: nadwzgórza, zawzgórza, wzgórza, podwzgórza i niskowzgórza. Nad wzgórze ^ ' ' Nadwzgórze (epithalamus) stanowi grzbietową część międzymózgowia (rys. 3.18). Znajduje się z przodu pokrywy śródmózgowia i składa się z szyszynki (corpus pineale) i trójkąta uzdeczek (trigonum habenulare). Szyszynka jest gruczołem wydzielania wewnętrznego. Wydziela hormon melatoninę o wielorakim znaczeniu funkcjonalnym, m.in. regulujący rytmikę czynności fizjologicznych. Trójkąt uzdeczek zawiera lewą i prawą uzdeczkę (habenula), spoidło uzdeczek (comissura habenularum) i spoidło tylne mózgu (commlssura posterior^ • '• " " ' "* Rys. 3.18. Budowa nadwzgórza. Wzgórki pokrywy: Uzdeczka Szyszynka górne dolne Uzdeczka Spoidło uzdeczek Pokrywa śródmózgowia Wzgórze •b' Wzgórze (thalamus), największa część międzymózgowia, ma kształt jajowaty. Z zewnątrz pokrywa je cienka warstwa istoty białej, nazywana blaszką rdzenną 95 Część „j^y. Część przednia „Zg6rzowy przednia Rys. 3.19. Główne części wzgórza. \ Część przyśrodkowa Ciało kolankowate: boczne przyśrodkowe Blaszka rdzenna wewnętrzna zewnętrzną (lamina medullaris extema). Włókna tworzące tę blaszkę wnikają do wnętrza wzgórza, tworząc blaszkę rdzenną wewnętrzną (lamina medullaris interna). Blaszka rdzenna wewnętrzna w przedniej części wzgórza rozdziela się, tak że oglądana od góry na przekroju poziomym wzgórza ma kształt litery Y (rys. 3.19). Blaszka ta jest miejscem odniesienia dla podziału wzgórza na części przyśrodkowa, boczną i przednią. W obrębie tych części występują skupienia istoty szarej zwane jądrami wzgórza. Między przednimi odnogami blaszki rdzennej wewnętrznej jest umiejscowio- na część przednia wzgórza. Znajduje się tu grupa jąder przednich wzgórza (rys. 3.20): - jądro przednio-brzuszne (nucleus anteroventralis); , - jądro przednio-przyśrodkowe (nucleus anteromedialis); - jądro przednio-grzbietowe (nucleus anterodorsalis). Jądra te przekazują impulsy z innych struktur do kory mózgu. Jądro przednio-brzuszne jest częścią tzw. pętli skorupy. Otrzymuje informacje z gałki bladej i wysyła włókna nerwowe do okolicy przedruchowej i ruchowej kory mózgu. Informacje te służą do korekcji poleceń wysyłanych z kory ruchowej do niższych ośrodków ruchowych. Do jąder przednich dochodzi pęczek suteczkowo-wzgórzowy (fasciculus mammillothalamicus), przewodzący impulsy z ciał suteczkowatych. Część boczna wzgórza graniczy z torebką wewnętrzną, a część przyśrodkowa wchodzi w skład ściany bocznej komory trzeciej. Od strony brzusznej wzgórze przechodzi w podwzgórze, nie tworząc z nim wyraźnej granicy. W obrębie części bocznej wzgórza znajdują się następujące jądra: - jądro brzuszne tylno-boczne (nucleus ventralis posterolateralis), - jądro brzuszne tylno-przyśrodkowe (nucleus ventralis posteromedialis), - jądro brzuszne boczne (nucleus ventralis lateralis), - jądro brzuszne przednie (nucleus ventralis anterior), - jądro boczne grzbietowe (nucleus lateralis dorsalis), - jądro boczne tylne (nucleus lateralis posterior). f*\ Herwsze dwa jądra, tj. brzuszne tylno-boczne i brzuszne tylno-przyśrodkowe, znajdują się w tylnej części wzgórza i wspólnie tworzą zespół ośrodków czucia 96 Rys. 3.20. Topografia jąder wzgórza; A - rozmieszczenie jąder wzgórza na przekroju czołowym mózgu; B - schemat układu topograficznego jąder wzgórza. Ciało modzelowatg Komora trzecia WZGÓRZE J. brzuszne: tylno-boczne tylno-przyśrodkowe J. środkowo- J. przyśrodkowe -pośrodkowe Gałka grzbietowe blada J. boczne grzbietowe J. p^tykc J. środkowo- - pośrodkowe Ciało kolankowate przyśrodkowe Wstęga boczna Jądra przednie J. brzuszne przednie J. brzuszne boczne od gałki bladej <------od móżdżku J. boczne tylne L Wstęga przyśrodkowa J. brzuszne: tylno-boczne tylno-przyśrodkowe NCiało kolankowate boczne Pasmo wzrokowe powierzchniowego, głębokiego, trzewnego i smaku. W obu tych jądrach zaznaczają się cechy organizacji somatotropowej. Spowodowane jest to tym, że do jądra brzusznego tylno-przyśrodkowego dociera wstęga nerwu tródzielnego, niosąca informacje z obszaru głowy, a do jądra brzusznego tylno-bocznego dochodzi wstęga przyśrodkowa, a z nią informacje z tułowia i kończyn. Jądro brzuszne boczne, znajdujące się ku przodowi od jąder omawianych powyżej, pośredniczy w przekazywaniu impulsów z jądra zębatego móżdżku do obszarów ruchowych kory mózgu. Połączenia te dochodzą do okolicy czuciowo- -ruchowej kory, głównie do pól 4 i 6. W ten sposób jądro to uczestniczy w mechanizmie zapewniającym kontrolę czynności ruchowej przez móżdżek. Pozostałe jądra tej grupy - brzuszne przednie, boczne grzbietowe i boczne tylne, przekazują impulsy z różnych jąder wzgórza, w tym z jąder nieswoistego układu wzgórzowego do kory mózgu. W części przyśrodkowej wzgórza dominuje jądro przyśrodkowe grzbietowe. Najważniejszą rolą tego jądra jest przekazywanie impulsów pochodzących z innych jąder wzgórza i struktur układu limbicznego do okolicy przedczołowej kory mózgu. Ostatnią grupę jąder wzgórza stanowią jądra tworzące nieswoisty układ wzgórza. Rozróżniamy w nim następujące zespoły jąder: , 1. Jądra śródblaszkowe (nuclei intralaminares). Są to skupienia komórek oddzielone włóknami blaszki rdzennej wewnętrznej. Wśród nich wyróżnia się rozmiarami jądro przypęczkowe (nucleus parafascicularis), jądro środkowe boczne (nucleus centralis lateralis), jądro środkowo-pośrodkowe (nucleus centromedianus). 2. Jądra linii pośrodkowej (ang. midline nuclei). Należy do nich kilka jąder w pobliżu ściany komory trzeciej. Są to: jądra przykomorowe przednie i tylne (nucleus paraventriculańs anterior et posterior) i jądro łączące (nucleus reuniens). Jądro łączące znajduje się w obrębie pomostu łączącego prawe i lewe wzgórze, przebiegającego przez światło komory trzeciej. 3. Jądra środkowe (nuclei centrales), tworzące duży kompleks komórek w tylnej części wzgórza. Jest to ważna struktura układu nieswoistego wzgórza, o nieustalonej klasyfikacji. Niektórzy autorzy zaliczają te jądra do jąder śródblaszkowych, inni do jąder linii pośrodkowej. 4. Jądro siatkowate, znajdujące się w boczno-przedniej części wzgórza, w pobliżu torebki wewnętrznej. Nieswoisty układ wzgórza funkcjonalnie należy do układu siatkowatego, pośredniczy bowiem w przekazywaniu nieswoistych impulsów do kory mózgu. Odgrywa również rolę w mechanizmach snu. Nazywany jest także układem rekrutującym albo wzgórzowym układem rozlanej (rozsianej) projekcji. Z układem nieswoistym wzgórza współdziała jądro brzuszne przednie, pośrednicząc w przekazywaniu impulsów z tego układu do kory mózgu. Zawzgórze i Zawzgórze (metathalamus), uważane za część wzgórza, składa się z ciał kolan- kowatych i poduszki (rys. 3.21). Ciała kolankowate przyśrodkowe (corpora Pasmo wzrokowe Wzgórek pokrywy: górny - dolny od narządu słuchu Pasmo wzrokowe Ciało kolankowate: boczne przyśrodkowe Ramię wzgórka: górnego dolnego ttys. 3.21. Zawzgórze. 98 geniculata medialia), należą do układu słuchowego, ciała zaś,kolankowate boczne (corpora geniculata lateralia) są podkorowym ośrodkiem wzrokuj Ciała kolan- kowate są połączone za pomocą ramion (brachid) ze wzgórkami pokrywy śródmózgowia. Ciała kolankowate boczne łączą się ze wzgórkami przednimi, a przyśrodkowe - ze wzgórkami tylnymi. Podwzgórze Podwzgórze (hypothalamuś), zawarte między skrzyżowaniem nerwów wzrokowych a ciałami suteczkowatymi, stanowi brzuszną część międzymózgowia. Z przodu przed skrzyżowaniem znajduje się pole przedwzrokowe (area praeoptica), silnie powiązane z przednią częścią podwzgórza. Mimo niewielkich rozmiarów pod- wzgórza zakres jego funkcji jest bardzo szeroki. 1. Podwzgórze jest regulatorem homeostazy wewnątrzustrojowej; reguluje procesy termoregulacji, gospodarki wodno-elektrolitowej, gospodarki ener- getycznej, steruje rozrodem i modyfikuje czynność układu krążenia. 2. W podwzgórzu występują receptory wrażliwe na zmiany temperatury krwi i stężenia niektórych substancji, na przykład glukozy, chlorku sodu. 3. Podwzgórze sprawuje nadrzędną kontrolę nad czynnością gruczołów wydzielania wewnętrznego. 4. Podwzgórze jest częścią złożonego systemu ośrodków, nazywanego układem limbicznym, który steruje mechanizmami popędów i emocji. Więcej informacji na temat organizacji funkcjonalnej podwzgórza zawierają rozdziały 14-18. . ,•« , ' «*.» .< > Niskowzgórze " • " ' ,' 5 > Niskowzgórze (subthalamus) znajduje się między wzgórzem a śródmózgowiem. Składa się z jądra niskowzgórzowego (nucleus subthalamicus) i skupień istoty białej, nazywanych polami Forela.; Jądro niskowzgórzowe otrzymuje impulsy z gałki bladej za pośrednictwem połączeń biegnących przez pola Forela. ;x A: Komora trzecia *''• *'" ' '• • ' • W obrębie międzymózgowia znajduje się jama wypełniona płynem mózgowo- -rdzeniowym, nazywana komorą trzecią (rys. 3.22). Jej ściany boczne są utworzone przez przyśrodkowe powierzchnie wzgórza i podwzgórza. Dno komory trzeciej stanowi wyniosłość pośrodkowa (eminentia mediana) - część podwzgórza odgrywa- jąca ważną rolę w regulacji czynności przedniego płata przysadki. W górnej ścianie komory znajduje się splot naczyniówkowy, wytwarzający płyn mózgowo-rdzeniowy.i Ściana przednia komory trzeciej jest utworzona przez słupy sklepienia, spoidło przednie i blaszkę krańcową. W ścianie tylnej komory spotykamy spoidło uzdeczek, spoidło tylne i szyszynkę^ Komora trzecia przez otwory Monro łączy się z komorami bocznymi, a przez wodociąg mózgu - z komorą czwartą, j 99 322? Widok komory trzeciej na przekroju strzałkowym mózgu. Sklepienie Światło komory trzeciej szynka Spoidło tylne Wodociąg mózgu Spoidło przednie Blaszka krańcowa Zrost miedzy- wzgórzowy Wyniosłość pośrodkowa Przysadka Półkule mózgu i kora mózgu Półkule mózgu (hemisphaeria cerebri) powstają w wyniku powiększenia i uwypuklenia bocznych części kresomózgowia.) Wewnątrz każdej półkuli znajduje się jama, zwana komorą boczną mózgu. W obrębie półkul mózgu rozróżnia się korę, istotę białą, ciało prążkowane i struktury węchomózgowia. Kora, nazywana inaczej płaszczem (pallium), jest utworzona przez istotę szarą. Większa część kory mózgu, która u ssaków pokrywa półkule mózgu z zewnątrz, powstała w rozwoju filogenetycznym najpóźniej. Natomiast starsze formacje wpukliły się do środka i u ssaków znajdują się we wnętrzu półkul mózgu. Półkule mózgu są najlepiej rozwinięte u naczelnych, a u człowieka stanowią 80% masy mózgowia. Zawiązek kory mózgu pojawił się u ryb. Jego odpowiednikiem u ssaków jest prakora (paleocortex), obejmująca część obwodową węchomózgowia i przegrodę. Następnym etapem w rozwoju kory jest powstanie u płazów struktur kory starej (archaeocortex), która osiąga wyższy rozwój u ptaków. Do kory starej należy część korowa węchomózgowia. Kora nowa, której elementy występują już u gadów, osiąga najwyższy stopień rozwoju u ssaków, a wśród nich szczególnie u naczelnych. Wymienione części kory mają u ssaków różne znaczenie funkcjonalne. ) Niewielka prakora wykonuje głównie czynności węchowe, struktury kory starej sterują czynnościami popędowo-emocjonalnymi i uczestniczą w mechanizmach pamięci, natomiast domeną kory nowej są funkcje percepcyjne, kojarzeniowe i sterowanie złożonymi formami zachowania. Wraz z rozwojem kory nowej, a zwłaszcza płatów czołowych, postępuje również doskonalenie czynności psychicznych] - ,?-•- --O •.-.•;..••;*;• >: i ..-'-.' •• - H:-1 *x 100 Budowa makroskopowa kory nowej > W obrębie każdej półkuli mózgu wyróżnia się trzy powierzchnie: górno-boczną, przyśrodkową i podstawną. Powierzchnia górno-boczna jest wypukła. Powierzchnia podstawna jest zwrócona w stronę brzuszną i sąsiaduje z podstawą czaszki. Powierzchnie przyśrodkowe obu półkul są wzajemnie zwrócone do siebie. Rozdziela je głęboka szczelina podłużna, zwana też strzałkową.; Większe obszary kory, wyodrębniające się anatomicznie i czynnościowo, nazywa się płatami (lobi). U człowieka wyróżnia się pięć płatów: czołowy (lobus frontalis), ciemieniowy (lobus parietalis), skroniowy (lobus temporalis), potyliczny (lobus occipitaliś) i wyspę (insula). Wysunięte części płatów czołowego, skroniowego i potylicznego nazywa się biegunamij W obrębie każdej półkuli wyróżnia się zatem biegun czołowy,jskroniowy i ciemieniowy. (powierzchnia półkul u ssaków wyższych jest pofałdowana, dzięki czemu tworzą się uwypuklenia, zwane zakrętami (gyri) lub zawojami, oddzielone od siebie bruzdami (sulci). Bruzda środkowa (sulcus centralis), dawniej zwana bruzdą Rolanda, oddziela płat czołowy od płata ciemieniowego, głębsza zaś szczelina boczna (fissura lateralis), dawniej zwana bruzdą boczną (Sylwiusza), ogranicza od strony przyśrodkowej płat skroniowy (rys. 3.23). W miarę rozwoju ewolucyjnego ssaków płat czołowy powiększa się, tak że u człowieka stanowi dominującą część mózgowia. W jabrębie płata czołowego Rys. 3.23. Powierzchnia górno-boczna półkuli mózgu. A; ;„,; i ,->• Bruzda środkowa (Rolanda) PŁAT CIEMIENIOWY Płacik ciemieniowy dolny PŁAT CZOŁOWY Biegun czołowy Biegun potyliczny Bruzda boczna (Sylwiusza) Biegun skroniowy 101 znajduje się kilka wyróżniających się zakrętów o różnym znaczeniu czynnościowym. Na powierzchni górno-bocznej płata, równolegle do bruzdy środkowej (Rolanda), przebiega zakręt środkowy przedni albo przedśrodkowy (gyrus praecentralis), sterujący czynnościami ruchowymi. Z tyłu bruzdy środkowej znajduje się zakręt zaśrodkowy (gyrus postcentralis), należący do płata ciemieniowego. Zakręt ten przebiega równolegle do bruzdy środkowej. Znajduje się w nim korowy ośrodek czucia dotyku i czucia głębokiego^ W tylnej części płata ciemieniowego znajduje się zakręt nadbrzeżny (gyrus supramarginalis), który owija się wokół zakończenia bruzdy bocznej (Sylwiusza). Stanowi on część styku ciemieniowo-skroniowo-potylicznego - obszaru o ważnych funkcjach asocjacyjnych. Na powierzchni podstawnej wyróżniającym się za- głębieniem jest bruzda węchowa (sulcus olfactoriuś), w obrębie której znajduje się opuszka węchowa (bulbus olfactoriuś). Bocznie od tej bruzdy znajduje się kilka zakrętów sąsiadujących z górną ścianą oczodołu, stąd zwanychjŁakrętami oczodołowymi. Częściej używaną nazwą tego obszaru jest kora orbitofrontalna (rysv3.24).~~ [Płat potyliczny zajmuje tylną część półkuli mózgu. Jest w nim umieszczony korowy ośrodek wzroku, f W obrębie płata skroniowego można wyodrębnić kilka zakrętów ułożonych równolegle do bruzdy bocznej. Na powierzchni bocznej płata widoczne są kolejno zakręty skroniowe: górny, środkowy i dolny (gyrus temporalis superior, medius et inferior), a na powierzchni podstawnej i przyśrodkowej - zakręt wrzecionowaty (gyrus fusiformis) i zakręt przyhipokampowy (gyrus parahippocampalis). Zakoń- Rys. 3.24. Powierzchnia podstawna półkuli mózgu. PŁATY CZOŁOWE Vf> Zakręty oczodołowe Guz popielaty Ciała suteczkowate Zakręt: skroniowy •i > dolny wrzecio- nowaty przyhipo- kampowy językowaty Oliwka : Piramidy Opuszka węchowa Zakręt prosty Nerwy czaszkowe: wzrokowy (II) .okoruchowy (III) trójdzielny (V) odwodzący (VI) twarzowy (VII) słuchowy (VIII) językowo- -gardlowy (IX) błędny (X) podjęzykowy (XII) dodatkowy (XI) czeniem zakrętu przyhipokampowego jest hak (uncus), znajdujący się w bliskim ^sąsiedztwie bieguna skroniowego. Płat skroniowy spełnia różnorodne funcje. W zakręcie skroniowym górnym mieści się korowy ośrodek słuchu, w zakręcie dolnym (tzw. okolicy dolnoskroniowej) - asocjacyjny ośrodek wzroku, natomiast struktury znajdujące się na przyśrodkowej powierzchni płata sterują czynnościami popędowo-emocjonalnymi i są siedliskiem mechanizmów pamięci. W głębi szczeliny bocznej, przykryta częściami płatów czołowego, ciemienio- wego i skroniowego, leży wyspa (insulo) - piąty płat kory. Po rozchyleniu obu półkul widoczne jest ciało modzelowate (corpus callosutri), zbudowane z włókien mielinowych, łączących symetryczne pola kory w obu półkulach. Grzbietowo od ciała modzelowatego znajduje się zakręt obręczy (gyrus cinguli), który należy do korowej części węchomózgowia[(rys. 3.25). Na przyśrodkową powierzchnię półkuli częściowo zachodzą zakręty, których większa część jest widoczna na powierzchni górno-bocznej. Od przodu na przyśrodkową powierzchnię zachodzi część zakrętu czołowego górnego, a z tyłu tego zakrętu część zakrętu przedśrodkowego (należąca do płata czołowego) i część zakrętu zaśrodkowego (należąca do płata ciemieniowego). Obie te części wchodzą w skład płacika okołośrodkowego (lobulus paracentraliś), który występuje tylko na powierzchni przyśrodkowej półkuli. Z tyłu płacika okołośrodkowego znajduje się przedklinek (praecuneus), a za nim klinek (cuneuś), który należy do płata %lk 3.25, Powierzchnia przyśrodkową półkuli mózgu. Bruzda środkowa •. •' (Rolanda) PŁAT CIEMIENIOWY Bruzda ciemieniowo- -potyliczna PŁAT 7Lnh( \t^/ POTYLICZNY—^ $n..W/ Klinek Bruzda ostrogowa Zakręty oczodołowe Biegun skroniowy PŁAT SKRONIOWY 103 potylicznego. Od strony brzusznej klinek graniczy z zakrętem językowym (gyrus lingualiś). Między oboma tymi zakrętami znajduje się bruzda ostrogowa (sulcus calcarinus). Tylne części klinka i zakrętu językowego wchodzą w skład bieguna potylicznego. Obszar bieguna potylicznego, a także obszary klinka i zakrętu językowego sąsiadujące z bruzdą ostrogowa, tworzą korę wzrokową. Węchomózgowie ' Węchomózgowie (rhinencephalon) jest utworzone ze struktur prakory i kory starej, które podczas rozwoju filogenetycznego wpukliły się do wnętrza półkuli mózgu. Zgodnie z nazwą, za Węchomózgowie należałoby uważać część mózgowia odbierającą i integrującą informacje węchowe. I tak jest w istocie u ryb, gadów i płazów, u których Węchomózgowie zajmuje znaczną część ośrodkowego układu nerwowego. Dość wcześnie jednak Węchomózgowie, oprócz integrowania informacji węchowych, zaczęło sterować zachowaniem popędowym, a hipokamp, jedna z jego części, rozwinął się w strukturę o wielorakim znaczeniu czynnościowym; bierze udział w konsolidacji śladów pamięciowych, w kontroli czuwania i snu oraz w sterowaniu reakcjami neurohormonalnymi. _ .-^L&a vPod względem anatomicznym Węchomózgowie obejmuje formacje prakory i kory starej. Rozróżnia się część obwodową i część korową węchomózgowia. Do części obwodowej należą: opuszka węchowa (bulbus olfactorius), pasmo węchowe (tractus olfactoriuś), guzek węchowy (tuberculum olfactorium), prążki węchowe przyśrodkowy i boczny (stricte olfactoriae medialis et lateralis), pole podspoidłowe (area subcallosd) (Broca), istota dziurkowana przednia (area perforata anterior). Do głównych struktur części korowej węchomózgowia zalicza się: zakręt obręczy (gyrus cinguli), zakręt przyhipokampowy (gyrus parahippocampalis), hipokamp (hippocampus), zakręt zębaty (gyrus dentatus) i przegrodę przezroczy sta(septum pellucidum). ^ Zagięta przednia część zakrętu przyhipokampowego, sąsiadująca z biegunem płata skroniowego, nazywa się hakiem (uncus). Okolica haka jest uważana za korową reprezentację węchu. Procesy chorobowe drażniące tę okolicę powodują napady padaczkowe, poprzedzone charakterystycznymi halucynacjami węchowymi. Istota biała półkul mózgu Istota biała półkul mózgu jest utworzona przez włókna nerwowe mielinowe, które wchodzą w skład dróg odkorowych, dróg dokorowych, dróg asocjacyjnych i dróg spoidłowych. 1 Drogi odkorowe biegną od kory do ośrodków podkorowych oraz do ośrodków ruchowych rdzenia kręgowego i pnia mózgu. Najdłuższą drogą odkorową jest droga korowo-rdzeniowa (zwana też piramidową). Jej zadaniem jest sterowanie ruchami dowolnymi. Drogami dokorowymi są połączenia z podkorowych ośrodków sensorycznych we wzgórzu do odpowiednich pól sensorycznych kory. Wśród nich wyróżnia się rozmiarami promienistość wzrokowa (radiatio opticd), łącząca ciała 104 kolankowate boczne z korą wzrokową. Za pośrednictwem dwukierunkowych połączeń kora mózgu współpracuje z móżdżkiem. Ważnym skupiskiem dróg dokorowych i odkorowych jest torebka wewnętrzna (capsula interna). Biegną tędy włókna drogi korowo-rdzeniowej oraz połączenia wzgórzowo-korowe, niosące impulsy czucia dotyku i czucia głębokiego z przeciwległej połowy ciała do kory czuciowo-ruchowej. . ,,, , : ,:! , ^ v, Połączenia asocjacyjne między obszarami kory mają duże znacznie w proce- sach percepcji, w mechanizmach mowy oraz w uczeniu się i pamięci. Różne, nawet odległe obszary kory współdziałają w realizacji tych czynności. Drogami we- wnątrzkorowymi są przekazywane informacje z okolic projekcyjnych do okolic asocjacyjnych coraz wyższego rzędu; za ich pośrednictwem jest także utrzymywana łączność między polami kory czuciowo-ruchowej w celu opracowywania i realizacji polegeń wysyłanych do ośrodków ruchowych. i , , Współpracę obu półkul mózgu zapewniają drogi spoidłowe, łączące symetrycz- ne okolice kory w prawej i lewej półkuli. Największym skupiskiem dróg spoidłowych jest spoidło wielkie, częściej zwane ciałem modzelowatyml (corpus callosum), widoczne po rozchyleniu półkul mózgu. Spoidło wielkie rozpościera się nad komorami bocznymi mózgu i nad komorą trzecią. W jego obrębie przebiegają włókna łączące odpowiadające sobie pola obu płatów czołowych, ciemieniowych, skroniowych i potylicznych. Ku przodowi spoidło wielkie przechodzi w dziób ciała modzelowatego, a ten z kolei w blaszkę krańcową (lamina terminalis). W miejscu przejścia ciała modzelowatego w blaszkę krańcową występuje drugie ważne skupisko włókien spoidłowych - spoidło przednie, (commissura anterior). Biegną tędy włókna łączące opuszki węchowe oraz inne struktury węchomózgowia w obu półkulach. _____ Trzecim skupiskiem włókien łączących obie półkule jest spoidło tylnej (commissura posterior), które znajduje się w obrębie tylnej ściany komory trzeciej mózgu. Wiele dróg łączy struktury układu limbicznego. Wśród nich wyróżnia się sklepienie (fornix), główna droga odprowadzająca (eferentna) hipokampa, o łuko- watym przebiegu, łącząca hipokamp z ciałami suteczkowatymi w tylnej części podwzgórzaj Budowa mikroskopowa kory mózgu Grubość kory mózgu nie jest jednakowa i u człowieka waha się od 1,5 do 5 mm. W większości obszarów należących do kory nowej (neocortex) wyróżnia się 6 warstw komórek. Korze o takiej strukturze C. F. Economo (1929) nadał nazwę isocortex. Inne obszary, utworzone z trzech warstw komórek, należące do prakory (paleocorteż) i starej kory (archaeocortex), zostały objęte nazwą allocortex. W dokładniejszych badaniach okazało się, że powyższych kryteriów nie można zastosować do niektórych okolic kory o pośrednim typie budowy, zwłaszcza należących do układu limbicznego. Dla kory o „nietypowej" strukturze wprowa- dzono zatem nazwę periallocortex lub juxtallocortex. 105 Budowa isocortex -.^t •*-•>;;'•---,.,-.-; .• - »•- . ;>.A \:-,... ;• -.- ••;,,•:. -.? .; Sześciowarstwowy układ budowy isocortex przedstawiono schematycznie na rysunku 3.26. Posuwając się od zewnątrz w głąb tkanki mózgowej natrafia się kolejno na sześć warstw. Są to: 1. Warstwa drobinowa (I), położona najbardziej powierzchownie, o przewadze włókien, których większość przebiega równolegle do powierzchni kory. ; " W warstwie tej spotyka się dendryty komórek piramidowych, których perykariony znajdują się w głębszych warstwach kory. * 2. Warstwa ziarnista zewnętrzna (H), stosunkowo wąska. Zawiera drobne komórki w • o krótkich wypustkach, z charakterystycznymi ziarnistościami w cytoplazmie. ! - 3. Warstwa piramidowa zewnętrzna (III), zawierająca średnie i duże komórki piramidowe, których perykariony mają kształt stożka, zwróconego wierz- chołkiem w stronę powierzchni kory. 4. Warstwa ziarnista wewnętrzna (IV), zawierająca komórki podobne do tych, które występują w warstwie ziarnistej zewnętrznej. Rys. 3J2$. Budowa komórkowa kory mózgu. Warstwy kory drobinowa l ziarnista zewnętrzna x^^X. ;;iśś@ih?&.: ( y ••-.-:.- ;:; . . \^ < i • s .i. . ^r •o o « '. • 0 *. •* drogi odprowadzające drogi doprowadzające drogi doprowadzające nieswoiste 4 j /" ~^ L obs N ^ ^ /* Pół ot N N e^ ;es t woiste S Połączenia między Połączenia między obszarami kory 106 t ' 5. Warstwa piramidowa wewnętrzna (V), zawierająca duże komórki pirami- dowe, zwane też komórkami Betza. Są to neurony ruchowe, których aksony tworzą drogę korowo-rdzeniową. 6. Warstwa komórek różnokształtnych (VI), zawierająca komórki o najroz- maitszych kształtach: okrągłe, wrzecionowate, trójkątne, wielokształtne i inne. "^ Poszczególne warstwy kory różnią się pełnioną funkcją. I tak, warstwa V zawiera neurony odprowadzające (eferentne), którymi są duże komórki pirami- dowe o długich aksonach. Komórki ziarniste są neuronami odbiorczymi. Do komórek ziarnistych warstwy IV dochodzą drogi sensoryczne, a do komórek warstwy II połączenia od nieswoistych układów mózgu. Neurony warstw El, V i VI biorą udział w wytwarzaniu połączeń asocjacyjnych między różnymi obszarami kory. Choć cała kora nowa odznacza się przedstawioną wyżej sześciowarstwową budową, poszczególne jej obszary mogą się różnić pod względem przewagi różnych warstw. Economo wykazał, że w niektórych obszarach kory granice między warstwami są wyraźne, i taką cechę budowy kory nazwał homotypią, w innych zaś zatarte, i taką cechę nazwał heterotypią. Kora o heterotypowej budowie może zawierać dużo lub mało komórek ziarnistych; te właściwości nazywa się heterotypią ziarnistą i bezziarnistą. Analizując związek między budową cytoarchitektoniczną a znaczeniem funkcjonalnym różnych obszarów kory, można ustalić następujące prawidłowości: 1. Okolicę ruchową kory charakteryzuje typ budowy odpowiadający hetero- typii bezziarnistej. Znajduje się tu dużo komórek piramidowych, czyli neuronów eferentnych, mało jest natomiast komórek ziarnistych. 2. Okolice sensoryczne kory, a więc wzrokowa, słuchowa i czucia somatycz- nego, mają budowę odpowiadającą heterotypii ziarnistej. Komórki ziarniste występują nie tylko w warstwach II i IV, lecz także w innych warstwach. 3. W okolicach asocjacyjnych kory występuje typ utkania komórkowego odpowiadający różnym odmianom homotypii. Okolica przedczołowa, najbardziej wysunięta do przodu część płata czołowego, charakteryzuje się budową o cechach homotypii, ze znacznym udziałem komórek ziarnistych. Stąd obszar ten jest nazywany czołową korą ziarnistą. ::-.'.*. ^" .i'"'*L :-.; :MJ>"*<; •,•' .>'.'.?.«? f;.' • Pola cytoarchitektoniczne kory , Różnorodność cech utkania komórkowego kory nowej, czyli bogactwo jej cytoarchitektoniki, spowodowała, że różni badacze wyodrębniali pola o jednolitej budowie, z którą często łączyli określone znaczenie czynnościowe tych obszarów. Najczęściej stosowany jest podział kory według Brodmanna na 52 pola cytoarchitektoniczne. Mapę kory z podziałem na pola przedstawia rys. 3.27. Należy podkreślić, że żaden z podziałów kory ze względu na jej budowę mikroskopową nie ma związku z makrostrukturą kory, czyli z układem zakrętów i bruzd. Znaczenie czynnościowe niektórych pól cytoarchitektonicznych przedstawia tabela 3.3. 107 przyśrodkowa. :.- PŁAT CIEMIENIOWY ^^H 1 PŁAT CZOŁOWY PŁAT CZOŁOWY PŁAT POTYLICZNY PŁAT SKRONIOWY B PŁAT CIEMIENIOWY PŁAT POTYLICZNY PŁAT SKRONIOWY Unaczynienie mózgowia Mózgowie jest narządem silnie ukrwionym. Przepływa przez nie około 15% krwi krążącej. Podobnie jak do innych narządów, krew dostarcza do mózgowia tlen i substancje odżywcze, a odprowadza dwutlenek węgla i inne substancje odżywcze. Oprócz tego krew jest nośnikiem bodźców fizycznych (jak temperatura) i chemicz- nych (jak stężenie glukozy, niektórych hormonów), które działają na swoiste receptory wewnątrzmózgowe. '• , . Mózgowie otrzymuje krew z dwóch źródeł - z tętnic szyjnych wewnętrznych i z tętnic kręgowych. Odgałęzienia tych tętnic łączą się na brzusznej powierzchni mózgowia, tworząc charakterystyczny układ naczyń zwany kręgiem tętniczym 108 Tabela 3.3. Niektóre pola cytoarchitektoniczne kory mózgu Obszar kory Numer pola Nazwa związana z czynnością (lub anatomiczna) Czynność Płat czołowy 4 Zakręt przedśrodkowy Sterowanie ruchami dowolnymi 6 Okolica przedruchowa Programowanie ruchów dowolnych 8a Ośrodek ruchów gałek ocznych Dowolne ruchy gałek ocznych 9-12 Okolica przedczołowa Sterowanie złożonymi formami zachowania 44 i 45 Ośrodek ruchowy mowy (Broca) Nadawanie mowy 46 Ośrodek pamięci operacyjnej Pamięć operacyjna Płat ciemie- niowy 1,2,3 Zakręt zaśrodkowy Ośrodek czucia somatycznego 5i7b Okolica asocjacyjna czuciowa* Ośrodek asocjacyjny czucia somatycznego 7a Ośrodek asocjacyjny wzrokowy Uwaga wzrokowa Płat skroniowy 22 i 42 Ośrodek słuchu Analiza informacji słuchowej 41 i 42 Ośrodek czuciowy mowy (Wernickego) Odbiór mowy 20 i 21 Ośrodek asocjacyjny wzroku Synteza informacji wzrokowej Płat potyliczny 17,18 i 19 Ośrodki wzroku Analiza i wstępna synteza informacji wzrokowej Zakręt obręczy 23 i 24 Obszary limbiczne Sterowanie czynnościami popędowo-emocjonalnymi •; "5 • .v; S -.u? V'' '. '• ! '. • 25 Okolica infralimbiczna 32 Okolica prelimbiczna Willisa, od którego odchodzą letniczki unaczyniające poszczególne obszary mózgowia. Po wniknięciu do tkanki mózgowej naczynia tętnicze rozgałęziają się na coraz mniejsze letniczki, a te na naczynia włosowate. Z naczyń włosowatych powstają następnie żyły, które opuszczają mózgowie. Bariera krew-mózg / » " Organizacja unaczynienia mózgowia jest na ogół zgodna ze schematem unaczy- nienia wszystkich narządów ustroju. Natomiast inaczej niż w innych narządach odbywa się transport substancji z krwi do tkanki mózgowej. Wiele barwników, na przykład błękit metylenowy, wstrzykniętych zwierzęciu dożylnie zabarwia wszystkie narządy z wyjątkiem ośrodkowego układu nerwowego. Dało to podstawę do stworzenia pojęcia bariery krew-mózg (hematoencefalicznej), nieprzepuszczalnej dla niektórych substancji pochodzących z zewnątrz lub wytwarzanych wewnątrz ustroju. Przez barierę tę przechodzą łatwo substancje o stosunkowo niewielkich cząsteczkach, jak glukoza, aminokwasy i kwasy tłuszczowe, a także niektóre leki. ...-.,, , , ....... 109 Rys. 3.28. Bariera krew-mózg. Naczynie krwionośne Mózg Neurony TRANSPORT CZYNNY Bariera krew-mózg jest związana ze szczególnym typem budowy oraz właściwościami biochemicznymi komórek śródbłonka naczyń mózgowych. W więk- szości narządów między sąsiadującymi komórkami śródbłonka znajdują się przerwy, przez które rozpuszczone we krwi związki mogą swobodnie przechodzić do płynu śródmiąższowego tkanek. W naczyniach włosowatych w układzie nerwowym, inaczej niż w pozostałych narządach, komórki śródbłonka przylegają ściśle do siebie, co uniemożliwia przedostawanie się substancji przez szpary między nimi (rys. 3.28). Aby substancja mogła przedostać się z krwi do mózgowia, musi najpierw wniknąć do komórek śródbłonka i przejść przez ich cytoplazmę. Aczkolwiek niektóre związki przechodzą przez barierę krew-mózg w sposób bierny, większość substancji jest przenoszona przez komórki śródbłonka czynnie, za pomocą specjalnych układów biochemicznych, tzw. transporterów. Wykazano takie trans- portery dla glukozy, aminokwasów i witamin. W sposób czynny przenoszone są też jony, zwłaszcza sodu i potasu. Proces ten jest regulowany przez hormony, zwłaszcza wazopresynę i hormony steroidowe. Aczkolwiek mechanizm tej regulacji nie jest dokładnie znany, wyniki dotychczasowych badań wskazują, że mózg może różnymi sposobami modyfikować przepuszczalność bariery krew-mózg dla różnych związków i w ten sposób regulować swoje środowisko wewnętrzne. Choć bariera krew-mózg nie jest przepuszczalna dla związków o dużych cząsteczkach, niejednokrotnie badacze są zaskakiwani ośrodkowym działaniem wielkocząsteczkowej substancji, na przykład peptydu, po wstrzyknięciu związku dożylne. Niektóre komórki śródbłonka są zdolne transportować małe peptydy, złożone z dwóch aminokwasów. Przenikanie większych peptydów z krwi do mózgu, na przykład insuliny, prolaktyny, angiotensyny H, może zachodzić w obrębie narządów okołokomorowych, w których bariera krew-mózg jest rozluźniona. 110 Przestrzenie płynowe w układzie nerwowym. < ••:,»- Płyn mózgowo-rdzeniowy Mózgowie i rdzeń kręgowy są pokryte trzema blaszkami, czyli oponami. Opona miękka bezpośrednio przylega do tkanki nerwowej, opona twarda wyścieła od wewnątrz czaszkę i kanał kręgowy. Do opony twardej przylega opona pajęcza. Wskutek tego między oponą pajęczą i oponą miękką powstaje przestrzeń, nazywana przestrzenią podpajęczynówkową, wypełniona płynem mózgowo-rdzeniowym. Płyn mózgowo-rdzeniowy wypełnia również jamy wewnątrz mózgowia, zwane komorami mózgu. W obrębie półkul mózgu wyróżnia się komory boczne (prawą i lewą), w obrębie międzymózgowia - komorę trzecią, w obrębie zaś mostu i rdzenia przedłużonego - komorę czwartą. W stropie komór znajdują się obficie unaczynione sploty naczyniówkowe, wytwarzające płyn mózgowo-rdze- niowy. Płyn mózgowo-rdzeniowy, przesączony z krwi w splotach naczyniówkowych, wypływa z komór bocznych do komory trzeciej przez otwory międzykomorowe (Monro) i płynie dalej przez wodociąg mózgu (aąuaeductus cerebri) do komory czwartej. Stąd wypływa do dużej przestrzeni podpajęczynówkowej wokół rdzenia przedłużonego, zwanej zbiornikiem wielkim. Zbiornik wielki kontaktuje się z systemem przestrzeni podpajęczynówkowych wokół mózgowia i rdzenia kręgo- wego. Po przepłynięciu przez cały opisany wyżej system jam i przestrzeni płyn mózgowo-rdzeniowy zostaje ostatecznie wchłonięty do żył. Płyn mózgowo-rdzeniowy amortyzuje mózgowie i rdzeń kręgowy podczas wstrząsów mechanicznych. Może też przenosić biologicznie aktywne substancje, uwalniane przez różne struktury mózgowe, do innych struktur. Rys. &29. Rozmieszczenie narządów okotokomorowych. Narząd naczyniowy blaszki krańcowej Wyniosłość pośrodkowa 111 Narządy okołokomorowe » ; =^ » l Oprócz splotów naczyniówkowych w komorach mózgu znajdują się jeszcze inne obficie unaczynione twory, zwane narządami okołokomorowymi (rys. 3.29). Do narządów okołokomorowych zaliczana jest wyniosłość pośrodkowa (eminentia mediana) podwzgórza, narząd podsklepieniowy (organon subfornicale), narząd podspoidłowy (organum subcommissurale), narząd naczyniowy blaszki krańcowej (organum vasculosum laminae terminalis), szyszynka i pole najdalsze (area postrema). Między komórkami śródbłonka naczyń krwionośnych włosowatych w narządach okołokomorowych znajdują się odstępy (tzw. okna), przez które związki o dużych cząsteczkach mogą przechodzić z krwi do mózgu. Rola narządów okołokomorowych nie ogranicza się jednak do przepuszczania substacji. W niektórych z tych narządów znajdują się neurony pobudzane przez dopływające z krwią związki. Neurony wysyłają włókna do różnych struktur mózgu. W ten sposób niektóre substancje, na przykład hormony, mogą pobudzać ośrodki mózgowe, nie wnikając w głąb mózgu. 4. Czynność neuronów i przekaźnictwo synaptyczne N, leurony (komórki nerwowe) są elementarnymi jednostkami pobudliwymi w układzie nerwowym. Pod względem anatomicznym i funkcjonalnym każdy neuron stanowi odrębny mikronarząd, którego części są wyspecjalizowane w wy- konywaniu określonych czynności. Komórka nerwowa składa się z ciała komórki i wypustek. Wnętrze komórki nerwowej wypełnia cytoplazma, którą otacza błona komórkowa. Zrębem komórki jest cytoszkielet, który nie tylko nadaje komórce odpowiedni kształt, lecz jest także systemem transportującym biologicznie aktywne substancje. Budowa i czynność poszczególnych części neuronu , ; t Ciało oraz wypustki neuronu otacza błona komórkowa. Oddziela ona mechanicznie cytoplazmę neuronu od środowiska zewnątrzkomórkowego i odgrywa ważną rolę w procesach pobudliwości neuronu. Wyspecjalizowane części błony wchodzą w skład synaps, czyli styków, za pośrednictwem których odbywa się przekazywanie stanu czynnego między neuronami. Błona komórkowa neuronu jest zbudowana z lipidów. Cząsteczki lipidów są ułożone poprzecznie, tworząc dwuwarstwowy zrąb błony. W zrębie tym znajdują się dwa rodzaje białek. Jedne, stanowiące kanały jonowe i receptory przekaźników, są integralną częścią błony, natomiast inne, głównie enzymy regulujące procesy życiowe komórki, pozostają w luźnej łączności z błoną (rys. 4.1). Wewnątrz ciała neuronu znajduje się jądro. Jak w innych komórkach, składnikiem jądra neuronu jest chromatyna, zbudowana z łańcuchów kwasu DNA. W obrębie łańcuchów DNA występują sekwencje kwasów nukleinowych, tworzące geny. Jądro jest otoczone błoną zaopatrzoną w pory, przez które odbywa się wymiana substancji między jądrem a otaczającą je cytoplazma. Przez pory te opuszczają jądro rybosomy. Są one miejscem syntezy białek neuronu. Do cytoplazmy przechodzą tą drogą również inne związki uczestniczące w tej syntezie: tDNA i mRNA. Natomiast z cytoplazmy do jądra wnikają m.in. związki regulujące proces transkrypcji, np. hormony steroidowe. 113 Rys. 4.1. Schemat budowy neuronu; A - ciało komórki (perykarion) i wypustki; B - struktura błony neuronu. Błona komórkowa Rys. 4.2. Budowa cytoplazmy neuronu. Siateczka śródplazmatyczna ziarnista Ziarnistości Nissla Mitochondria Siateczka śródplazmatyczna gładka (aparat Golgiego) Błona komórkowa W cytoplazmie komórki odbywa się intensywna synteza białek. Jej miejscem jest siateczka śródplazmatyczna (rys. 4.2). Siateczka śródplazmatyczna występuje w dwóch postaciach: ziarnistej i gładkiej. W komórkach nerwowych w obrębie siateczki ziarnistej widoczne są pod mikroskopem zgrubienia zwane ziarnistościami Nissla. Do nich przyczepiają się rybosomy, w których zachodzi wstępny etap syntezy białek. Produkty tej syntezy są przekazywane do dalszej obróbki w obrębie siateczki gładkiej w jej części zwanej aparatem Golgiego. Tutaj wytworzone białka 114 są „pakowane" do pęcherzyków i w tej postaci uwalniane do cytoplazmy. W cytoplazmie występują jeszcze mitochondria; są to zbiorniki energii, którą komórka wykorzystuje na podtrzymanie swoich procesów życiowych. „Paliwem" przechowywanym w mitochondriach jest kwas adenozynotrifosforowy (ATP); energia jest zmagazynowana w wiązaniach fosforowych tego związku, natomiast uwalnia się w wyniku rozpadu ATP na kwas adenozynodifosforowy (ADP) i cząsteczkę kwasu fosforowego. „Tankowanie paliwa" polega na odbudowie cząsteczki ATP w wyniku reakcji, w której do cząsteczki ADP zostaje dołączona cząsteczka kwasu fosforowego. Reakcja ta wymaga dostarczenia energii, która w komórkach nerwowych pochodzi głównie z utleniania glukozy. W ciele neuronu powstają wszystkie składniki budulcowe i funkcjonalne komórki. Do składników budulcowych zalicza się elementy szkieletu komórki (cytoszkieletu); składnikami funkcjonalnymi są białka błony komórkowej (białko receptorów i kanałów jonowych), enzymy i przekaźniki, czynniki wzrostu i hormony. Część tych składników jest wykorzystywania „na miejscu", zapewniając funkcjonowanie samego ciała komórki, większość natomiast jest transportowana do aksonu i dendrytów. Ważnym składnikiem cytoplazmy neuronu są elementy nadające komórce nerwowej odpowiedni kształt. Nazywa się je cytoszkieletem. Najlepiej poznano budowę i czynność cytoszkieletu aksonu (rys. 4.3). Cytoszkielet nadaje aksonowi niezbędną elastyczność, umożliwia zmianę jego długości wraz ze wzrastaniem organizmu, a także tworzy drogi dla dwukierunkowego transportu substancji: w kierunku zakończeń synaptycznych i odwrotnie - w kierunku ciała komórki. Rozróżnia się trzy części składowe cytoszkieletu - neurofilamenty, mikrotubule i mikrofilamenty. Neurofilamenty stanowią podstawę szkieletu aksonu. Mają wygląd skręconych lin, z licznymi odgałęzieniami bocznymi. Mikrotubule są zbudowane z podłużnych cząsteczek białka zwanego tubuliną. Sąsiadujące ze sobą mikrotubule są połączone mostkami białkowymi. Mikrofilamenty - trzeci element cytoszkieletu - to krótkie włókienka utworzone z białka aktyny. Występują szczególnie licznie w zakończeniach synaptycznych, w których odgrywania rolę jako miejsce zaczepienia pęcherzyków synaptycznych przed ich uwolnieniem do szczeliny synaptycznej. Funkcjonowanie cytoszkieletu umożliwiają białka związane z mikrotubulami (microtubule associated proteins - MAP). W grupie tej znajdują się małocząstecz- Rys. 4.3, Budowa aksonu. Siateczka śródplazmatyczna Mikrofilamenty Mikrotubule Neurofilamenty -& Akson pęcherzyki synaptyczne l 115 kowe białka tau, które regulują wzrost i odnowę mikrotubul, białka nośnikowe kinezyna i dyneina, uczestniczące w transporcie aksonalnym, oraz białka stabilizu- jące cytoszkielet oraz umożliwiające współdziałanie jego części. Transport aksonalny i Wnętrze aksonu stanowi układ komunikacyjny umożliwiający transport aksonalny, czyli przesuwanie się różnych substancji z ciała komórki do zakończeń synaptycz- nych i odwrotnie. Rozróżnia się dwa rodzaje transportu - wolny i szybki. Neuron jest strukturą dynamiczną i ulega ustawicznej odnowie. W okresie wzrastania organizmu aksony, zwłaszcza w nerwach, wydłużają się. Wprawdzie od chwili powstania w życiu płodowym neuron nie ulega później podziałom jak inne komórki (na przykład krwinki), ciągle jednak odtwarza swoją strukturę wymieniając zużyte części na nowe. Neurony mają ponadto pewną ograniczoną zdolność regeneracji. Właściwość ta jest szczególnie zaznaczona w obwodowym układzie nerwowym, w nerwach. Po uszkodzeniu nerwu, gdy ulegnie degeneracji odcięty fragment aksonu, jego miejsce wypełnia nowy, odrastający akson. Także w związku z niektórymi procesami fizjologicznymi, np. nabywaniem i utrwalaniem nawyków ruchowych albo uczeniem się, nieaktywne synapsy ulegają uczynnieniu, czemu towarzyszy zmiana ich struktury. Wszystkie te procesy wymagają zmian wielkości i kształtu aksonu i stwarzają zapotrzebowanie na materiał budulcowy. Materiał ten, poprzez syntezę białek, jest wytwarzany w ciele komórki, a następnie jest transportowany wzdłuż aksonu do miejsca przeznaczenia. W wyniku złożonych procesów biochemicznych z materiału tego powstają wszystkie elementy cyto- szkieletu. Na przykładów okresie wzrastania organizmu, gdy wydłużają się nerwy, wydłużają się także mikrotubule aksonów na skutek dołączania do istniejącej Rys. 4.4. Schemat transportu aksonalnego. - '• '•''! . • , • Mitochondrium Pęcherzyki 22» Mikrotubula Transport aksonalny Mitochondrium 116 struktury kolejnych cząsteczek tubuliny. Wszystkie te składniki są transportowane z małą szybkością (ok. l mm na dobę). Transportem szybkim (20-40 cm na dobę) są przenoszone białka funkcjonalne błony oraz mitochondria. Oprócz transportu od ciała komórki w kierunku zakończenia aksonu równolegle odbywa się transport wsteczny, w kierunku ciała komórki. Wstecznie przesuwają się zużyte białka i przekaźniki, które po dojściu do ciała komórki są wykorzystywane do wytwarzania nowych substancjLl Tą drogą przenoszą się także od zakończeń synaptycznych do jądra czynniki wzrostu (rys. 4.4). 'Szlakami komunikacyjnymi transportu szybkiego są mikrotubule. Po nich, niby po szynach, przesuwają się białka nośnikowe - kinezyna podczas transportu w kierunku zakończenia aksonu i dyneina podczas transportu wstecznego. Do białek tych przyczepiają się pakiety transportowanych substancji, a także mito- chondria. Podobny system transportowy występuje w dendrytach. Przenosi on białka receptorów, białka kanałów jonowych i przekaźniki wtórnej Przekazywanie informacji między neuronami Przekazywanie stanu, czynnego z jednego neuronu do drugiego odbywa się różnymi sposobami. Gdy dwa włókna nerwowe leżą w bliskim sąsiedztwie, prądy elektryczne wytwarzane przez jedno włókno mogą oddziaływać na drugie i je pobudzać. Miejsce tego rodzaju styku między włóknami nazywa się efapsą, a ten najprostszy i wyjątkowy rodzaj przekazywania informacji - przekaźnictwem (transmisją) efaptycznym. Przeważnie jednak neurony kontaktują się ze sobą za pośrednictwem wyspecjalizowanych narządów zwanych synapsami.] Pojęcie synapsy niełatwo ugruntowało się w nauce. Pod koniec XIX wieku rozpowszechniona była teoria mówiąca o tym, że komórki układu nerwowego tworzą ciągłą sieć, tzn. cytoplazma stykających się ze sobą neuronów łączy się. Pogląd ten jednak ustąpił koncepcji Ramóna y Cajala, według której każda komórka nerwowa tworzy odrębną jednostkę morfologiczną. Termin „synapsa" wprowadził angielski fizjolog Charles Sherrington. Nazwa pochodzi od greckiego auYdwriew, synaptein - łączyć. Obecnie nauka o strukturze i funkcji synaps jest jedną z najdynamiczniej rozwijających się dziedzin neurobiologii. ,; , Rozróżnia się synapsy elektryczne i synapsy chemiczne. W pierwszych pobudzenie między neuronami szerzy się elektrotonicznie, tzn. zmiany potencjału elektrycznego w jednym neuronie wywołują podobne zmiany w drugim neuronie. W synapsach chemicznych stan czynny jest przekazywany za pomocą związków chemicznych. Proces ten nazywa się transmisją synaptyczną.* Synapsa elektryczna funkcjonuje na podobnej zasadzie jak efapsą. Opór elektryczny błony w miejscu synapsy elektrycznej jest mały, co powoduje, że sygnał przekazywany do drugiej komórki ulega niewielkiemu tylko osłabieniu. jSynapsy elektryczne występują głównie u zwierząt bezkręgowych, a u kręgowców tylko w nielicznych strukturach, m.in. w siatkówce, a w ośrodkowym układzie nerwowym w jądrze śródmózgowiowym nerwu trójdzielnego. Zaletą synaps elektrycznych jest duża szybkość przekazywania sygnałów, wadą - mała podatność 117 \ \ Rys. 4.5. Rodzaje synaps; A - synapsy akso-dendrytyczne (A-D), akso-somatyczne (A-S) i akso-aksonalne (A-A); B - budowa synapsy chemicznej; C - efapsa; D - synapsa | , elektryczna. Synapsa /fs elektryczna Receptor presynaptyczny Przekaźnik na czynniki modulujące i wpływy regulujące ich czynność.] Pod tym względem lepiej zorganizowane są synapsy chemiczne, które dominują w układzie nerwowym kręgowców (rys. 4.5). - «i - - : : Funkcjonowanie synapsy chemicznej polega na tym, że pod wpływem impulsów docierających do zakończeń aksonu jednego neuronu zostaje uwolniony przekaźnik, który znalazłszy się w szczelinie synaptycznej, działa na swoiste receptory w błonie następnego neuronu. Synapsa chemiczna składa się zatem z trzech części - błony presynaptycznej, szczeliny synaptycznej i błony postsynap- tycznej. Błona presynaptyczna jest częścią zakończenia synaptycznego aksonu, a ściślej - włókna presynaptycznego, natomiast błona postsynaptyczna należy do następnego neuronu. Znajdują się w niej miejsca uchwytu przekaźnika zwane receptorami postsynaptycznymiJ Za ich pośrednictwem przekaźnik pobudza lub hamuje komórkę nerwową. Receptory przekaźników znajdują się też w błonie presynaptycznej. Działając na te receptory, uwolniony przekaźnik może regulować uwalnianie następnych porcji przekaźnika. W szczelinie synaptycznej występują enzymy, których zadaniem jest unieczynnianie przekaźnika, gdyby jego nadmiar spowodował zbytnie pobudzenie neuronu. Działanie przekaźnika nie zawsze ogranicza się do obszaru synapsy, w której został uwolniony. Niekiedy przekaźnik rozchodzi się w przestrzeni międzykomór- kowej i działa na bardziej odległe receptory. Tego typu przekaźnictwo nazywa się przekaźnictwem objętościowym. Wreszcie przekaźnik może zostać uwolniony do krwi i tą drogą, jako hormon, dotrzeć do narządów docelowych. Tak dzieje się na przykład z adrenaliną uwalnianą do krwi z części rdzennej nadnerczy. 118 Potencjały elektryczne neuronu •' :SH *;:~•••'*'•'-'*• a':-'.-^'--'i-y-•<;•-•<<•*>.••^~f-:\.-•••-; '.tr.r- ;r •••: Cytoplazma wszystkich komórek organizmu ma ładunek elektryczny, a więc jniędzy wnętrzem komórki a jej otoczeniem występuje różnica potencjałów. ^Wnętrze większości komórek nerwowych jest elektroujemne w stosunku do elektrododatniego otoczenia. Ponieważ cytoplazmę komórki oddziela od jej otoczenia błona komórkowa, mówi się, że błona neuronu jest spolaryzowana, a powstałą w wyniku tego różnicę potencjałów nazywa się potencjałem błonowym./ i~Pierwomą przyczyną różnicy potencjałów między wnętrzem komórki a jej otoczeniem, czyli przyczyną polaryzacji błony, jest występowanie w cytoplazmie ujemnie naładowanych cząsteczek (anionów) białkowych. Ze względu na duże rozmiary cząsteczki te nie mogą wydostać się przez błonę na zewnątrz i, pozostając w cytoplazmie, wytwarzają ujemny potencjał wnętrza komórki. Drugą przyczyną różnicy potencjałów jest nierównomierne rozmieszczenie jonów nieorganicznych, głównie sodu, potasu i chloru, między cytoplazmą a otoczeniem komórki.^ W odróżnieniu od dużych anionów białkowych, małe jony nieorganiczne z różną łatwością przechodzą przez błonę komórkową, co umożliwia zmiany potencjału elektrycznego jej wnętrza. Te właśnie zmiany potencjału są bardzo ważne dla procesów pobudzania i hamowania komórki. .Gdy kationy (głównie jony Na+) z otoczenia komórki wchodzą do jej wnętrza, potencjał błony staje się mniej elektroujemny, czyli zwiększa się; zjawisko to nazywa się depolaryzacją błony. Odwrotnie, gdy kationy (głównie jony K+) wychodzą z komórki albo gdy aniony (głównie jony Cl~) wchodzą do komórki, błona neuronu ulega hiperpolaryzacji, tzn. jej potencjał staje się bardziej elektroujemny^ Jak uczy fizyka, cząsteczki związków rozpuszczonych w wodzie nie są nieruchome, lecz mając energię kinetyczną ustawicznie poruszają się we wszystkich kierunkach. Dzięki tej właściwości łatwo przemieszczają się z miejsca o większym ich stężeniu do miejsc, gdzie ich stężenie jest mniejsze. Taki kierunek przemiesz- czania się cząsteczek określa się jako zgodny z gradientem stężeń. Jeśli zaś cząsteczki rozpuszczone w wodzie mają ładunek elektryczny i znajdują się w polu elektrycznym, wykazują tendencję do poruszania się w kierunku miejsc o przewadze ładunków przeciwnych, czyli zgodnie z gradientem elektrochemicznym. Gdy oba gradienty - stężeń i elektrochemiczny - są skierowane przeciwnie, często zdarza się, że cząsteczki poruszają się wbrew jednemu gradientowi, a zgodnie z drugim - silniejszym (rys. 4.6). Gdyby błona neuronu była w równym stopniu i w każdym czasie przepusz- czalna dla wszystkich jonów nieorganicznych, pewna liczba elektrododatnich jonów sodu i potasu weszłaby - zgodnie z gradientem elektrochemicznym - do cytoplazmy, aby zobojętnić ujemne ładunki anionów białkowych. Jednocześnie pewna liczba elektroujemnych jonów chloru wyszłaby na zewnątrz. Wytworzyłby si? wtedy stan równowagi polegający na tym, że wewnątrz komórki przeważałoby stężenie nieorganicznych kationów, a na zewnątrz - nieorganicznych anionów. W rzeczywistości jednak rozmieszczenie jonów jest inne. W warunkach spoczyn- kowych, tj. gdy neuron nie wykonuje żadnej czynności, na zewnątrz neuronu jest około 12 razy więcej jonów sodu niż w cytoplazmie. Jonów potasu jest wówczas 119 Rys. 4.6. Rozmieszczenie jonów po obu stronach błony neuronu w warunkach spoczynkowych, gdy potencjał wnętrza neuronu wynosi -70 mV. Strzałkami oznaczono ruch jonów zgodnie z gradientem stężeń i gradientem elektrycznym. Przy jonach zaznaczono ich potencjały równowagi, tj. taką wielkość potencjału wewnątrzkomórkowego, przy' której ruch jonów do wnętrza neuronu byłby taki sam, jak ruch z wnętrza na zewnątrz, a różne stężenie jonów po obu stronach błony utrzymywałoby się bez działania dodatkowych mechanizmów. -102mV Gradient elektrochemiczny stężeń około 20 razy więcej w cytoplazmie niż w otoczeniu neuronu.! Tak znaczna przewaga jonów sodu na zewnątrz komórki utrzymuje się zarówno wbrew gradientowi elektrochemicznemu, jak też wbrew gradientowi stężeń. Nierównomierne rozmieszczenie jonów po obu stronach błony komórkowej wynika z dwóch przyczyn. Jedną z nich jest działanie kanałów, tj. „przejść" w błonie komórkowej, selektywnie przepuszczających różne jony w zależności od stanu czynnościowego komórki. Drugą przyczyną jest działanie w błonie mechanizmów zwanych pompami jonowymi, które czynnie usuwają niektóre jony z cytoplazmy na zewnątrz albo wprowadzają je z zewnątrz do wnętrza komórki. Najlepiej zbadanym tego rodzaju mechanizmem jest pompa sodowo- -potasowa, która usuwa z wnętrza komórki jony sodu, natomiast wprowadza do niej z zewnątrz jony potasu.! Zjawiska elektryczne w neuronie zostały poznane dzięki zastosowaniu metod elektrofizjologicznych, umożliwiających rejestrację potencjahl błonowego w różnych stanach czynnościowych neuronu. W celu rejestracji potencjahl do wnętrza neuronu wprowadza się szklaną mikropipetkę (mikroelektrodę), wypełnioną roztworem elektrolitu przewodzącego prąd elektryczny, najczęściej roztworem chlorku potasu. Wnętrze mikropipetki jest połączone z układem wzmacniającym. Drugi biegun tego układu jest połączony z masą badanego obiektu. Sygnały elektryczne z układu 120 wzmacniającego są wprowadzane do oscyloskopu, za pomocą którego można zarówno zmierzyć wielkość spoczynkowego potencjału błonowego, jak i uwidocznić zmiany tego potencjału w różnych stanach czynnościowych neuronu. Kanały jonowe ! Jony mogą przechodzić ze środowiska zewnątrzkomórkowego do wnętrza neuronu przez kanały jonowe znajdujące się w błonie komórkowej. Ścianę kanału jonowego tworzą cząsteczki białkowe.! Otaczają one otwór o szerokości umożliwiającej przejście jonu. Właściwości kanałów jonowych można badać in vitro za pomocą finezyjnej metody przedstawionej na rys. 4.7. W pobliże komórki wprowadza się szklaną pipetkę, której zakończenie szczelnie przylega do błony komórkowej. Następnie, wskutek wytworzonego ujemnego ciśnienia wewnątrz pipetki, kawałek błony przylegający do końca pipetki odrywa się od komórki. W zależności od wy- Metoda badania kanałów jonowych za pomocą pobierania fragmentu błony komórkowej (patch clamp). Powierzchnia zewnętrzna błony komórkowej zwrócona do wnętrza pipetki Powierzchnia wewnętrzna błony komórkowej zwrócona do wnętrza pipetki Wzmacniacz do pomiaru prądu Zakończenie pipetki z fragmentem błony neuronu Badany przekaźnik Kanał jonowy 121 tworzonego ciśnienia część zewnętrzna błony komórkowej może się znal wewnątrz lub na zewnątrz pipetki. Właściwości kanałów jonowych znajdując] się w oderwanym fragmencie są badane za pomocą złożonych metod elektroj jologicznych i elektrochemicznych. Na przykład do środowiska fragmentu błc wprowadza się przekaźnik, który modyfikuje przepuszczalność kanałów jonowy Funkcjonowanie kanału ocenia się na podstawie pomiaru przepływu prądu pr; izolowany fragment błony. ; l W błonie komórek nerwowych występują kanały sodowe, potasowe, chloro i wapniowe. Swoistość kanału dla poszczególnych jonów zależy od budowy bia tworzącego kanał. Wędrujące przez kanał jony nie przesuwają się biernie, li wchodzą w interakcje z elementami białkowej ściany kanału i niejako „przeskaku z jednego miejsca na drugie, aż dotrą do zakończenia kanału. Trzy rodzaje kanałów jonowych, najczęściej występujące w układ nerwowym, są przedstawione na rys. 4.8. Są to: 1. Kanały otwierane wskutek zadziałania na nie przekaźnika uwolnione w synapsie na zakończeniach włókna presynaptycznego. Składają z części receptorowej (tzw. receptora jonotropowego) - miejsca uchw] przekaźnika, i części jonoforowej - właściwego kanału. Rys. 4.8. Rodzaje kanałów jonowych; cAMP - cykliczny kwas adenozynomonofosforowy; ATP - kwas adenozynotrifosforowy. v Kanał sodowy regulowany przez przekaźnik Kanał sodowy regulowany przez napięcie Przekaźnik Na+ Na pierwotny Na* Przekaźnik pierwotny Kanał jonowy regulowany przez cAMP ATP cAMP Przekaźnik wtórny Ruch jonów 122 ł 2. Kanały regulowane przez napięcie elektryczne. Mają w swej strukturze element wrażliwy na różnicę potencjałów między wnętrzem komórki a jej otoczeniem i otwierają się przy pewnej krytycznej depolaryzacji błony. Kanały zależne od napięcia elektrycznego znajdują się przeważnie poza synapsami.; Odgrywają ważną rolę w powstawaniu impulsu nerwowego i jego wędrówce wzdłuż włókien nerwowych. 3. Kanały otwierane wskutek zadziałania substancji przekaźnikowej powstałej wewnątrz neuronu. Przekaźnik uwolniony w synapsie działa na receptor metabotropowy, którego pobudzenie inicjuje kaskadę procesów biochemicz- nych w komórce. W wyniku tych procesów powstaje przekaźnik wtórny, który otwiera kanał jonowy. Mechanizmy powodujące zamknięcie kanału po jego uprzednim otwarciu są słabiej poznane. W niektórych kanałach polegają na zmianie konfiguracji łańcuchów aminokwasowych białka od strony wnętrza komórki i zablokowaniu drogi dla przepływu jonów. Obrazowo jest to przedstawiane w postaci kuli zawieszonej na łańcuchu: w zależności od położenia łańcucha kula może zatykać ujście kanału bądź - znajdując się z boku - pozostawiać go otwartym. ' "»' » Pompa sodowo-potasowa Nierównomierne rozmieszczenie jonów między wnętrzem neuronu a jego otocze- niem w znacznym stopniu zależy od stopnia otwarcia różnych kanałów jonowych, ale ważną rolę w tym procesie odgrywa także pompa sodowo-potasowa. Jest to układ transportowy zwany antyportem, ponieważ przenosi jony sodu w odwrotnym kierunku niż jony potasu (rys. 4.9). Białko tworzące pompę występuje w dwóch stanach konfprmacyjnych: będąc w jednym stanie, przyłącza jony sodu i transportuje je Ba z«wn4irz, będąc w drugim - przyłącza jony potasu i usuwa je z komórki na zewnątrz. Praca pompy wymaga dużych ilości energii. Energia ta pochodzi z rozpadu kwasu adenozynotrifosforowego (ATP) na adenozynodifosforowy (ADP). W wyniku tej reakcji uwalnia się cząsteczka kwasu fosforowego, która może się wiązać z białkiem pompy. Gdy cząsteczka kwasu fosforowego przyłącza się do Ifcys. 4.9. Pompa sodowo-potasowa; > 1 - transport jonów sodu; 2 - uwolnienie jonów sodu do wnętrza komórki; 3 -transport jonów potasu; 4 - uwolnienie jonów potasu poza komórkę; 5 - transport jonów sodu z zewnątrz komórki; ATP -kwas adenozynotrifosforowy; P - odłączona cząsteczka kwasu fosforowego. Dalsze objaśnienia w tekście. 123 r białka, białko pompy przechodzi w stan sprzyjający przenoszeniu jonów Na+. Natomiast gdy cząsteczka kwasu fosforowego odłącza się od białka, pompa staje się gotowa do przeniesienia K+, a odłączona od białka cząsteczka kwasu fosforowego zostaje wykorzystana do odnowienia ATP. Przenoszenie jonów odbywa się w stosunku ilościowym 3 jony Na+ na 2 jony K+. Pobudzenie neuronu , Gdy neuron nie wykonuje żadnej pracy, tzn. nie jest ani pobudzony, ani hamowany,] jego potencjał błonowy nazywany jest potencjałem spoczynkowym. Potencjał! spoczynkowy większości komórek nerwowych jest ujemny i wynosi około j — 70 mY./Potencjał ten jest spowodowany nierównomiernym rozmieszczeniem po] obu stronach błony komórkowej jonów, głównie sodu i potasu. Gdy po uwolnieniu do szczeliny synaptycznej przekaźnik działa na swoiste] receptory jonotropowe, w błonie postsynaptycznej otwierają się kanały sodowej zależne od tego przekaźnika i pewna liczba jonów Na4" wchodzi do wnętrza 7 Rys. 4.10. 'Pobudzenie neuronu; A - stan spoczynkowy; B - otwarcie kanałów sodowych w wyniku działania przekaźnika na receptor i powstanie postsynaptycznego potencjału pobudzeniowego (EPSP); C -otwarcie kanałów sodowych regulowanych 'j przez napięcie i powstanie potencjału czynnościowego; D - zamknięcie kanałów sodowych i otwarcie kanałów potasowych; hiperpolaryzacja następcza błony neuronu; E - działanie pompy sodowo-potasowej; przywrócenie spoczynkowego stężenia jonów sodu i potasu. Depolaryzacja Hiperpolaryzacja Repolaryzacja następcza Hiper- polaryzacja Kanał potasowy Kanał sodowy regulowany przez napięcie Kanał sodowy regulowany przez przekaźnik / Przekaźnik / Przekaźnik B 124 Neuronu zgodnie z gradientem stężeń i gradientem elektrochemicznym. Powoduje to zobojętnienie odpowiedniej liczby ujemnych ładunków elektrycznych w cyto- plazmie i wzrost potencjału błonowego. Potencjał błonowy pozostaje wprawdzie nadal elektroujemny, jest jednak wyższy (czyli mniej elektroujemny) od potencjału spoczynkowego, dlatego stan taki jest nazywany depolaryzacją błony komórkowej. Różnica między tym potencjałem a potencjałem spoczynkowym błony neuronu nazywa się pobudzającym potencjałem postsynaptycznym (excitatory postsynaptic potential - EPSP). Powstanie EPSP jeszcze nie oznacza pełnego pobudzenia neuronu. Do takiego pobudzenia dochodzi dopiero wtedy, gdy EPSP osiągnie odpowiednią wartość (amplitudę) krytyczną (rys. 4.10). Aby amplituda EPSP osiągnęła wartość krytyczną, pobudzeniu musi ulec jednocześnie wiele synaps. Dopiero wtedy powstają warunki umożliwiające przekształcenie się EPSP w potencjał czynnościowy - elektrofizjologiczny ek- wiwalent impulsu nerwowego. Potencjał ten nazywany jest iglicą ze względu na swój graficzny obraz oglądany na oscyloskopie. Pod wpływem odpowiedniego poziomu depolaryzacji błony neuronu otwierają się kanały sodowe regulowane przez napięcie elektryczne. Jony Na+ wchodzą wówczas lawinowo do wnętrza neuronu, co powoduje, że nie tylko ładunki elektroujemne w cytoplazmie zostają całkowicie zobojętnione, ale także potencjał błonowy przyjmuje wartość dodatnią. W tym momencie zostają zamknięte kanały sodowe, otwierają się natomiast kanały potasowe. Ponieważ wnętrze neuronu jest wówczas silnie elektrododatnie, znaczna liczba jonów K+ wychodzi na zewnątrz. Powoduje to gwałtowne obniżenie potencjału błonowego, przejściowo nawet poniżej potencjału spoczynkowego. Dochodzi zatem do hiperpolaryzacji błony, zwanej hiperpolaryzacją następczą. Odwrotnie niż w warunkach spoczynkowych, w cytoplazmie przez krótki czas występuje nadmiar jonów Na+, a poza neuronem - jonów K+. Dopiero wskutek działania pompy sodowo-potasowej po obu stronach błony zostaje przywrócone stężenie jonów właściwe dla stanu spoczynkowego neuronu. Synapsy, których pobudzenie inicjuje powstanie EPSP, znajdują się zarówno w obrębie dendrytów, jak i ciała neuronu. Jednakże potencjał czynnościowy powstaje w części neuronu, gdzie występuje największa koncentracja kanałów sodowych regulowanych przez napięcie. JMiejscem tym jest wzgórek aksonalny na granicy ciała neuronu i aksonu. .^ -; Uwalnianie przekaźnika na zakończeniach synaptycznych Po dojściu do neuronu lub narządu docelowego jednolity pień aksonu rozgałęzia się na cienkie włókna presynaptyczne. Końcowe odcinki tych włókien nazywają się zakończeniami synaptycznymi. Na zakończeniach tych znajdują się rozszerzenia zwane kolbkami synaptycznymi (rys. 4.11). Kolbkę synaptyczną otacza błona komórkowa, której część wchodząca w skład synapsy jest pogrubiona i tworzy błonę presynaptyczną. W cytoplazmie kolbki synaptycznej znajdują się pęcherzyki synaptyczne - zbiorniki gotowego przekaź- nika, które tkwią w okach sieci utworzonej z włókienek białka aktyny. Do włókienek tych są przytwierdzone za pomocą innego białka - synapsyny. Zgrubienie 125 Rys. 4.11. Budowa zakończenia synaptycznego i synapsy. Akson Zakończenie synaptyczne BŁONA PRESYNAPTYCZNA Receptory presynaptyczne Pęcherzyki synaptyczne SZCZELINA SYNAPTYCZNA Receptory postsynaptyczne Zakończenia i koibki synaptyczne jonotropowe metabotropowe BŁONA POSTSYNAPTYCZNA Neuron odbiorczy Rys, 4,12. Uwalnianie przekaźnika w zakończeniu synaptycznym; 1 - pęcherzyk synaptyczny " przytwierdzony za pomocą synapsyny do włókienek aktyny; 2 - dojście impulsu nerwowego do koibki synaptycznej; otwarcie kanałów wapniowych; wejście wapnia do koibki, powstanie kompleksu wapnia z białkiem kalmoduliną; odłączenie pęcherzyka od synapsyny; 3 - uwolnienie zawartości pęcherzyka synaptycznego ' do szczeliny synaptycznej; P - kwas fosforowy. Aktyna J Synapsyna ufosforylowana Synapsyna \ | Pęcherzyk Aktyna odłączony / \ od aktyny Pęcherzyk przytwierdzony do aktyny 126 błony presynaptycznej jest spowodowane dużą liczbą kanałów wapniowych, odgrywających ważną rolę w uwalnianiu przekaźnika (rys. 4.12). Gdy impuls nerwowy przesuwający się wzdłuż aksonu dojdzie do zakończeń synaptycznych i spowoduje depolaryzację ich błony, otwierają się regulowane przez napięcie elektryczne kanały wapniowe. Jony Ca2+, które wchodzą do wnętrza kolbki synaptycznej, inicjują złożony proces biochemiczny, pod wpływem którego zmienia się struktura synapsyny. W wyniku tej zmiany rozluźnia się związek pęcherzyków synaptycznych z aktyną; pęcherzyki przesuwają się w kierun- ku synapsy, aż osiągną ścisły kontakt z błoną presynaptyczną. W miejscu ich kontaktu z błoną powstaje otwór, przez który zawartość przekaźnika zostaje uwolniona do szczeliny synaptycznej. Następnie pęcherzyk odrywa się od błony i zostaje wykorzystany na magazyn nowej porcji przekaźnika. Hamowanie neuronu •• i Hamowanie neuronów odgrywa nie mniej ważną rolę w funkcjonowaniu układu nerwowego niż ich pobudzenie. Hamowanie neuronu może polegać na zmniejszeniu jego pobudliwości, przez co staje się on mniej wrażliwy na pobudzające działanie TRys. ;4.t3. Hamowanie postsynaptyczne. Wskutek działania synapsy hamującej dochodzi do hiperpolaryzacji wnętrza neuronu (do —90 mV). Do osiągnięcia krytycznego poziomu depolaryzacji konieczna jest wówczas znacznie wyższa amplituda T*-" R postsynaptycznego potencjału pobudzeniowego (ok. 35 mV) niż w warunkach spoczynkowych (ok. 15 mV przy potencjale spoczynkowym — 70 mV). Potencjały czynnościowe ' ' - we włóknie presynaptycznym ..->-.- ,. •, Potencjały czynnościowe w aksonie Krytyczny poziom depolaryzacji •55 mV Potencjał spoczynkowy -70 mV Potencjały czynnościowe we włóknie presynaptycznym 127 innych neuronów. Ten rodzaj hamowania nazywa się postsynaptycznym, ponieważ zależy od procesów toczących się w błonie postsynaptycznej synapsy. Inny rodzaj hamowania, nazywany presynaptycznym, polega na zablokowaniu dopływu impulsów do synapsy. • *,. , , Hamowanie postsynaptyczne Istotą hamowania postsynaptycznego jest hiperpolaryzacja błony neuronu, w czasie l której wnętrze neuronu staje się bardziej elektroujemne względem otoczeniami Pobudliwość komórki jest wtedy zmniejszona, ponieważ trudniejsze jest osiągnięcie i krytycznego stanu depolaryzacji, przy którym otwierają się kanały sodowe regulowane przez napięcie elektryczne, jony sodu lawinowo wchodzą do wnętrza * neuronu i powstaje potencjał czynnościowy (rys. 4.13). (Hamowanie postsynaptyczne jest skutkiem działania synaps hamujących, w których przekaźnikami są aminokwasy, głównie glicyna i kwas gamma-amino- masłowy. Kwas gamma-aminomasłowy działając na receptory GABAergiczne A (GABAA) powoduje otwarcie kanałów chlorowych; jony chloru (Cl~) - nośniki elektroujemnych ładunków elektrycznych, wchodzą wtedy do komórki i zwiększają hiperpolaryzację jej błony. Do takiego samego stanu może dość również wtedy,/ gdy wskutek działania przekaźnika otworzą się kanały potasowe i pewna liczba elektrododatnich jonów potasu (K+) opuści komórkę. Hamowanie presynaptyczne ' Hamowanie presynaptyczne odbywa się w obrębie zakończeń włókien presynaptycz- nych i powoduje, że mniej przekaźnika uwalnia się z tych zakończeń do szczeliny synaptycznej. Ten rodzaj hamowania powstaje w wyniku działania specjalnych synaps akso-aksonalnych. W synapsie akso-aksonalnej błoną presynaptyczną jest błona aksonu komórki hamującej, błoną zaś postsynaptyczną - błona włókna presynaptycznego neuronu pobudzającego. Hamowanie presynaptyczne może być oparte na różnych mechanizmach. W niektórych synapsach akso-aksonalnych przekaźnikiem jest kwas gamma-aminomasłowy, który działa na receptory GABAB w błonie zakończenia synaptycznego. Receptory GABAB są receptorami metabotro- powymi (patrz niżej) - ich aktywacja przez kwas gamma-aminomasłowy działa zatem pośrednio, przy udziale przekaźnika wtórnego. Jednym ze skutków tego działania jest zmniejszenie stężenia jonów wapnia w cytoplazmie zakończeń synaptycznych hamowanego aksonu. Wskutek niedoboru jonów wapnia pęcherzyki synaptyczne nie mogą odłączyć się od aktyny, a zatem nie może dojść do uwolnienia ich zawartości w synapsie pobudzającej neuron (rys. 4.14). Przekaźniki i modulatory > . (JPrzekaźnikami, według klasycznych pojęć, nazywa się związki chemiczne przeka-' żujące informacje między neuronami albo między neuronami i narządami wykonaw- 128 Rys. 4.14. Hamowanie presynaptyczne. •*,- Potencjały , czynnościowe/? Akson ( Synapsa akso- -aksonalna Pęcherzyki Synapsyna Aktyna czymi. Przekaźniki (mediatory, neurotransmitery) są uwalniane w synapsie na zakończeniach synaptycznych neuronu „nadawczego" i działają na swoiste dla nich receptory, indukując w innym neuronie („odbiorczym") procesy czynnościowe pobudzenia i hamowania. Przekaźnik może wpływać na procesy czynnościowe w komórce również pośrednio, inicjując powstanie przekaźnika wtórnego - właściwego stymulatora różnych reakcji chemicznych, j W odróżnieniu od przekaźników wtórnych, po- wstających w komórce, przekaźniki uwalniane w synapsie nazwano przekaźnikami pierwotnymi.|Niekiędy działanie przekaźnika wtórnego powoduje zwiększenie lub zmniejszenie wrażliwości neuronu na różne przekaźniki pierwotne. Przekaźnik pierwotny, który powoduje powstanie tak działającego przekaźnika wtórnego, nazywa się neuromodulatorem. Przekaźniki działają nie tylko na receptory w błonie postsynaptycznej, lecz także na receptory presynaptyczne, tj. znajdujące się w tych samych zakończeniach synaptycznych, z których został uwolniony przekaźnik. Działając na receptory presynaptyczne przekaźnik może regulować uwalnianie następnych porcji tego samego przekaźnika. Przez wiele lat w nauce o przekaźnictwie synaptycznym obowiązywała zasada Dale'a, zgodnie z którą jeden neuron wytwarza tylko jeden rodzaj przekaźnika, czyli jeden i ten sam przekaźnik jest uwalniany na wszystkich zakończeniach synaptycznych tego neuronu. Obecnie pogląd ten uległ modyfika- cji, ponieważ spotyka się neurony wytwarzające dwa przekaźniki, jeden przekaź- nik zazwyczaj o stosunkowo prostej budowie i drugi złożony - neuropeptyd. Transmisja synaptyczna oparta na współdziałaniu przekaźników nazywa się kotransmisją. 129 _Ze względu na budowę chemiczną wyróżnia się następujące przekaźniki: 1. Aminokwasy - pobudzające: kwas glutaminowy, kwas asparaginowy, - hamujące: glicyna, kwas gamma-aminomasłowy. 2. Aminy biogenne - acetylocholina, - aminy katecholowe: dopamina, noradrenalina, adrenalina, - amina indolowa: 5-hydroksytryptamina (serotonina). 3. Neuropeptydy, substancja P, opioidy, neuropeptyd Y. 4. Hormony. Wiele hormonów, niezależnie od uwalniania do krwiobiej z gruczołów wydzielania wewnętrznego, jest również uwalnianych w synaj sach, gdzie działają jako przekaźniki. Należą do nich m.in. wazopresyn cholecystyna i angiotensyna. 5. Tlenek azotu. ' Przekaźniki grupuje się również według rodzaju pobudzanych przez n receptorów. Aminokwasy i acetylocholina działają głównie na receptory jonotropi we, aminy zaś biogenne, peptydy i hormony - na receptory metabotropowe. Podzi ten nie jest jednak absolutnie ścisły, ponieważ niektóre receptory metabotropowe również uczynniane przez aminokwasy, a niektóre receptory jonotropowe - przi aminy biogenne. Z rodzajem przekaźnika związane jest nazewnictwo neurond i synaps. W ich nazwie pierwszy człon pochodzi od nazwy chemicznej przekaźnik a drugim członem jest przyrostek -ergiczny. Mówi się zatem: neurony (synaps glutaminergiczne (wykorzystujące jako przekaźnik kwas glutaminowy), choliner§ czne (wykorzystujące acetylocholinę), dopaminergiczne, noradrenergiczne, peptyde giczne itp. Niekiedy dany rodzaj przekaźnika dominuje we wszystkich synapsa* całej drogi nerwowej, struktury mózgu lub sieci nerwowej. Mówi się wówczas i przykład o drodze dopaminergicznej, o układzie cholinergicznym itp. •.-• Receptory przekaźników ' JBiologicznie aktywne substancje działają na wyspecjalizowane struktury komór zwane receptorami. Receptory są białkami, których budowa umożliwia rozpoznar i przyłączenie właściwego przekaźnika. Po przyłączeniu przekaźnika do recepto dochodzi do przekształcenia struktury białka receptorowego zwanego zmia konformacyjną białka. Substancje aktywujące receptor nazywa się agonistami tego receptora. Zwiąż zaś blokujące receptor nazywa się antagonistami lub blokerami recepjorai Swoiste receptorów względem przekaźnika nie oznacza, że wszystkie receptory wiążą dany przekaźnik mają jednakową strukturę i pełnią jednakową funkcję. Przeciwn wśród receptorów występują podklasy, których pobudzenie wyzwala róż czynności ustroju. Często syntetyczne substancje agonistyczne są bardziej swois wobec określonej klasy receptorów niż przekaźniki naturalne. Zjawisko to j< szeroko wykorzystywane w leczeniu różnych chorób. 130 Receptory przekaźników nie są strukturami statycznymi. Jak wszystkie białka komórki, również białko receptorowe ulega ustawicznemu rozpadowi i odnowie (resyntezie). Resynteza tego białka jest dostosowana do aktualnych potrzeb fizjologicznych, stąd liczba (gęstość) receptorów jest zmienna. Stwierdzono, że gęstość receptorów zmienia się wskutek działania preparatów farmakologicznych. Długotrwałe stosowanie antagonisty danego receptora często powoduje wzrost liczby receptorów oraz zwiększenie ich wrażliwości na przekaźnik i syntetyczne substancje antagonistyczne. Odwrotne zjawisko występuje w przypadku długo- trwałego stosowania agonisty receptora. Aminokwasy pobudzające Przekaźnikiem w licznych synapsach pobudzających w ośrodkowym układzie nerwowym, o różnym znaczeniu funkcjonalnym, jest kwas glutaminowy, a w nie- których również kwas asparaginowy. Receptory aminokwasów należą do grupy receptorów zarówno jono-, jak i metabotropowych. Nazewnictwo tych receptorów pochodzi od nazw związków chemicznych swoiście je pobudzających. Rys. 4.15. Pobudzenie receptorów AMPA i NMDA; 1 - zadziałanie kwasu glutaminowego na receptor AMPA powoduje otwarcie kanału jonowego; jony sodu wchodzą do wnętrza neuronu, równocześnie pewna liczba jonów potasu wychodzi z komórki; powstaje niewielka wstępna depolaryzacja wnętrza neuronu; 2 - w wyniku wstępnej depolaryzacji zostają odsunięte jony magnezu i ulega odblokowaniu kanał jonowy związany z receptorem NMDA. Powoduje to gwałtowne wejście jonów sodu i wapnia do wnętrza neuronu i depolaryzację komórki. O / Kwas glutaminowy O ~K* Q O Na* Ca2* Na Wstępna depolaryzacja _ Na* Na* Ca2* Ostateczna depolaryzacja 131 f--------------------- f Do receptorów jonotropowych aminokwasów pobudzających należą re- ceptory NMDA i AMPA4j Receptory te zwykle występują w jednej synapsie i współdziałają w pobudzaniu neuronu. Jakkolwiek pobudzenie receptora NMDA powoduje otwarcie kanału przepuszczającego jony Na+ i Ca2+ z ze- wnątrz do wnętrza komórki, to jednak do ruchu tych jonów nie dochodzi, ponieważ otwór kanału od strony wnętrza komórki jest zamknięty przez jony magnezu (Mg2+). Do „odsunięcia" jonów Mg2+ i odblokowania kanału jest konieczna wstępna depolaryzacja komórki. Dochodzi do niej wskutek zadziałania kwasu glutaminowego na receptor AMPA, otwarcia kanału sodowego związanego z tym receptorem i wejścia jonów sodu do wnętrza neuronu (rys. 4.15). Aminokwasy hamujące ' ) Do aminokwasów hamujących zalicza się kwas gamma-aminomasłowy (GABA) f glicynę. Wyróżnia się dwa receptory kwasu gamma-aminomasłowego: GABAA i GABAB. Receptor GABAA jest receptorem jonotropowym, którego aktywacja powoduje otwarcie kanału chlorowego,1 W warunkach spoczynkowych stężenie jonów chloru (Cl~) jest znacznie większe poza komórką niż w komórce. Otwarcie kanałów chlorowych powoduje ruch jonów Cl~ zgodnie z gradientem stężeń z zewnątrz do wnętrza neuronu. Wejście jonów Cl~ pociąga za sobą zwiększenie, liczby elektroujemnych ładunków w cytoplazmie, a co za tym idzie - Tuperpolaryzację błony komórkowej i hamowanie czynności komórki.! Osobliwością receptorów GABAA jest zdolność wiązania leków z grupy benzodiazepin, stosowanych w leczeniu stanów lękowych] Do najbardziej znanych leków z tej grupy należy diazepam (Yalium) i chlordiazepoksyd (Librium). Przypuszcza się, że działanie przedwiekowe (anksjolityczne) benzodiazepin polega na wspomaganiu hamującego działania GĄBAjiastruktury układu limbicznego (rąbkowego) sterujące stanami emocjonalnymi .[Do receptorów GABAA przyłączają się również barbiturany - leki o działaniu m.in. uspokajającymi (rys. 4.16). Receptory GABAB są receptorami metabotropowymi - ich aktywacja przez kwas gamma-aminomasłowy przebiega zatem pośrednio, przy udziale przekaźnika wtórnego. Jednym z kierunków ich działania jest otwarcie kanałów potasowych, co prowadzi do wyjścia pewnej liczby jonów K+ z komórki i do hiperpolaryźacji błony komórkowej, a zatem do hamowania czynności neuronu. Innym działaniem jest zmniejszenie stężenia jonów Ca2+ w cytoplazmie neuronów. Receptory GABAB występują w synapsach akso-aksonalnych. Zmniejszenie stężenia jonów Ca2+ w cytoplazmie zakończeń synaptycznych blokuje uwalnianie pęcherzyków synaptycznych w synapsie, co jest przez niektórych badaczy uważane za istotę hamowania presynaptycznego. , v 4 Skróty te pochodzą od angielskich nazw związków: N-methyl-D-aspartate (NMDA) i a-amino- -3-hydroxy-5-methyl-4-isoxasolepropionic acid (AMPA), swoiście pobudzających te receptory. 132 Rys. 4.16. Receptory GABAergiczne: jonotropowy receptor GABAA z zaznaczonymi miejscami receptorowymi oraz metabotropowy receptor GABAB z zależnym od niego kanałem potasowym. Kanał chlorowy ' • Barbiturany X^ ».'« - • > - •*' • >-' . Benzodiazepiny GABA l Depolaryzacja Hiperpolaryzacja Acetylocholina Acetylocholina występuje jako przekaźnik w ośrodkowym układzie nerwowym, w zwojach wegetatywnych, w synapsach nerwowo-mieśniowych oraz w synapsach układu wegetatywnego. Niektóre efekty działania acetylocholiny można wywołać przez podanie zwierzęciu nikotyny, inne - przez podanie muskaryny. •' Istnieją zatem dwa rodzaje receptorów acetylocholiny - nikotynowe i muskarynowe. Receptory nikotynowe znajdują się m.in. w synapsach nerwowo-mieśniowych i w zwojach wegetatywnych, muskarynowe - w mięśniach gładkich narządów wewnetrznycłi. W ośrodkowym układzie nerwowym występują zarówno receptory nikotynowe, jak i muskarynowe. 133 Acetylocholina jest syntetyzowana w neuronach z choliny i kwasu octowego przy udziale enzymu acetylotransferazy cholinowej. Po uwolnieniu do szczeliny synaptycznej i zadziałaniu na receptory w błonie postsynaptycznej acetylocholina ulega rozkładowi, przy udziale enzymu esterazy cholinowej, na nieczynne składniki - kwas octowy i cholinę. Cholina jest następnie zwrotnie wychwytywana przez zakończenia synaptyczne i wykorzystywana do syntezy nowej porcji przekaźnika. [Receptory acetylocholiny są receptorami jonotropowymi. Ich aktywacja powoduje otwarcie kanałów sodowych, wejście jonów sodu do komórki i depola- ryzację błony komórkowej. Aminy katecholowe i 5-hydroksytryptamina W organizmie ssaków^rolę przekaźników pełnią trzy aminy katecholowe: dopamina, noradrenalina i adrenalinaj (wg innej terminologii - norepinefryna i epinefryna). Dopamina i noradrenalina są uwalniane w synapsach ośrodkowego układu nerwowego. Noradrenalina jest uwalniana także na zakończeniach włókien wegetatywnych unerwiających narządy wewnętrzne. Adrenalina odgrywa rolę przekaźnika tylko w nielicznych synapsach ośrodkowego układu nerwowego, natomiast głównym miejscem jej wytwarzania jest część rdzenna nadnerczy. Tutaj jest wydzielana do krwi, a następnie, jako hormon, jest przenoszona przez krew do narządów wewnętrznych. Prekursorem wszystkich amin katecholowych jest aminokwas L-tyrozyna, występująca w cytoplazmie neuronów. Pod wpływem swoistego enzymu zostaje przekształcona w związek o nazwie L-dopa, który po wchłonięciu do pęcherzyków synaptycznych zostaje przekształcony w dopaminę. Na tym kończy się proces L-tyrozyna L-dopa Dopamina Adrenalina (epinetryna) Noradrenalina (norepinefryna) Byś, 4.17. Synteza amin katecholowych. CH-CH2-NH2 OH HO l CH-CH2-N-CH, OH H 134 -'-> a.,y,\'-€ >'* .a*.? -\>.*~l syntezy przekaźnika w neuronach dopaminergicznych. W neuronach noradrener- gicznych z dopaminy powstaje noradrenalina, a w adrenergicznych - noradrenalina zostaje przekształcona w adrenalinę (rys. 4.17). Mechanizm działania i losy uwolnionych amin katecholowych są podobne. Po uwolnieniu do szczeliny synaptycznej i zadziałaniu na swoiste receptory post- synaptyczne część amin katecholowych zostaje przekształcona w nieaktywne związki przez enzym metylotransferazę katecholową, druga zaś część wraca do zakończeń synaptycznych i po wniknięciu do pęcherzyków staje się nowymi porcjami przekaźnika. Cząsteczka aminy, zanim znajdzie się w pęcherzyku, musi najpierw przejść przez błonę presynaptyczną (czyli błonę zakończenia synaptycz- nego), a potem przez błonę pęcherzyka. Pokonanie tych przeszkód umożliwiają jej układy przenoszące zwane transporterami. Cząsteczka aminy katecholowej jest zabezpieczona przed rozkładem dopiero wtedy, gdy znajdzie się w pęcherzyku. W zakończeniach synaptycznych grozi jej rozkład przez enzym monoaminooksydazę (MAO), występujący w cytoplazmie, lecz nie mający dostępu do pęcherzyków (rys. 4.18). -<,: Znanych jest wiele leków blokujących wychwyt zwrotny amin katecholowych albo unieczynniających enzym MAO (tzw. inhibitory MAO). Na przykład imipramina, blokując zwrotny wychwyt amin katecholowych z synapsy do zakończeń synaptycznych, powoduje nagromadzenie przekaźnika w synapsie i przedłużenie jego działania. Z kolei inhibitory MAO (np. iproniazyd) chronią aminy katecholowe przed rozkładem w cytoplazmie zakończeń synaptycznych i umożliwiają większe ich nagromadzenie w pęcherzykach. Przeciwnie działa rezerpina. Lek ten blokuje działanie transportera amin katecholowych do pę- cherzyka i powoduje, że aminy katecholowe, znajdując się w cytoplazmie poza pęcherzykiem, są rozkładane przez MAO. Efektem działania rezerpiny jest zatem zubożenie zakończeń synaptycznych pod względem zawartości amin katecholowych. Pęcherzyki synaptyczne Kolbka synaptyczna Przekaźnik uwolniony do szczeliny synaptycznej Transporter amin katecholowych blokada: rezerpina Swoisty transporter dopaminy lub noradrenaliny blokada: trójpierścieniowe antydepresanty, kokaina . 4.18. Wychwyt zwrotny ' przekaźnika •••< ^>-^ w synapsach katecholaminergicznych oraz jego modyfikacja przez leki przeciwdepresyjne, kokainę i rezerpinę. 135 T 'Receptory, na które działa noradrenalina i adrenalina, należą do grupy receptorów metabotropowych i są nazywane wspólnie receptorami adrenergicznymi, ponieważ aktywują je, choć w różnym stopniu, oba przekaźniki. Receptory adrenergiczne występują w ośrodkowym układzie nerwowym i w narządach wewnętrznych, f Rozróżnia się dwie klasy receptorów adrenergicznych - a i P, a w ich obrębie receptory a, i a2 oraz fiii p2J Receptory dopaminy ' ! ' '"'' - " Początkowo rozróżniano dwa rodzaje receptorów dopaminergicznych - D, i D2. Następnie, wraz z rozwojem farmakologii, w obrębie tych rodzajów wyróżniono kilka podtypów, różniących się wrażliwością na leki oraz strukturą tworzącego je białka. Dlatego obecnie mówi się raczej o receptorach typu D, (do których zalicza się receptory D, i D5) i o receptorach typu D2, do których zalicza się receptory D2, D3 i D4./.Receptory dopaminy są receptorami metabotropowymi: receptory typu D, pobudzają, a receptory typu D2 hamują syntezę przekaźnika wtórnego cAMP. Pobudzenie receptorów dopaminergicznych u zwierząt doświadczalnych przez podanie apomorfiny lub amfetaminy powoduje wzmożenie aktywności ruchowej oraz wywołuje zachowania stereotypowe. Polegają one na wykonywaniu po- wtarzających się czynności (chodzenie po klatce, ruchy poszukiwawcze, ob- wąchiwanie napotykanych przedmiotów itp.). Ponieważ u ludzi leki pobudzające receptory dopaminy powodują zaburzenia psychotyczne, powstała hipoteza, że niektóre objawy schizofrenii mogą zależeć od nadczynności układu dopaminer- gicznego. Hipoteza ta znalazła potwierdzenie w fakcie, że zaburzenia te ustępują po zastosowaniu leków z grupy neuroleptyków, blokujących receptory dopaminy. Pierwszym neuroleptykiem zastosowanym w leczeniu schizofrenii była chlor- promazyna (Largactil). Później wprowadzono do lecznictwa haloperidol i pimozyd. Leki te po długim stosowaniu powodują efekty uboczne w postaci zaburzeń ruchowych: późnej dyskinezji oraz zespołu parkinsonowskiego. Zaburzenia te są spowodowane zwiększeniem liczby receptorów D2 w jądrze ogoniastym wskutek długotrwałego stosowania ich antagonisty. 5-Hydroksytryptamina (serotonina) ..., . ., * ^5--Hydroksytryptamina powstaje na drodze przemian chemicznych z aminokwasu L-tryptofanu^(rys. 4.19). Uwalnianie tego przekaźnika w synapsie oraz jego losy po zadziałaniu na receptor są podobne do losów amin katecholowych. Jak aminy katecholowe, 5-hydroksytryptamina jest wychwytywana przez zakończenia synap- tyczne i ponownie magazynowana w pęcherzykach synaptycznych. Część 5-hydro- ksytryptaminy, zanim wejdzie do pęcherzyków, zostaje rozłożona przez występujące w cytoplazmie enzymy do związku nieaktywnego. W unieczynnianiu 5-hydroksy- tryptaminy ważną rolę odgrywa monoaminooksydaza (MAO). Receptory 5-hydroksytryptaminy, zwane receptorami serotoninergicznymi, są bardzo zróżnicowane. Wyróżnia się 7 rodzajów tych receptorów, od 5HTj do 5HT7, z wieloma podziałami na podtypy. Receptor 5HT3 jest receptorem 136 L-tryptofan „.__,. , 5-hydroksytryptofan 5-hydroksytryptamina (serotonina) NH2 H,-C-COOH H Rys. 4.19. Synteza 5-hydro- ksytryptaminy. ł r* i-Ć^^I-------n-CH,-C-COOH H CH,-CH,- NH, Melatonina (w szyszynce) CH.-O CH2-CHa-NH-C-CH, II O jonotropowym. Jego pobudzenie powoduje otwarcie kanałów sodowych i wap- niowych, a w konsekwencji depolaryzację błony komórkowej i pobudzenie neuronu. Pozostałe receptory serotoninergiczne są receptorami metabotropowymi. W zależności od receptora, ich aktywacja pobudza albo hamuje syntezę cAMP. 5-Hydroksytryptamina jest zaangażowana w regulację wielu funkcji fi- zjologicznych, jak pobieranie pokarmu, sen, zachowania seksualne, regulacja czynności gruczołów wydzielania wewnętrznego oraz dobowa regulacja funkcji fizjologicznych. '' Upośledzenie uwalniania 5-hydroksytryptaminy jest przyczyną stanów de- presyjnych w stopniu nawet większym niż upośledzenie uwalniania amin katecho- lowych. . 5-Hydroksytryptamina występuje również w szyszynce - gruczole wydzielania wewnętrznego. Podlega ona tam innym przemianom chemicznym niż w ośrod- kowym układzie nerwowym. Produktem tych przemian jest hormon melatonina, odgrywający rolę w dobowej regulacji funkcji fizjologicznych] Przekazywanie informacji za pomocą przekaźników wtórnych O ile bezpośrednim skutkiem pobudzenia receptora jonotropowego jest otwarcie kanału dla odpowiednich jonów, o tyle pobudzenie receptora metabotropowego wyzwala proces biochemiczny prowadzący do modyfikacji funkcji komórki. Na początku tego procesu powstaje związek zwany przekaźnikiem wtórnym. W od- różnieniu od przekaźników pierwotnych, działających w synapsie na postsynap- tyczne receptory jonotropowe bądź metabotropowe^pjrzekaźniki wtórne działają na procesy wewnątrz komórki: zmieniają jej metabolizm, modyfikują pobudliwość, działają na DNA jądra i regulują ekspresję genów. Procesy wywołane przez przekaźniki wtórne rozwijają się wolno i trwają długo, niekiedy dni lub tygodnie. Długotrwałe utrzymywanie się skutków działania przekaźnika wtórnego może mieć znaczenie dla kodowania śladów pamięciowych. „...,.. 137 Białka G ^ • 'f •-"-..'• \ -i:.,' •- • -- '• ; Wieloetapowy proces prowadzący do powstania przekaźników wtórnych i stymulacji przemian biochemicznych w komórce nazywa się transdukcją sygnałuj W kolejnych etapach transdukcji pierwotny sygnał zostaje wielokrotnie wzmocniony .__Ważną rolę w tym procesie odgrywają białka G. Nazwa ich pochodzi od zdolności wiązania kwasu guanozynotrifosforowego (GTP). Białka G występują także poza układem nerwowym i pośredniczą w działaniu hormonów na komórki różnych narządów. Cząsteczka białka G składa się z trzech podjednostek: a, p i y. Do podjednostki a jest dołączona cząsteczka kwasu adenozynodifosforowego (ADP). W takiej formie białko G, związane z receptorem, jest nieczynne. Gdy przekaźnik pierwotny uwolniony w synapsie przyłączy się do receptora metabotropowego i spowoduje zmianę struktury jego białka, białko G ulega następującym modyfikac- jom: 1) wskutek zmiany konformacyjnej białka podjednostka a traci zdolność wiązania kwasu guanozynodifosforowego (GDP); jego miejsce zajmuje kwas guanozynotrifosforowy (GTP), występujący w większym stężeniu w cytoplazmie; 2) cząsteczka białka G odłącza się od receptora i rozdziela się na podjednostkę a oraz na zespół podjednostek p/y; 3) rozdzielone podjednostki a i p/y poruszają się w obrębie błony komórkowej i oddziałują na występujące w błonie białka, zmieniając ich właściwości funkcjonalne (rys. 4.20). Wyróżnia się wiele rodzajów białek G, o własnościach pobudzających i hamujących i o różnym mechanizmie działania. Białka G mogą otwierać lub zamykać kanały jonowe, głównie wapniowe i chlorowe, i w ten sposób pośrednio powodować pobudzenie lub hamowanie Schemat działania przekaźników wtórnych; cAMP - cykliczny kwas adenozynomonofosforowy; ATP - kwas adenozynotrifosforowy; Ca - wapń; IP3 - trifosforan inozytolu; DAG - diacyloglicerol; G - białka G; Pl - fosfatydyloinozytol. Układ cyklicznego AMP Przekaźnik pierwotny Układ fosfatydyloinozytolu Przekaźnik pierwotny Fosforylacja i aktywacja białek Przekaźniki i wtórne \ Fosforylacja i aktywacja białek Siateczka śródplazmatyczna 138 komórki^ W taki sposób dochodzi do otwarcia kanałów chlorowych w wyniku pobudzenia receptorów GABAB w obrębie zakończeń synaptycznych, co jest uważane za przyczynę hamowania presynaptycznego. i '•••'* **-'•'-••• Rola białek G w transdukcji sygnału polega na stymulacji mechanizmu powstawania przekaźników wtórnych. Opisano wiele związków o tych właściwoś- ciach. (Do najlepiej poznanych należy cykliczny kwas adenozynomonofosforowy (cAMP), cykliczny kwas guanozynomonofosforowy (cGMP), związki pochodzące z rozpadu fosfolipidu nazywanego fosfatydyloinozytolem, tlenek azotu i wapńj Cykliczny kwas adenozynomonofosforowy (cAMP) ^Cykliczny AMP powstaje z ATP w synapsach pobudzających pod wpływem enzymu cyklazy adenylanowejj Od ATP odłączają się wtedy dwie cząsteczki kwasu fosforowego, a pozostała cząsteczka kwasu fosforowego ulega przekształ- ceniu w formę cykliczną. Tak utworzony cAMP jest biologicznie aktywnym przekaźnikiem wtórnym. Unieczynnia go inny enzym - fosfodiesteraza, pod wpływem której zmienia się struktura kwasu fosforowego i powstaje nieaktywny kwas adenozynomonofosforowy. Uczestniczące w tym procesie białko G jest typu pobudzającego (Gs - od ang. stimulatory - pobudzający), a więc pobudza cyklazę adenylanową, a w konsekwencji - syntezę cAMP. Główne działanie wywiera podjednostka a białka G. W synapsach hamujących białko G, aktywowane przez receptory metabotropowe, jest typu hamującego (Gi - od ang. inhibitory - hamujący) - jego działanie polega na hamowaniu cyklazy adenylanowej i syntezy cAMP. W hamowaniu tym główną rolę odgrywa podzespół p/y. Gdy pierwotny przekaźnik zostanie unieczynniony lub odłączy się od receptora i struktura chemiczna białka receptorowego wróci do stanu spoczynkowego, białko to przestaje oddziaływać na cząsteczkę białka G. Związana z tym białkiem cząsteczka GTP zostaje wymieniona na cząsteczkę GDP. Podjednostka a ponownie wchodzi w kompleks z podjednostkami P i y, tworząc wraz z nimi nieaktywną formejbiałka G związaną z receptorem. Działanie cAMP polega na aktywowaniu enzymu fosfokinazy A. Enzym ten katalizuje fosforylację białek_ funkcjonalnych komórki. Ufosforylowane białka stają się biologicznie aktywnej '- .- . .. •-•:....• •' -'.•'.-•; . . : :łllf " Pochodne fosfatydyloinozytolu Lipidy pełnią trzy główne funkcje: 1) w postaci triglicerydów są magazynowane jako tłuszcz, który jest źródłem energii dla organizmu, 2) są składnikiem błon komórek i 3) uczestniczą w przekazywaniu sygnału w komórce. Mózg nie zawiera triglicerydów, dlatego zawarte w nim lipidy odgrywają dwie ostatnie role: materiału budulcowego i nośników sygnałów biologicznych. Lipidy zawierające w swej cząsteczce kwas fosforowy nazywają się fosfolipidami. Do fosfolipidów należy fosfatydyloinozytol (skrót PI), od którego pochodzą przekaźniki wtórne) Cząsteczki fosfatydyloinozytolu tkwią w wewnętrznej warstwie błony post- synaptycznej. W ich pobliżu znajduje się receptor metabotropowy, białko G oraz 139 p enzym fosfolipaza C. W wyniku zadziałania przekaźnika na receptor białko receptora ulega zmianom konformacyjnym. Zmieniony receptor oddziałuje na o G i przekształca je w postać aktywną, zawierającą cząsteczkę GTP. /Aktywne białko G pobudza z kolei fosfolipazę C - enzym rozkładający fosfa- tydyloinozytol na szereg związków o mniejszej cząsteczce, z których przekaźnikami wtórnymi są trifosforan inozytolu (IP3) i diacyloglicerol Cykliczny kwas guanozynomonofosforowy (cGMP) i tlenek azotu w * Cykliczny AMP, IP3 i DAG są najlepiej zbadanymi przekaźnikami wtórnymi, powszechnie występującymi w synapsach układu nerwowego. Do przekaźników wtórnych zalicza się jednak jeszcze wiele innych związków. Należy do nich cGMP. Sposób powstawania cGMP jest podobny do opisanego wyżej powstawania cAMP. Źródłem cGMP jest kwas guanozynotrifosforowy (GTP). Pod wpływem enzymu cyklazy guanylanowej od cząsteczki GTP odłączają się dwie cząsteczki kwasu . fosforowego, pozostała zaś reszta przybiera biologicznie aktywną formę cykliczną. Tlenek azotu pojawił się na liście przekaźników wtórnych stosunkowo niedawno. Jest to pierwsza zidentyfikowana substancja przekaźnikowa o naturze gazowej. Powstaje z aminokwasu argininy pod wpływem enzymu - syntazy tlenku azotu. Z kolei syntaza tlenku azotu jest aktywowana przez kompleks jonów wapnia i białka kalmoduliny. .,._,; a; .,, ,, ,n ; r- ••,<«. ) Tlenek azotu pobudza cyklazę guanylanową, stymuluje zatem powstawanie cGMP; jego działanie nie ogranicza się do neuronu, w którym został wytworzony. Jako gaz, tlenek azotu może łatwo opuszczać komórkę, wchodzić do innych neuronów i stymulować w nich powstawanie cGMP, Biologiczne działanie tlenku azotu jest obecnie przedmiotem intensywnych badań. Przypisuje mu się znaczenie w długotrwałym wzmocnieniu synaptycznym - neuronalnym modelu pamięci, ; ; i ! : ^ .' • j ., '•• ' , .', \ • , Wapń Do przekaźników wtórnych zalicza się jony wapnia. Wapń występuje w komórce głównie w postaci związanej i tylko w niewielkiej ilości w postaci wolnych jonów Ca2+. Jony wapnia dostają się do komórki z zewnątrz przez kanały wapniowe otwierane przez niektóre przekaźniki pierwotne, na przykład kwas glutaminowy. Oprócz tego znaczne rezerwy jonów wapnia są zmagazynowane wewnątrz komórki - w siateczce śródplazmatycznej i mitochondriach, skąd mogą być uwalniane do cytoplazmy na skutek działania niektórych przekaźników wtórnych, na przykład IP3. Uwolniony w ten sposób wapń jest w istocie „trzecim" przekaźnikiem. i Wapń aktywuje wiele enzymów, np. syntazę tlenku azotu (patrz s. 490). Ważną rolę w komórce odgrywa kompleks wapnia z białkiem kalmoduliną (Ca2+/kalmodulina), który aktywuje kinazy białkowe, odgrywa rolę w uwalnianiu przekaźnika z zakończenia synaptycznego do synapsy (patrz s. 141) i uczynnią różne enzymy, 140 Mechanizm działania przekaźników wtórnych ' • -* Najistotniejszym skutkiem działania przekaźników wtórnych jest indukowanie zmian metabolizmu komórki. W wyniku tych zmian może się zwiększać pobud- liwość komórki, może dochodzić do zwiększenia liczby aktywnych synaps, może się zwiększać czynność wydzielnicza komórki. Przekaźniki wtórne powodują te zmiany, uaktywniając enzymy nazywane kinazami białkowymi. Zadaniem kinaz białkowych jest katalizowanie procesu fosforylacji białeEl Niektóre przekaźniki wtórne mają inny mechanizm działania. Na przykład IP3 powoduje uwolnienie do cytoplazmy wapnia zmagazynowanego w siateczce śródplazmatycznej. Cykliczny AMP i cGMP mogą też otwierać kanały jonowe i w ten sposób powodować pośrednio pobudzenie lub hamowanie neuronu. ?*«t ś :•->• -..,-.-,;. • • ,-?: :.<,•„• ••!!„•, p|!,?",'«." •:>; f>-/3 "^.'t •:>/-'/,,;•.:••; v'".!'?;.-.; Jflnazy białkowe (Kinazy białkowe są enzymami składającymi się z dwóch części (tzw. domen) - regulacyjnej i katalitycznej. Do domeny regulacyjnej dołącza się przekaźnik wtórny i uczynnią kinazę, natomiast właściwe działanie fosforylujące wykonuje domena katalityczna. Najlepiej poznano cztery kinazy białkowe: 1) kinazę uczynnianą przez cAMP i dlatego nazywaną kinazą białkową A (zależną od cAMP), 2) kinazę białkową G, uczynnianą przez cGMP, 3) kompleks utworzony przez jony wapnia z białkiem kalmoduliną (Ca^/kalmodulina) i 4) kinazę białkową K uczynnianą przez dia- cyloglicerol (DAG). SNależy podkreślić, że każda z wymienionych kinaz występuje w kilku odmianach, o różnej wrażliwości na przekaźniki wtórne i o różnym mechanizmie działania. Cząsteczki kinazy białkowej A są w pewnym stopniu ufiksowane (zakotwiczo- ne) w odpowiednich miejscach cytoplazmy, co powoduje, że znajdują się w pobliżu białek, na które działają. Jednakże domena katalityczna może odłączać się i zmieniać położenie, na przykład wnikać do jądra komórkowego i pobudzać ekspresję genów. Podobną strukturę ma kinazą białkowa G, aktywowana przez cykliczny GMP, występuje jednak w niewielkich ilościach i w porównaniu z poprzednią odgrywa mniejszą rolę w transdukcji sygnału w komórkach nerwowych. Natomiast kinazą białkowa K znajduje się w cytoplazmie w postaci nieczynnej i dopiero aktywowana przez DAG wespół z jonami wapnia wchodzi do błony komórkowej i tu fosforyluje różne biologicznie aktywne białka. W komórkach nerwowych występują jeszcze kinazy CaM, aktywowane przez kompleks Ca2+/kalmoduliną. Kompleks ten przyłącza się do ich domen regulato- rowych i odblokowuje domeny katalityczne, które wówczas katalizują proces fosforylacji białek. Fosforylacja białek Fosforylacja białka polega na dołączeniu do cząsteczki białka kwasu fosforowego, wskutek czego zmienia się struktura białka, |a w przypadku białka funkcjonalnego - również jego funkcja. Dzięki fosforylacji w komórce są uczynniane enzymy katalizujące procesy przemiany materii, i 141 W komórkach nerwowych występują dwa rodzaje fosforylacji. Pierwszy rodzaj, który polega na dołączaniu kwasu fosforowego do aminokwasu seryny i/lub treoniny w cząsteczce białka, jest wynikiem zadziałania przekaźnika pierwotnego na postsynaptyczny receptor metabotropowy, dlatego ma znaczenie dla transdukcji sygnału w komórce. Proces fosforylacji jednego białka może być katalizowany przez wiele różnych kinaz działających w sposób synergistyczny lub antagonis- tyczny, co oznacza, że łączny ich efekt może być zwiększony lub osłabiony. W drugim rodzaju fosforylacji cząsteczka kwasu fosforowego jest dołączana do aminokwasu tyrozyny. Taki mechanizm jest m.in. wynikiem działania czynników wzrostu. Wpływ kinaz białkowych na ekspresję genów Tonaży białkowe nie tylko uczynniają substancje biologicznie aktywne uczestniczące bezpośrednio w pobudzaniu lub hamowaniu komórki, lecz także wpływają na działanie czynników transkrypcyjnych stymulujących różne geny) Dzięki czyn- nikowi transkrypcyjnemu dochodzi do ekspresji danego genu: zostaje zainicjowana transkrypcja kodu zawartego w DNA na cząsteczkę mRNA, co umożliwia dalszą syntezę białka. Przekaźnik pierwotny Błona komórkowa Cyklaza adenylanowa Rys. 4.21. Mechanizm wyzwalania ekspresji genu. Fosforylacja i uczynnienie •i ' czynnika transkrypcyjnego CREB inicjuje proces transkrypcji. Gen część część regulatorowa transkrypcyjna 142 Przykładem takiego działania kinaz jest fosforylacja czynnika transkrypcyjnego CREB przez kinazę białkową A. Aby białko CREB, związane z promotorem genu, mogło zainicjować proces transkrypcji, musi najpierw ulec fosforylacji. Proces ten dokonuje się pod wpływem kinazy białkowej A, która katalizuje dołączanie cząsteczki kwasu fosforowego do aminokwasu seryny w łańcuchu aminokwasów tworzących białko CREB. Białko CREB jest też aktywowane przez jedną z kinaz CaM, uczynnianych przez kompleks Ca2+/kalmodulina (rys. 4.21). Do czynników transkrypcyjnych zalicza się także kompleks AP-1 (ang. activator protein 1), złożony z białek Fos i Jun. Białka te są syntetyzowane odpowiednio przez geny c-fos i c-jun. Geny te, ulegające ekspresji wskutek działania czynników wzrostu, sterują procesami wzrostu i podziału komórek, dlatego zostały zaliczone do protoonkogenów. Synteza obu białek jest też stymulowana przez przekaźniki wtórne, np. wapń i diacyloglicerol, aktywujące kinazę białkową C. C-fos i c-jun są nazywane genami wczesnej odpowiedzi komórkowej, ponieważ ulegają ekspresji na pierwszym etapie pobudzenia komórki. Białka syntetyzowane przez te geny, na przykład wspomniany kompleks AP-1, są z kolei czynnikami transkrypcyjnymi genów docelowych, syntetyzujących białka o bezpośrednim działaniu na procesy fizjologiczne. - ' ' Czynniki wzrostu (neurotroficzne) i t , ri^, ; W rozdziale 3 omawiana była rola grupy związków zwanych czynnikami wzrostu w rozwoju neuronów oraz w odnowie ich struktury w dojrzałym organizmie. Czynniki wzrostu odgrywają równie ważną rolę w procesie pobudzenia komórki i oprócz układów opartych na działaniu przekaźników wtórnych są niejako drugim systemem uczestniczącym w transdukcji sygnału w komórce. Okazało się także, że ten mechanizm ich działania nie rozpoczyna się internalizacją kompleksu czyn- nik-receptor, jak to ma miejsce w przypadku pobudzania wzrostu neuronów, lecz polega na uruchamianiu kaskady procesów prowadzących do uczynnienia białek aktywnych biologicznie. Spośród znanych czynników wzrostu wymienionych w tabeli 3.2, w ośrod- kowym układzie nerwowym ssaków występuje czynnik wzrostu nerwów (NGF), czynnik wzrostu pochodzenia mózgowego (BDNF) oraz czynniki neurotroficzne 3 i 4/5 (NT-3 i NT-4/5). Czynniki wzrostu wiążą się ze swoistymi receptorami Trk (tyrosine kinase- -containing receptor - receptor zawierający kinazę tyrozynową). Receptor Trk składa się z trzech części (domen): zewnętrznej - miejsca uchwytu czynnika, środkowej (śródbłonowej) - utrwalającej położenie receptora w błonie neuronu, i wewnętrznej - katalizującej fosforylację białek przez dołączanie reszty kwasu fosforowego do aminokwasu tyrozyny. Pobudzenie receptora Trk uczynnią białka G o małych cząsteczkach, a następnie wyzwala kaskadę procesów biochemicznych, w wyniku których dochodzi do fosforylacji i aktywacji kolejnych kinaz. Ostatecz- nym skutkiem działania czynników wzrostu jest pobudzenie ekspresji genów syntetyzujących czynniki transkrypcyjne c-Fos, c-Jun i CREB. 143 Wstrzykiwanie czynników wzrostu do mózgu zwierząt powoduje drgawki, których przyczyną są skoordynowane wyładowania dużych grup neuronów. Gdy czynniki BDNF i NT-3 wprowadzano do środowiska neuronów hodowanych poza ustrojem zwierzęcia, obserwowano zwiększone uwalnianie neuroprzekaźników. Świadczy to o tym, że czynniki wzrostu stymulują aktywność synaps. Odwrotnie dzieje się pod wpływem neuroprzekaźników: wraz z pobudzeniem neuronów dochodzi do zwiększonej syntezy czynników wzrostu, zwłaszcza BDNF, i do ich uwalniania do przestrzeni śródkomórkowej. Czynniki te mogą regulować pobudzenie komórki, z której zostały uwolnione, a także wpływać na aktywność sąsiednich neuronów. Przewodzenie impulsów we włóknach nerwowych Potencjał czynnościowy powstały w ciele neuronu jest przewodzony wzdłuż aksonu do zakończeń synaptycznych. Ten kierunek przewodzenia nazywa się ortodromowym, ponieważ w tym właśnie kierunku płyną impulsy w warunkach fizjologicznych. W warunkach eksperymentalnych można uzyskać przewodzenie w odwrotnym kierunku, czyli antydromowe. W warunkach spoczynkowych błona aksonu, podobnie jak innych części neuronu, jest spolaryzowana, czyli we wnętrzu włókna przeważają ładunki ujemne, a na zewnątrz dodatnie. Gdy akson przewodzi impuls nerwowy, w początkowym jego odcinku w pobliżu ciała neuronu pojawia się mały obszar depolaryzacji, czyli miejsce, w którym na powierzchni włókna występuje przewaga ładunków ujemnych, wnętrze zaś staje się elektrododatnie. Następnie depolaryzacja ta wędruje wzdłuż aksonu w taki sposób, że rozprzestrzenia się na coraz to dalsze odcinki włókna, natomiast ustępuje z miejsca, które poprzednio było zdepolaryzowane. Gdy depolaryzacja osiągnie stan krytyczny, otwierają się kanały sodowe zależne od napięcia (elektrycznego), jony sodu lawinowo wchodzą do wnętrza włókna i dochodzi do gwałtownej depolaryzacji błony komórkowej. Taka właśnie depolaryzacja jest istotą potencjału czynnościowego. Przewodzenie impulsów skokowe i ciągłe Przewodzenie impulsów odbywa się nieco odmiennie we włóknach mających osłonkę mielinową i we włóknach bezmielinowych. Znaczny opór elektryczny osłonki mielinowej powoduje, że prąd elektryczny może płynąć tylko między sąsiednimi przewężeniami Ranviera, a zatem każde przesunięcie fali depolaryzacji powoduje pobudzenie całego odcinka włókna w obrębie jednego segmentu mieliny. Ten typ przewodzenia impulsów nazywa się skokowym. Przewodzenie impulsów we włóknach bezmielinowych nazywa się ciągłym, ponieważ fala depolaryzacji przesuwa się w nich, obejmując kolejno małe odcinki włókna (rys. 4.22). Między obu rodzajami przewodzenia impulsów nerwowych występuje bardzo ważna różnica. Przewodzenie skokowe jest nie tylko szybsze, lecz także poziom depolaryzacji kolejnych odcinków włókna w miarę przesuwania się impulsów m ' - Rys. 4.22. Przewodzenie impusów we włóknach nerwowych mielinowych i bezmielinowych. Przewodzenie ciągłe: prąd elektryczny przepływa między miejscem aktualnie zdepolaryzowanym a najbliższym odcinkiem włókna bezmielinowego; dzięki temu potencjał czynnościowy przesuwa się w sposób ciągły wzdłuż włókna. Przewodzenie skokowe: prąd elektryczny może płynąć tylko między pozbawionymi mieliny przewężeniami Ranviera, dlatego potencjał czynnościowy przemieszcza się skokowo od przewężenia do przewężenia. PRZEWODZENIE CIĄGŁE PRZEWODZENIE SKOKOWE • Potencjał czynnościowy Potencjał czynnościowy Przepływ prądu Włókno bezmielinowe Skokowa Skokowa depolaryzacja repolaryzacja Przepływ prądu Przewężenie Rarwiera Osłonka mielinowa praktycznie się nie zmienia. Ta właściwość umożliwia przewodzenie stanu czynnego na znaczne odległości. Natomiast przewodzenie ciągłe jest wolniejsze, a do tego poziom depolaryzacji błony włókna stopniowo zmniejsza się w miarę przesuwania się stanu czynnego. ,... , . , Pobudliwość włókien nerwowych. Szybkość przewodzenia impulsów w zależności od kalibru włókna Bezpośrednio po przejściu impulsu odcinek włókna jest niepobudliwy, tzn. nie jest zdolny do przepuszczenia następnego potencjału czynnościowego. Ten stan niepobu- dliwości nazywa się refrakcją bezwzględną (absolutną). Po tej fazie następuje okres refrakcji względnej, podczas której włókno może być pobudzone tylko przez bardzo silne bodźce. Okres refrakcji jest tym dłuższy, im mniejsza jest grubość (kaliber) włókna. Najdłużej utrzymuje się niepobudliwość cienkich włókien bezmielinowych, dlatego mogą one przepuścić najwyżej kilka impulsów w ciągu sekundy. Najkrót- szym okresem refrakcji odznaczają się grube włókna otoczone osłonką mielinowa. Dzięki temu mogą przepuścić 1000 i więcej impulsów w ciągu sekundy. Od kalibru włókna zależy też szybkość przewodzenia impulsów, która wynosi od l m/s w cienkich włóknach bezmielinowych do 120 m/s w grubych włóknach mielinowych. W użyciu jest kilka podziałów włókien nerwowych na grupy, w zależności od ich właściwości fizjologicznych (patrz rozdz. 5). W nerwach obwodowych często rozróżnia się trzy grupy oznaczone literami A, B i C. Do 145 Włókna z osłonką mielinową A Włókna bezmielinowe C Rys. 4.23. Odbiór potencjału czynnościowego z nerwu. dwóch pierwszych grup zalicza się włókna mielinowe, a do grupy C - włókna bezmielinowe. W grupie A - najliczniejszej - wyodrębnia się jeszcze podgrupy a, (3, y i 8. Najszybciej przewodzą impulsy najgrubsze włókna grupy Aa. Podział ten jest oparty na analizie neuronogramu, czyli zapisu potencjałów elektrycznych rejestrowanych z nerwu po podrażnieniu go impulsem elektrycznym. U człowieka drażnienie i rejestracja potencjałów odbywa się przez skórę za pomocą elektrod umieszczonych w okolicy przebiegu nerwu. W zapisie wyodrębnia się wiele załamków odpowiadających pobudzeniu włókien o różnych szybkościach przewo- dzenia impulsów (rys. 4.23). Bardziej precyzyjna metoda, zwana mikroneurono- grafią, umożliwia rejestrację potencjałów elektrycznych pojedynczych włókien w nerwie. Sieci nerwowe > Organizacja połączeń między neuronami oparta na jednej synapsie nie występuje w żywym organizmie, gdyż do pobudzenia neuronu konieczne jest zsynchronizo- wane działanie setek synaps. Tak samo akson, choć jest jedną wypustką, rozgałęzia się na kolaterale, a te z kolei - na wiele setek włókien presynaptycznych. Neurony tworzą połączenia z innymi komórkami lub grupami komórek nerwowych, czyli - mówiąc inaczej - unerwiają je. W obszarze unerwienia neuronu wyróżnia się część centralną, w której występuje znaczna liczba synaps, i część obwodową, w której liczba połączeń jest mniejsza. W części centralnej istnieją zatem warunki, żeby dochodzące do niej włókna nerwowe spowodowały pobudzenie neuronów. Natomiast ze względu na niewielką liczbę połączeń w części obwodowej znajdujące się tam neurony są pobudzone tylko podprogowo; do ich efektywnego pobudzenia konieczne jest współdziałanie innego neuronu (rys. 4.24). Podprogowe pobudzenie jednego neuronu („odbiorczego") przez drugi („nadawczy") w taki sposób, że neuron ten jest bardziej wrażliwy na pobudzający wpływ innego neuronu „nadawczego", nazywa się torowaniem. l Kręgi anatomiczno-funkcjonalne złożone z wielu neuronów nazywa się sieciami nerwowymi. W sieciach mogą występować rozmaite oddziaływania i połączenia między neuronami. Często połączenia te mają charakter konwergencji lub dywergencji. W pierwszym przypadku jeden neuron „odbiorczy" jest pobudzany 146 Jlys. 4.24. Sieci nerwowe; 1 - układ dywergencji; 2 - układ konwergencji; 3 - pobudzenie i torowanie; 4 - hamowanie oboczne; 5 - hamowanie zwrotne; 6 - hamowanie następcze; 7 - krążenie impulsów w zamkniętej sieci. przez wiele neuronów nadawczych. Dochodzi wtedy do redukcji liczby neuronów na dalszych odcinkach drogi nerwowej. Tak dzieje się w wielu układach sensorycznych, na przykład w drodze słuchowej i wzrokowej. Rola neuronu „odbiorczego" najczęściej nie polega na biernym przyjmowaniu informacji, lecz na scalaniu (integracji) wpływów z wielu neuronów „nadawczych" i przekazywaniu ich następnym neuronom „odbiorczym". Natomiast unerwienie na zasadzie dywergencji umożliwia oddziaływanie jednego ośrodka na wiele ośrodków.\ Impulsy nerwowe wywołane określonym bodźcem mogą krążyć w kręgach neuronalnych wskutek wzajemnego pobudzania się różnych neuronów, aż do samowyczerpania się tego procesu, który może zostać wznowiony przez następny bodziec. Niekiedy krążące impulsy wciągają w proces pobudzenia coraz to nowe neurony. Zjawisko to, nazywane rekrutacją, występuje m.in. w ośrodkach ruchowych rdzenia kręgowego i umożliwia stopniowanie siły i precyzji ruchu. Oprócz oddziaływań pobudzających między neuronami występują też od- działywania hamujące. Często dany neuron pobudza jedne neurony, a jednocześnie hamuje inne komórki. To działanie hamujące jest możliwe dzięki specjalnemu neuronowi pośredniczącemu (interneuronowi). Taka organizacja występuje w dro- gach czuciowych i prowadzi do zahamowania neuronów w sąsiedztwie neuronu pobudzonego. Hamowanie to, zwane obocznym, ma duże znaczenie dla kontra- stowości odbieranych wrażeń. W sieciach nerwowych spotyka się jeszcze hamowanie zwrotne, które polega na uruchamianiu przez dany neuron skierowanych na niego oddziaływań hamują- cych. W taki sposób komórki mogą zmniejszać swój stan pobudzenia. 5. Ogólne właściwości układów sensorycznych l a organizm zwierzęcy działa ogromna liczba bodźców pochodzących zarówno ze środowiska zewnętrznego, jak i z wnętrza ciała. Część tych bodźców odgrywa rolę w regulacji procesów fizjologicznych, takich jak czynność narządów wewnęt- rznych, napięcie mięśniowe czy wydzielanie hormonów, i nie jest uświadamiana. Natomiast inne bodźce uruchamiają procesy nerwowe, dzięki którym otrzymywana informacja jest kodowana, integrowana i przechowywana w postaci śladów pamięciowych. Ta właśnie informacja, zarówno bieżąca, jak i wydobywana z pamięci, jest wykorzystywana do sterowania zachowaniem. U człowieka, a prawdopodobnie i u innych ssaków wyższych, bodźce środowiska zewnętrznego są źródłem doznań związanych z poznawaniem rzeczywistości. Etapy poznania i Nieodzownym warunkiem poznania jest zadziałanie bodźców na wyspecjalizowane narządy odbiorcze (receptory). W receptorach powstaje wówczas stan czynny zapoczątkowujący proces nerwowy, który odwzorowuje cechy bodźca. Istotę tego procesu stanowią impulsy nerwowe przekazywane drogami nerwowymi do ośrodków podkorowych i korowych. Pobudzenie tych ośrodków jest konieczne do realizacji kolejnych etapów procesu poznania: czucia, powstawania wrażeń i spostrzegania (percepcji). Czucie jest najbardziej elementarnym i najbardziej ogólnym doznaniem związanym z pobudzeniem receptorów. Dawniej rozróżniano czucie nieprecyzyjne, zwane protopatycznym, do którego należy mało dokładne czucie dotyku i czucie bólu, oraz czucie precyzyjne, zwane epikrytycznym. W mechanizmach poznania główną rolę odgrywa czucie epikrytyczne, dzięki któremu w ośrodkach nerwowych zostaje odwzorowany obraz otaczającego nas świata. Należy zauważyć, że często pojęcie czucia jest rozciągane na odbiór informacji służącej złożonym mechanizmom regulacyjnym. W takich kategoriach mówi się o czuciu trzewnym, choć większość informacji z narządów wewnętrznych nie dochodzi do świadomości. 148 Wyższym etapem procesu poznania jest powstawanie wrażeń. Źródłem wrażenia jest określona cecha bodźca, najczęściej złożonego, wyodrębniona w ośrodkach podkorowych i korowych przez neurony lub grupy neuronów zwane detektorami danej cechy. Na przykład cechami bodźców wzrokowych wywohijących wrażenia są fragmenty konturu przedmiotów (linie proste, kąty, krzywizny), wielkość, barwa, kierunek poruszania się. Scalanie wrażeń, czyli integracja pobudzeń różnych detektorów, jest podstawą percepcji - procesu umożliwiającego powstawanie w świadomości obrazu otacza- jącego nas świata. U ssaków wyższych, zwłaszcza naczelnych, percepcja opiera się na ukształtowanej w ciągu życia umiejętności kodowania właściwości poznawanych przedmiotów. Przedmioty te mogą być potem rozpoznawane przez porównywanie aktualnych pobudzeń z wytworzonymi wcześniej śladami pamięciowymi. Pojęcie bodźca • . /,,•'./ ' i . . ' Żywe komórki są pobudliwe, tzn. zdolne do zmiany stanu czynnościowego pod wpływem czynników fizycznych lub chemicznych. U zwierząt największą pobudli- wością odznaczają się komórki nerwowe, wyspecjalizowane w odbiorze informacji i przesyłaniu jej do innych komórek. Niekiedy specjalizacja ta jest tak zaawansowa- na, że narządy odbiorcze reagują wybiórczo na ściśle określone zmiany w środowis- ku nawet przy znikomym natężeniu czynników, na które są wrażliwe. Narządy te nazywa się receptorami, a działające na nie zmiany środowiska - bodźcami. Pojęcie bodźca w różnych dyscyplinach biologicznych jest bardzo szerokie. W fizjologu za bodziec uważa się zmianę środowiska zewnętrznego lub wewnętrznego ustroju prowadzącą do pobudzenia swoistego receptora, czyli narządu odbiorczego. Dźwięk jest zatem bodźcem dla narządu słuchu, a światło - dla narządu wzroku. Bodźcem nazywa się jednak również czynnik sztuczny, na przykład prąd elektryczny drażniący nerw lub jego zakończenia w tkance. Niekiedy czynnik fizyczny lub chemiczny może być bodźcem tylko dla nielicznych, a nawet tylko dla jednego gatunku. Na przykład nietoperze reagują na ultradźwięki, nie dostrzegane przez inne zwierzęta. W naukach behawioralnych bodźcem nazywa się zmianę w środowisku zewnętrznym lub wewnętrznym ustroju, wywołującą, wyzwalającą, modyfikującą lub hamującą zachowanie zwierzęcia. W takim ujęciu za bodziec uważa się nie tylko prosty czynnik, jak światło czy dźwięk, czy nawet przedmiot złożony z tych bodźców, lecz również sytuację w otoczeniu zwierzęcia, na przykład obecność innych osobników tego samego lub innego gatunku, ich zachowanie, charakterystykę terenu itp. Szczególną kategorię stanowią wyodrębnione przez etologów bodźce kluczowe, odgrywające rolę w zachowaniach instynktowych. Rodzaje bodźców S W ujęciu fizjologicznym bodźcami są zmiany fizyczne i chemiczne w środowisku zewnętrznym lub wewnętrznym organizmu. Wśród bodźców fizycznych wyróżnia się bodźce mechaniczne, termiczne, chemiczne i promieniowane elektromag- 149 netyczne. Bodźcami mechanicznymi są nie tylko bodźce dotykowe, ucisk, siły rozciągania czy wibracje, lecz także fale dźwiękowe, siły działające na narząd równowagi, a także zmiany ciśnienia krwi. Dla większości zwierząt o różnym stopniu rozwoju nośnikiem informacji jest światło zawarte w stosunkowo wąskim zakresie promieniowania elektromagnetycznego, choć dla niektórych gatunków bodźcem może być promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwo- ści większej (ultrafiolet) lub mniejszej (podczerwień) niż promieniowanie świetlne widzialne dla człowieka. Do bodźców chemicznych zalicza, się substancje zapachowe zawarte w powietrzu, w tym feromony, lub substancje smakowe rozpuszczone w pokarmach, a także związki występujące we krwi, jak glukoza, aminokwasy, niekiedy hormony, działające na receptory wewnątrz ustroju. Bodźce mogą być proste i złożone. Wśród bodźców działających na narząd wzroku bodźcem prostym jest światło (niekiedy ciemność), złożonym (tzw. upostaciowanym) - figura geometryczna, układ barw albo przedmiot poruszający się. Proste bodźce polegające tylko na obecności lub braku światła nazywa się fotycznymi, a bodźce złożone bodźcami wzrokowymi. Podobnie bodźce słuchowe mogą być proste (tony czyste) albo złożone (gdy odznaczają się rytmiką albo melodią). Bodźce złożone nazywa się też perceptywnymi, ponieważ u człowieka odgrywają rolę w mechanizmie spostrzegania, czyli percepcji. Bodźce złożone mogą być ukształtowane czasowo (na przykład rytmiczne błyski, dźwięki), przestrzennie (rozmieszczenie elementów figur geometrycznych) lub jakościowo (mieszanina różnych zapachów, brzmienie akordu tonów). Ze względu na pochodzenie wyróżnia się bodźce eksteroceptywne, których źródłem jest środowisko zewnętrzne, i bodźce interoceptywne, działające na receptory wewnątrz organizmu. Odrębną grupę stanowią bodźce proprioceptywne. Działają one wprawdzie na receptory w narządzie ruchu i narządzie równowagi, a więc wewnątrz organizmu, ale informacje przekazywane za ich pośrednictwem służą głównie do sterowania czynnościami lokomocyjnymi i orientowania się zwierząt w przestrzeni, czyli w środowisku zewnętrznym. Ze względu na rodzaj pobudzanych receptorów wyróżnia się bodźce wzrokowe, słuchowe, węchowe, smakowe, dotykowe, a zatem związane z określonymi rodzajami (modalnościami) czucia. Bodźce bólowe działają na specjalną klasę receptorów zwanych nocyceptorami. Bodźce mogą też odzwierciedlać charakter wzbudzanych lub zaspokajanych popędów. Do takich należą bodźce pokarmowe, seksualne. Wyróżnia się też bodźce emocjonalne, wywołujące strach lub agresję. Środowisko zewnętrzne jako źródło bodźców " ^ W środowisku, w którym żyją zwierzęta, znajdują się żywe organizmy lub ich ślady oraz przedmioty i zjawiska nieożywione, w tym topograficzne i klimatyczne. Wyróżnia się zatem środowisko ożywione (biotyczne) i nieożywione (abiotyczne). Bodźce środowiska ożywionego mogą pochodzić od osobników tego samego lub innego gatunku, w tym też od roślin. Takim bodźcem jest na przykład widok lub zapach ofiary albo pozostawione przez nią ślady. Formy zachowania i pozy 150 t przybierane przez inne osobniki tego samego gatunku, służące porozumiewaniu się, są nazywane wyzwalaczami społecznymi. Bodźcami środowiska nieożywionego są przede wszystkim czynniki astro- nomiczne, jak położenie Słońca, Księżyca i gwiazd. Niektóre zwierzęta, jak stawonogi, głowonogi i niektóre kręgowce, wykrywają kierunek polaryzacji światła pochodzącego z błękitu nieba i na tej podstawie oceniają aktualne położenie Słońca, nawet gdy zakrywają je chmury. Światło, a także stosunek jasnej do ciemnej części doby, jest synchronizatorem rytmów biologicznych. Ważnym źródłem bodźców jest ukształtowanie terenu. Zbiorniki wody (morza, rzeki, strumienie) stanowią źródło ciepła nocą, gdyż woda dzięki większemu ciepłu właściwemu zachowuje ciepło dłużej niż skały. Drgania mechaniczne lądu ostrzegają zwierzęta przed trzęsieniami ziemi, a fale infradźwiękowe (poniżej 16 Hz) w morzu - przed sztormem. Bodźce kluczowe i wyzwalacze Badania etologiczne doprowadziły do wyodrębnienia bodźców-czynników i bodź- ców-znaków, różniących się głównie sposobem uruchamiania reakcji ustroju. Bodźce-czynniki są prostsze, wywoływane przez nie reakcje pojawiają się natychmiast i zwykle trwają niewiele dłużej niż trwa bodziec. Do tej kategorii zalicza się bodźce wywołujące większość reakcji fizjologicznych. Bodźce-znaki są z reguły bardziej złożone i wysoce swoiste, odznaczają się szczególną konfiguracją. Inne, nawet zbliżone bodźce nie wyzwalają reakcji. Według koncepcji etologicznych bodźce-znaki odgrywają rolę w reakcjach instynktowych, uruchamianych przez mechanizmy wyzwalające. Bodźce-znaki nie wywołują reakcji bezpośrednio, lecz sygnalizują zwierzęciu właściwą okazję do jej wykonania, a zatem wyzwalają reakcję. Dlatego nazywa się je bodźcami wyzwalającymi. ,. t.. •..•:••• • •..•K,---.--*-..^ • •,••-, -,• ^-s . •:„.•,.<,•..;.• Bodźce wyzwalające dzieli się na bodźce kluczowe i tzw. wyzwalacze. Terminu „bodziec kluczowy" używa się na określenie ubocznych właściwości przedmiotów, jak cechy siedliska stanowiące sygnał do objęcia terytorium, sylwetka drapieżnego ptaka wyzwalająca ucieczkę i chowanie się, ślady pozostawione przez ofiarę. Choć uboczne, cechy te działają na właściwy mechanizm wyzwalający w sposób wysoce precyzyjny i „pasują" do niego jak klucz do zamka. Stąd tego rodzaju bodźce swoiste nazywa się bodźcami kluczowymi. Wyzwalacze są swoiste dla danego gatunku i ukształtowały się w procesie doboru naturalnego jako forma przekazywania informacji. Zalicza się do nich bodźce sygnalizujące niebezpieczeństwo czy rangę w grupie oraz wyzwalacze seksualne, na przykład widok samicy tego samego gatunku czy pieśń godowa u ptaków. Bodźce kluczowe i wyzwalacze sterują czynnościami popędowymi, ważnymi z punktu widzenia przeżycia osobnika i przetrwania gatunku. Bodźce te wyzwalają odpowiednie formy zachowania, działając na funkcjonalnie pojęty substrat, nazwany przez etologów mechanizmem wyzwalającym. Zwierzęta mają wrodzoną zdolność 151 rozpoznawania bodźców kluczowych i wyzwalaczy. Wyodrębnienie bodźca] kluczowego lub wyzwalacza odbywa się we właściwym układzie sensorycznym, > często już w obrębie receptorów. Na przykład receptory węchowe samców wielu owadów reagują swoiście na feromony wydzielane przez samice swojego gatunku. Zmysły Zmysłem nazywa się zdolność zwierząt i ludzi do odbioru określonych kategorii bodźców (inaczej mówiąc - bodźców w zakresie określonej modalności czueio^j wej). Zdolność ta jest uwarunkowana istnieniem narządu zmysłu, dróg przewo- dzących impulsy nerwowe z narządu zmysłu do mózgu i ośrodków mózgowych, do których trafia informacja z danego narządu zmysłu. Tradycyjnie wyróżnia się u ludzi pięć zmysłów - wzrok, słuch, dotyk, węch i smak. Podział ten nie uwzględnia czucia temperatury, czucia równowagi i czucia głębokiegoj U zwie- rząt znane są zmysły, które nią mają odpowiedników u człowieka. Na przykład ryby, niektóre płazy i owady mają zmysł linii bocznej (nabocznej), odbierający informacje o prądach wody lub powietrza. U niektórych węży występuje odrębny zmysł podczerwieni, związany ze swoistymi receptorami wrażliwymi na fale elektromagnetyczne dłuższe niż fale charakterystyczne dla barwy czerwonej. Funkcjonowanie tego zmysłu nie polega na zdolności odczuwania temperatury, lecz na możliwości odbioru specjalnego zakresu promieniowania elektromag- netycznego. Narząd zmysłu składa się z receptorów, czyli właściwych elementów reagujących na bodźce, oraz aparatu dodatkowego, ułatwiającego zadziałanie bodźca na receptor.(Aparat dodatkowy jest szczególnie rozbudowany w narządzie wzroku w postaci skomplikowanego urządzenia, jakim jest gałka oczna. Natomiast prostym aparatem dodatkowym dysponuje zmysł dotyku. Za aparat ten można uważać elastyczne elementy przenoszące siły mechaniczne na zakończenia włókien czuciowych. Receptory w narządach zmysłów są szczególnie wrażliwe na adekwatne dla nich bodźce, na przykład fotoreceptory w siatkówce oka są pobudzane już przez pojedyncze kwanty światła. Pobudzenie narządu zmysłu wywołuje specyficzne zjawisko subiektywne, którego charakter nie zmienia się nawet wtedy, gdy narząd ten zostanie pobudzony bodźcem nieadekwatnym. Na przykład uderzenie w gałkę oczną powoduje wrażenie światła (popularnie zwane „gwiazdami w oczach"). Doznania wzrokowe mogą wystąpić także wskutek podrażnienia drogi wzrokowej przez proces chorobowy albo wskutek podrażnienia ośrodka wzrokowego kory mózgu podczas zabiegu neurochirurgicznego. Zjawisko to ujął Johann Miiller w prawo swoistej energii zmysłów, zgodnie z którym pobudzenie danego układu sensorycznego wywołuje specyficzny efekt subiektywny charakterystyczny dla tego układu, a nie dla rodzaju bodźca. Prawo to można sformułować inaczej: pobudzenie drogi sensorycznej wywołuje wrażenie w zakresie modalności czucia związanej z daną drogą, a nie z rodzajem działającego na nią bodźca. 152 Budowa i czynność receptorów [Receptorem nazywa się strukturę, w której w wyniku zadziałania swoistego bodźca, nawet o niewielkiej intensywności, powstaje stan czynny5/ W zależności od rodzaju bodźców pobudzających receptory wyróżnia się fotoreceptory (wrażliwe na światło), mechanoreceptory (pobudzane przez siły mechaniczne), termoreceptory (wrażliwe na ciepło i zimno), chemoreceptory (wrażliwe na bodźce chemiczne). Receptory mogą występować w wyspecjalizowanych narządach zmysłów (na przykład fotoreceptory w siatkówce oka), mogą też stanowić zakończenia włókien nerwowych w tkankach. :«• Niektóre receptory występują w postaci specjalnych komórek receptorowych, niekiedy zwanych, jak w narządzie słuchu, komórkami zmysłowymi.! Często jednak funkcję receptora pełni wydzielona początkowa część czuciowego włókna nerwowego, zwana częścią receptorową tego włókna. Jest ona pozbawiona osłonki mielinowejjale w przypadku mechanoreceptorów często jest otoczona elementami włóknistymi, które ułatwiają jej pobudzenie lub modyfikują sposób działania bodźca na receptor. - , - > Pobudzenie receptora Pod niektórymi względami proces pobudzenia receptora przebiega podobnie jak pobudzenie komórki nerwowej. Błona komórki receptorowej albo błona części receptorowej włókna nerwowego" jest spolaryzowana. Podobnie jak w neuronach, potencjał elektryczny wnętrza receptora jest ujemny w stosunku do otoczenia. W większości receptorów stan pobudzenia wyraża się óbnizenieni tego potencjału, czyli depolaryzacją błony komórkowej receptora. Wyjątkiem są fotoreceptory siatkówki kręgowców. Pobudzenie tych komórek jest związane za zwiększeniem ujemnego potencjału elektrycznego wnętrza, czyli hiperpolaryzacją błony komór- kowej. („Zmianę potencjału błony komórkowej pod wpływem bodźca nazywa się potencjałem receptorowym.! Jest on podobny do postsynaptycznego potencjału pobudzeniowego (EPSP) w neuronie. Jego amplituda jest zależna od siły bodźca, jednak w sposób nieliniowy. Słaby bodziec mechaniczny powoduje stosunkowo znaczną depolaryzację błony, natomiast w miarę zwiększania siły bodźca dalszy przyrost amplitudy potencjału depolaryzacyjnego jest coraz mniejszy. Proces pobudzenia receptora został najlepiej prześledzony w ciałku Paciniego, receptorze czucia wibracji występującym w głębokiej warstwie skóry. Receptor ten składa się z koncentrycznie ułożonych elastycznych włókien łącznotkankowych i umieszczonego w środku elementu pobudliwego - zakończenia nerwowego (rys. 5.1). Odkształcenie receptora powoduje deformację tego zakończenia, roz- ciągnięcie jego błony komórkowej i otwarcie kanałów sodowych. Przez otwarte kanały jony sodu wchodzą do środka, co prowadzi do depolaryzacji błony t,.-, 5 W fizjologii termin „receptor" odnosi się do dwóch różnych pojęć: narządu odbierającego bodźce i miejsca działania przekaźnika w komórce. 153 Receptor / Potencjał / receptorowy F l \ l l l l l l \ M l i i i l i l l l li Na+ Osłonka Osłonka mielinowa mielinowa miiiiu/iiiiiiii Włókno nerwowe Impulsy nerwowe Rys. 5.1. Pobudzenie receptora. Kodowanie analogowe i cyfrowe siły bodźca. \, Kodowanie v analogowe Siła E=^. Amplituda bodźca potencjału ^—«..«-!' 'i.'- \ \ receptora. Gdy depolaryzacja przekroczy wielkość progową, powoduje to przepływ prądu elektrycznego między zdepolaryzowanym miejscem włókna a pierwszym przewężeniem Raiwiera. Wyraża się to powstaniem potencjału czynnościowego. Częstość potencjałów czynnościowych wzrasta proporcjonalnie do wzrostu depo- laryzacji błony. Siła bodźca zostaje więc najpierw zakodowana w sposób analogowy jako różna amplituda potencjału receptorowego, a następnie w sposób cyfrowy jako różna częstość potencjałów czynnościowych.! Tak powstałe potencjały czynnościowe są następnie przewodzone przez włókno nerwowe do ośrodka czuciowego. ; ••••-. . <% > • •. , , •* ''•'•: Adaptacja receptorów Potencjał receptorowy, a tym samym pobudzenie receptora, z reguły nie utrzymuje się na jednakowym poziomie mimo stałej intensywności bodźca. Pobudzenie to jest najsilniejsze na początku działania bodźca i zmniejsza się w miarę jego działania. Mówi się zatem, że receptor ulega adaptacji^ O adaptacji receptorów dotyku można się łatwo przekonać, dotykając skóry ręki jakimś przedmiotem. Najwyraźniej czujemy przykładanie i odrywanie przedmiotu, słabiej natomiast stały nacisk przedmiotu na skórę. Różny przebieg adaptacji pozwolił wyodrębnić dwa rodzaje receptorów - receptory fazowe, czyli szybko się adaptujące, i receptory toniczne, czyli adaptujące się wolno. Pierwsze są pobudzane tylko na początku zadziałania bodźca i w momencie jego ustąpienia, drugie przez cały czas trwania bodźca, ale pobudzenie to stopniowo maleje^ (rys. 5.2). Adaptacja zależy od dwóch czynników - od właściwości samegćTreceptora, tj. od jego elementu pobudliwego - receptorowej części włókna nerwowego lub komórki zmysłowej, i od właściwości dodatkowych elementów wpływających na działanie bodźca na receptor. W niektórych mechanoceptorach występują włókna tkanki łącznej, tworzące osłonę właściwego receptora. Taką torebkę ma ciałko Paciniego w skórze, wrażliwe na wibracje. Stosując technikę rejestracji potencjału receptorowego za pomocą mikroelektrody wprowadzonej do zakończenia włókna 154 Rys. 5.2. Zjawiska elektryczne we włóknie nerwowym w przypadku pobudzenia receptora wolno i szybko się adaptującego. Bodziec Potencjał receptorowy l IIIMMIII l l •«— Impulsy we włóknie Receptor Włókno nerwowe Bodziec Potencjał receptorowy Impulsy we włóknie ,- | ~\ Potencjał ,-, receptorowy | \ Wolna adaptacja receptora . j\ Impulsy we włóknie Szybka adaptacja receptora nerwowego stwierdzono, że potencjał ten pojawia się na początku i na końcu działania bodźca mechanicznego na receptor. Wynik taki otrzymuje się jednak tylko przy nieuszkodzonej torebce łącznotkankowej receptora. Natomiast po usunięciu torebki łącznotkankowej, przy stałym działaniu bodźca obserwuje się powolny spadek amplitudy potencjału receptorowego. Aby utrzymać stały poziom pobudzenia receptora fazowego (adaptującego się szybko), trzeba stopniowo zwiększać siłę bodźca. To właśnie sprawia, że szybko adaptujące się receptory dotykowe reagują na bodźce o narastającej sile, powodu- jącej stopniowe pogłębianie się odkształcenia skóry. Z tego powodu zostały nazwane detektorami szybkości ruchu źródła bodźca. Psychofizyczny pomiar intensywności bodźców Przedstawiony powyżej mechanizm pobudzenia receptorów pozwala na następującą [klasyfikację bodźców ze względu na ich siłę: 1. Bodziec podprogowy - bodziec o tak małej intensywności, że albo nie pobudza receptora, albo pobudza, ale indukowany przez niego potencjał receptorowy ma zbyt małą amplitudę, by mógł spowodować generację potencjału czynnoś- ciowego. 2. Bodziec progowy - bodziec o najmniejszej intensywności; w wyniku jego działania dochodzi w receptorze do generacji potencjałów czynnościowych o niewielkiej częstości. 3. Bodziec nadprogowy - bodziec silniejszy od progowego, indukujący w recep- torze potencjał receptorowy o zmiennej zależnej od siły bodźca amplitudzie; pod wpływem tego potencjału są wytwarzane potencjały czynnościowe o częs- tości proporcjonalnej do amplitudy potencjału receptorowego. 4. Bodziec maksymalny - bodziec nadprogowy, który powoduje, że w receptorze są generowane potencjały czynnościowe o maksymalnej amplitudzie. Dalsze zwiększanie siły bodźca nie ma już wpływu na pobudzenie receptora. Bodźce o takiej intensywności nazywa się supramaksymalnymi. 155 Sposób określania intensywności bodźca w jednostkach fizycznych, stosowany w badaniach właściwości pojedynczych receptorów, jest mało użyteczny w psycho- logii i medycynie, ponieważ pobudliwość receptorów i ośrodków sensorycznych nie jest stała, lecz zależy od wielu czynników. Dlatego różni badacze starali się opracować kryteria, pozwalające mierzyć siłę bodźców w kategoriach fizjologicz- nych, tj. wielkością powodowanych przez te bodźce zmian czynnościowych w organizmie. W badaniu czucia kryterium działania bodźca jest sprawozdanie słowne badanego o spostrzeżeniu bodźca, lecz także zjawisko obiektywne, na przykład pojawienie się potencjału wywołanego we właściwym polu projekcyjnym kory mózgu. Za bodziec progowy uważa się wówczas najsłabszy bodziec spostrzegany przez badanego lub wywołujący obserwowaną reakcję. Bodźce nadprogowe wywołują efekt proporcjonalny do intensywności bodźca. Intensywność pobudzenia wielu receptorów jest proporcjonalna do logarytmu intensywności bodźca gdzie e oznacza wielkość pobudzenia receptora, 5 - siłę bodźca nadprogowego, Sp - siła bodźca progowego, k - współczynnik proporcjonalności. Na podstawie tej zależności skonstruowano decybelową skalę służącą okreś- laniu intensywności bodźców akustycznych. Innym problemem jest zdolność oceny różnic intensywności siły bodźców nadprogowych. Jeszcze w XIX wieku zostało sformułowane matematycznie prawo Webera-Fechnera. Pierwszy Ernst H. Weber ustalił, że człowiek jest zdolny ocenić nie absolutną wielkość zmiany intensywności bodźca (AI), lecz stosunek tej zmiany do początkowej wielkości bodźca AI/I (tzw. ułamek Webera). Jeżeli więc potrafimy odróżnić ciężar 30 i 31 gramów, będziemy również odróżniać 60 i 62 gramów, bo stosunek AI do / wynosi w obu przypadkach 1/30. Później Gustaw T. Fechner w miejsce ułamka Webera wprowadził wzór: w którym S oznacza intensywność czucia, 7 - intensywność początkową bodźca, AI - zmianę intensywności bodźca, k - współczynnik proporcjonalności. Ponieważ odczuwanie różnic w intensywności bodźców często okazuje się niezgodne z prawem Webera-Fechnera, a na podstawie badań elektrofizjologicznych stwierdzono, że logarytmiczna zależność między siłą bodźca a wielkością pobudzenia dotyczy tylko niektórych receptorów, poszukiwano innych korelacji między obiektywną różnicą między bodźcami a subiektywną oceną tej różnicy. S.S. Stevens zaproponował następujący wzór: ^ : Y = k(ę-ę0T ' . gdzie f oznacza odczucie siły bodźca (od gr. v|/u%rj, psyche - dusza), (p - intensywność nadprogową, ę„ - intensywność podprogową bodźca (od gr. '•-'"- .'.'••:' '' • ' (' '' ' , ' Budowa dróg czuciowych t Pojęcie drogi sensorycznej obejmuje nie tylko konkretny nerw czuciowy, lecz także cały łańcuch neuronów i ośrodków nerwowych uczestniczących w przekazy- waniu informacji z danego narządu zmysłu do kory mózgu. Większość dróg sensorycznych, poczynając od receptora aż do kory, składa się z trzech etapów (rys. 5.3). Na każdym etapie impulsy nerwowe przechodzą przez jeden neuron. Na pierwszym etapie pobudzenie obejmuje neuron I rzędu. Neuron ten na dwie wypustki - centralną, która kontaktuje się z neuronem II rzędu, i obwodową, ' Percepcja, pamięć bodźców Czucie, proste wrażenia Integracja informacji lir ' Okolice korowe, asocjacyjne Okolica korowa projekcyjna (pierwotna) Ośrodek podkorowy Rys. 5.3. Ogólny schemat drogi sensorycznej i miejsca realizacji kolejnych etapów procesów poznawczych. -4 Wstępne opracowanie informacji Ośrodek rdzeniowy lub w pniu mózgu Wypustka centralna Komórka zwojowa (neuron I) Recepcja Wypustka obwodowa Receptor lub komórka zmysłowa . 157 biegnącą do narządu odbiorczego. Zakończenie wypustki obwodowej może być właściwym receptorem (jak w receptorach dotyku) lub kontaktuje się z odrębną komórką receptorową (jak w narządzie słuchu). Neuron I rzędu doprowadza impulsy do ośrodka w rdzeniu przedłużonym albo w pniu mózgu. W ośrodku tym znajdują się neurony II rzędu. Aksony neuronów II rzędu biegną do podkorowego ośrodka sensorycznego i tworzą połączenia z neuronami III rzędu. Aksony neuronów III rzędu dochodzą do odpowiedniej okolicy sensorycznej w korze mózgu. Ciała komórkowe neuronów czuciowych I rzędu są skupione w zwojach, które należą do obwodowego układu nerwowego. Takimi zwojami dla nerwów rdzenio- wych są zwoje rdzeniowe, dla nerwu trójdzielnego zwój trójdzielny (Gassera), dla nerwu ślimakowego zwój spiralny ślimaka i dla nerwu przedsionkowego - zwój przedsionkowy. Inaczej jest w układzie węchowym i wzrokowym, które nie mają wyodrębnionych zwojów, ponieważ ciała (perykariony) komórek czuciowych I rzędu tych układów znajdują się w obrębie odpowiednich narządów zmysłów. W układzie wzrokowym neuronami I rzędu są komórki zwojowe siatkówki, a w układzie węchowym neurony, których ciała komórkowe znajdują się w nabłonku węchowym w górnej jamie nosowej. Odrębność ta decyduje o zasadniczej różnicy budowy nerwu wzrokowego i węchowego w stosunku do pozostałych nerwów. Otóż w skład wszystkich nerwów, z wyjątkiem dwóch pierwszych nerwów czaszkowych, wchodzą wypustki obwodowe neuronów czuciowych I rzędu, które są funkcjonalnie dendrytami, ponieważ przewodzą impulsy ku ciału komórki. Nerw węchowy i nerw wzrokowy natomiast są utworzone przez wypustki centralne neuronów I rzędu, czyli aksony w sensie anatomicznym i funkcjonalnym. W użyciu są dwa systemy klasyfikacji włókien nerwowych. Według klasyfi- kacji ogólnej wyróżnia się włókna mielinowe, oznaczone literą A, i włókna bezmielinowe, oznaczone literą C. W grupie A wyróżnia się włókna od najgrubszych do najcieńszych: Aa, Ap, Ay i A8. Podział ten obejmuje zarówno włókna czuciowe, jak i ruchowe i wegetatywne (tab. 5.1). ;, s , ,, Tabela 5.1. Rodzaje włókien czuciowych Podział na grupy I-IV Podział na grupy A-C Średnica (szybkość przewodzenia) Czynność lub rodzaj unerwianych receptorów la Aa 17 urn (120 m/s) Zakończenia pierścieniowo-spiralne wrzecion mięśniowych Ib 16 urn (90 m/s) Receptory ścięgnowe II AP Ay 8 urn (60 m/s) (30 m/s) Precyzyjne czucie dotyku; zakończenie bukietowe wrzecion mięśniowych III A8 3 urn (10 m/s) Czucie temperatury, nieprecyzyjne czucie dotyku, bół kłujący IV C < 2 urn (1 m/s) Ból piekący, nieprecyzyjne czucie dotyku, czucie temperatury 158 Inny podział, mający zastosowanie tylko wobec włókien czuciowych i to przeważnie unerwiających receptory mięśniowe i ścięgnowe, rozróżnia pięć grup, oznaczonych symbolami la, Ib, II, III i IV. Przebieg impulsów na kolejnych etapach drogi czuciowej W skład drogi czuciowej (wzrokowej, słuchowej, czucia dotyku) wchodzą ośrodki czuciowe o częściowo hierarchicznej organizacji, które niejako rozgraniczają poszczególne etapy przenoszenia informacji. W ośrodkach tych odbywa się nie tylko proste przekazywanie impulsów z neuronu do neuronu wyższego rzędu, lecz także przetwarzanie informacji przepływających w sieciach nerwowych. Najprostszy rodzaj przetwarzania informacji opiera się na zjawiskach konwer- gencji i dywergencji połączeń nerwowych. Konwergencja połączeń występuje, gdy do jednego neuronu dochodzą impulsy z wielu źródeł; na przykład jedna komórka zwojowa siatkówki jest pobudzania przez wiele fotoreceptorów. W wyniku konwergencji może dojść do przestrzennego sumowania się pobudzeń pod- progowych. Dywergencja połączeń występuje wtedy, gdy w danym ośrodku podkorowym pobudzenie zostaje przekazane z jednego neuronu do kilku neuronów i aksony tych neuronów tworzą różne drogi nerwowe. W taki sposób część informacji sensorycznej może dochodzić do ośrodków poza danym układem sensorycznym, na przykład do móżdżku. Również w tym samym ośrodku jeden akson może unerwiać niektóre komórki za pośrednictwem dostatecznie licznych synaps, aby spowodować ich pełne pobudzenie, a zarazem może unerwiać inne komórki za pośrednictwem niewielu synaps i pobudzać je tylko podprogowo. W piewszym przypadku mamy do czynienia z tzw. unerwieniem pobudzającym, w drugim - z unerwieniem torującym (facylitującym). Jeszcze inne odgałęzienia aksonu mogą działać na neurony hamująco. , ' Skutki bodźca mogą się utrzymywać dłużej niż czas jego bezpośredniego działania. Oparte jest to m.in. na zjawisku rewerberacji, które polega na tym, że każdy przychodzący impuls wyzwala krążenie impulsów w zamkniętych kręgach neuronalnych. Krąg taki jest utworzony przez zamknięty łańcuch kolejno pobudza- jących się neuronów, a zatem utrzymywanie się w nim impulsacji jest oparte na dodatnim sprzężeniu zwrotnym. Tak powstające impulsy są przekazywane do innych ośrodków. Rewerberacja zapewnia stałość pobudzenia ośrodka czuciowego mimo zmiennego dopływu impulsów z receptorów. Kodowanie siły bodźca opiera się na różnej częstości impulsów we włóknach nerwowych i różnej liczbie pobudzonych włókien. Liczba impulsów, jakie mogą przejść przez włókno nerwowe w jednostce czasu, jest ograniczona okresem refrakcji tego włókna, a zatem pierwszy mechanizm kodowania funkcjonuje jedynie w przypadku bodźców słabszych od maksymalnego. Siła bodźca supramaksymalne- go może być kodowana za pomocą różnej liczby pobudzonych włókien nerwowych. Precyzję odbieranej informacji sensorycznej (ostre widzenie kontrastów, zdolność wyróżniania dwóch miejsc pobudzenia receptorów dotyku) zwiększa 159 mechanizm hamowania obocznego. Zjawisko to polega na wzajemnym od- działywaniu hamującym neuronów położonych blisko siebie. W fizjologii układów sensorycznych ważną rolę odgrywa pojęcie pola recepcyjnego. Odnosi się ono zwłaszcza do narządów, w których można wydzielić powierzchnię recepcyjną, a więc do skóry (zmysł dotyku) i siatkówki oka. Każdy element drogi sensorycznej otrzymujący impulsy - bezpośrednio lub pośrednio - z takiego narządu ma pole recepcyjne. Na przykład polem recepcyjnym włókna czuciowego jest cały obszar skóry unerwiony przez to włókno. Polem recepcyjnym komórki zwojowej siatkówki jest obszar siatkówki, którego oświetlenie oddziałuje pobudzająco lub hamująco na tę komórkę. Pola recepcyjne w obrębie siatkówki mają komórki ciała kolankowatego bocznego - podkorowego ośrodka wzroku, a także neurony kory mózgu. Organizacja ośrodków sensorycznych kory mózgu Włókna nerwowe w drogach sensorycznych przebiegają w sposób uporządkowany, odzwierciedlający topografię narządu recepcyjnego. Najwyższy ośrodek podkorowy, jakim w układzie wzrokowym jest ciało kolankowate boczne, w układzie słuchowym ciało kolankowate przyśrodkowe, w układzie zaś czucia somatycznego jądra w podstawnej części wzgórza, wysyła aksony do swoistego pola sensorycznego kory mózgu, zwanego okolicą projekcyjną (albo pierwotną) dla danego rodzaju czucia (modalności czuciowej). W okolicach projekcyjnych jest precyzyjnie odwzorowany układ topograficzny narządu recepcyjnego - siatkówki (wzrok), narządu Cortiego (słuch) i obszaru ciała (dotyk, czucie głębokie). Mówi się zatem, że narządy te mają w odpowiednich obszarach kory reprezentację topograficzną: retinotopową (wzrok), tonotopową (słuch) i somatotopową (dotyk i czucie dotyku). Z okolicami projekcyjnymi sąsiadują obszary asocjacyjne, których organizacja topograficzna jest mniej wyraźna. U naczelnych najbardziej rozbudowane są asocjacyjne obszary wzrokowe. Ich lokalizacja wykracza poza płat potyliczny, w którym znajduje się wzrokowa okolica projekcyjna. Najlepiej dotychczas zbadanym układem sensorycznym jest układ wzrokowy i na organizacji tego właśnie układu opierają się próby wyjaśnienia fizjologicznych mechanizmów percepcji. Główne cechy tej organizacji są następujące: 1. W korowych polach wzrokowych znajdują się neurony reagujące nie na plamki świetlne, lecz na bodźce wzrokowe o różnym stopniu złożoności, przeważnie stanowiące elementy figur geometrycznych (linie, krawędzie, krzywizny). Dane te wskazują, że rozpoznawanie przedmiotów opiera się na całościowym odbiorze informacji, a nie na analizie rozkładu poszczególnych punktów obrazu. 2. Informacja wzrokowa podlega opracowaniu w sposób rozdzielny w wielu obszarach asocjacyjnych, tzn. cechy fizyczne przedmiotów (barwa, kształt) są analizowane w płacie skroniowym, a cechy przestrzenne (miejsce w otoczeniu, ruch, kontekst) - w płacie ciemieniowym. 3. Ostateczny proces percepcyjny polega na scaleniu wyników tej analizy, przy zaangażowaniu obu półkul mózgu. Mechanizm fizjologiczny tego procesu nie 160 jest znany. Zaburzenia percepcji i uwagi wzrokowej po uszkodzeniach lewego płata ciemieniowego wskazują na rolę struktur ciemieniowych i ich połączeń z płatem czołowym w tym procesie. 4. Organizacja układu wzrokowego podlega procesowi rozwojowemu we wczesnym okresie po urodzeniu. Dla powstania właściwych połączeń neuronalnych w ośrodkach wzrokowych konieczna jest odpowiednia stymulacja sensoryczna. Mechanizmy percepcji, choć uwarunkowane genetycznie, wykształcają się zatem w konfrontacji z bodźcami środowiska. Podobną organizacją odznaczają się inne układy sensoryczne, głównie czucia somatycznego. O roli różnych obszarów kory mózgu w czynnościach poznawczych można sądzić na podstawie zaburzeń występujących u ludzi w wyniku chorobowych lub urazowych uszkodzeń mózgu. Gdy proces toczy się w obrębie okolicy projekcyjnej, upośledzeniu ulega powstawanie prostych, jednostkowych wrażeń. Następuje na przykład upośledzenie czucia dotyku w przypadku uszkodzenia kory czuciowej albo tzw. ślepota duchowa w wyniku uszkodzenia kory wzrokowej. Proste wrażenia nie ulegają zaburzeniom po uszkodzeniu pola asocjacyjnego kory, natomiast niemożliwe jest wtedy rozpoznanie przedmiotu na podstawie tych wrażeń. Tego typu zespoły objawów nazywa się agnozjami. Oprócz obszarów asocjacyjnych dla poszczególnych rodzajów czucia, tzw. unimodalnych, istnieją jeszcze obszary asocjacyjne multimodalne (polimodalne), do których dochodzą przetworzone informacje ze wszystkich układów sensorycz- nych. Takimi obszarami są: biegun płata skroniowego, zakręt przyhipokampowy, zakręt obręczy i zakręty oczodołowe. Multimodalne obszary asocjacyjne mają połączenia z hipokampem i uczestniczą w mechanizmie pamięci. 6. Czucie somatyczne i czucie równowagi -ł ' f / \_xzuciem somatycznym nazywa się zdolność odbioru i przetwarzania informacji ^pochodzących z powierzchni i wnętrza ciała. Do czucia somatycznego zalicza się czucie powierzchniowe (skórne), czucie głębokie (proprioceptywne) i czucie trzewne. Czucie powierzchniowe obejmuje czucie dotyku i czucie termiczne. Czucie głębokie, a częściowo również czucie dotyku, odgrywa ważną rolę w mechanizmach czynności ruchowych, m.in. dostarcza informacji o ułożeniu kończyn oraz o zamierzonych i aktualnie wykonywanych ruchach. Ponieważ w kontroli ruchów bierze również udział narząd przedsionkowy, który jest także ważnym regulatorem napięcia mięśniowego, czucie równowagi jest często uważane za rodzaj czucia proprioceptywnego. Do czucia somatycznego należy też czucie bólu. Ból jest odrębnym zagad- nieniem, wykraczającym poza tematykę funkcjonowania układów sensorycznych, dlatego jest oddzielnie omawiany w rozdziale 10. Czucie powierzchniowe Skóra składa się z naskórka i skóry właściwej. Skóra właściwa dzieli się na "warstwę brodawkowatą, podbrodawkowatą i siateczkowatą. Warstwa siateczkowata, najgłębsza, graniczy z tkanką podskórną. Warstwa brodawkowatą ma uwypuklenia zwane brodawkami. Brodawki te stykają się z głęboką warstwą naskórka, w której tworzą odpowiadające im wgłębienia (rys. 6.1). Rozróżnia się skórę nieowłosioną (głównie na dłoniach i stopach) i owłosioną. l Skóra jest narządem wielofunkcyjnym. Jedną z jej czynności jest odbieranie (recepcja) bodźców otoczenia. Czynność tę skóra wykonuje dzięki swoim receptorom, reagującym na bodźce mechaniczne, termiczne i bólowe. Pobudzenie tych receptorów jest podstawą czucia powierzchniowego (skórnego), w obrębie którego wyróżnia się czucie dotyku, ciepła, zimna i bólu. Receptory czucia powierzchniowego znajdują się w naskórku, w skórze właściwej i wokół mieszków włosowych. Właściwości tych receptorów przedstawia tabela 6.1. 162 • ,' '> • ' Rys, 6.1. Rozmieszczenie receptorów w skórze; Ap, Ay i C - włókna nerwowe. Receptory zimna Krążek NASKÓREK Warstwa Ciałko / brodawkowata Meissnera , AS J SKÓRA WŁAŚCIWA Receptory ciepła <—> c—>. y7 AP Zakończenia Ruffiniego Ciałko Paciniego Warstwa siateczkowata Tabela 6.1. Receptory czucia powierzchniowego Receptor Miejsce występowania Rodzaj czucia Włókna Adaptacja Wolne zakończenia nerwowe Naskórek, skóra . -o właściwa foJP0^^^ ,i. Temperatura, ból id-';"'.1' i A8, C Bardzo wolna Ciałka Paciniego Skóra właściwa Dotyk, wibracje 250-300 Hz AP Bardzo szybka Krążki Merkela Głęboka warstwa naskórka -J ••.-.'. «:>. 'i?oA? Dotyk, nacisk AP wolna iffttC j>fU Ciałka Meissnera Granica między naskór- kiem a skórą właściwą Dotyk, wibracje 30-40 Hz AP szybka l Zakończenia Ruffiniego Skóra właściwa Dotyk, nacisk Ap wolna Koszyczki okotomieszkowe Mieszki włosowe w skórze owłosionej Lekki dotyk, wibracje 30-40 Hz AP szybka l Ct Receptory dotyku oko. Receptory dotyku są mechanoreceptorami, reagującymi na bodźce mechaniczne. Właściwości funkcjonalne receptorów dotyku zależą od szybkości ich adaptacji (Bell i wsp., 1994). Receptory adaptujące się wolno reagują na bodźce stacjonarne, tzn. na stale przyłożoną siłę, tak długo, jak długo trwa działanie tej siły, wykrywają zatem miejsce działania bodźca. Takimi właściwościami odznaczają się krążki Merkela. Najsilniejsze ich pobudzenie występuje na początku zadziałania bodźca, 163 potem w osłabionej formie utrzymuje się tak długo, jak długo trwa bodziec. W badaniach psychofizycznych wykazano, że taki rozkład pobudzenia receptora dotyku jest optymalny dla rozpoznawania liter alfabetu Braile'a dla niewidomych (Phillips i wsp., 1990). Podobnie wolną adaptacją odznaczają się zakończenia Ruffiniego. Krążki Merkela występują w głębokiej warstwie naskórka, zwłaszcza opuszek palców i warg. Niekiedy komórki te tworzą skupienia uwypuklające naskórek, zwane kopułkami Iggo. Miejsca kopułek odznaczają się znaczną wrażliwością na dotyk. Receptorami wykrywającymi stosunkowo wolne zmiany siły bodźca są ciałka Meissnera występujące, jak krążki Merkela, w głębokiej warstwie naskórka. Za ich pośrednictwem otrzymujemy informacje o ruchu przedmiotu przesuwającego się po powierzchni skóry. Ciałka Meissnera reagują na wibracje o niskiej częstotliwości (poniżej 40 Hz). Ulegają adaptacji po upływie około sekundy od zadziałania bodźca. Informacja z ciałek Meissnera jest wykorzystywana przy podnoszeniu ciężkich przedmiotów; umożliwia zastosowanie takiej siły uchwytu, by przedmiot nie ślizgał się w rękach (Westling i Johansson, 1987). Podobnym przebiegiem adaptacji odznaczają się koszyczki okołomieszkowe. Receptory te reagują na odchylanie włosów, na przykład podczas przesuwania ręką po głowie „pod włos". I wreszcie receptory, do których adaptacji dochodzi już po upływie ułamka sekundy od zadziałania bodźca, są zdolne do reagowania tylko na bodźce krótkotrwałe lub o szybko zmieniającym się natężeniu, na przykład na wibracje 0 częstotliwości kilkuset Hz, a więc słyszalne dla człowieka (Talbot i wsp., 1968). Takimi receptorami są ciałka Paciniego. Odchodzące od nich włókna wykazują stan pobudzenia tylko na początku bodźca i w momencie zakończenia jego działania. Ciałka Paciniego reagują na przesuwanie palcem po chropowatej powierzchni i umożliwiają ocenę, czy jest ona gładka, czy szorstka. W ten sposób można dotykiem rozpoznać gradację papieru ściernego (Johnson i Hsiao, 1994). Wymienione powyżej receptory dotyku są wyspecjalizowanymi narządami odbiorczymi i mają torebki, których elastyczne właściwości wpływają na charak- terystykę pobudzenia receptora. Pobudzenie to jest przekazywane do ośrodków włóknami mielinowymi grupy Ap o znacznej szybkości przewodzenia impulsów 1 krótkim okresie refrakcji, co zapewnia dużą precyzję przenoszenia informacji. Na bodźce mechaniczne są też wrażliwe niektóre wolne zakończenia nerwowe. Czucie odbierane przez te receptory ma charakter łaskotania i swędzenia. Występuje ono na przykład podczas poruszaniu się owadów na powierzchni skóry. Impulsy tego czucia są przekazywane do ośrodków włóknami bezrdzennymi C. ' "l ' '» Receptory termiczne . '. >*' 'Ł i'4. Czuciem termicznym nazywa się zdolność odczuwania ciepła i zimna. Wśród receptorów temperatury (termoreceptorów) wyróżnia się receptory zimna, wy- stępujące w płytkiej warstwie skóry właściwej na granicy z naskórkiem, i receptory ciepła, położone głębiej. W zależności od obszaru ciała receptorów zimna jest 3-10 razy więcej niż receptorów ciepła. W wyniku działania temperatury bardzo niskiej i bardzo wysokiej są pobudzane receptory bólowe. Receptory temperatury występują szczególnie obficie w skórze warg i opuszek palców. i 164 Rys. 6.2. Pobudzenie receptorów ciepła i zimna oraz receptorów bólowych w zależności od temperatury skóry. % 100- o- Receptory zimna Receptory bólowe ~ Receptory bólowe Receptory ciepła / 10 l 20 30 40 50 l 60°C Do pobudzenia receptorów termicznych konieczna jest wymiana ciepła między skórą i dotykającym ją przedmiotem. Jeżeli ciepło przepływa ze skóry na zewnątrz, odczuwamy zimno, i odwrotnie - gdy ciepło napływa do skóry, odczuwamy ciepło. Przedmiot metalowy wydaje nam się zimny, ponieważ metal jako dobry przewodnik ciepła szybko odprowadza je ze skóry. Taki sposób reagowania termoreceptorów skóry powoduje, że nasze odczucie ciepła i zimna odzwierciedla nie absolutną temperaturę przedmiotu, lecz różnicę między temperaturą skóry a temperaturą przedmiotu. Na przykład po włożeniu ciepłej ręki do wody o temperaturze 22°C odczuwamy, że woda jest chłodna. Jeśli jednak uprzednio zanurzymy rękę w wodzie zimniej szej, wówczas woda o temperaturze 22°C wyda się nam ciepła. Badaniami elektrofizjologicznymi stwierdzono, że receptory zimna reagują na temperaturę od 12 do 35°C, ze szczytem aktywności przy 25°C. Oznacza to, że ochładzanie skóry od 35 do 25°C powoduje wzrost, a od 25 do 12°C - spadek aktywności receptorów zimna. Receptory ciepła reagują na ogrzewanie w zakresie 30-50°C. A zatemjpomżej 30°C są pobudzane tylko receptory zimna, powyżej 30°C tylko receptory ciepła, a w zakresie od 30 do 35 °C - oba rodzaje receptorów. Poniżej 12 i powyżej 50°C ulegają pobudzeniu receptory bólowej. Wysoka temperatura w pewnym stopniu pobudza - paradoksalnie - receptory zimna, co odczuwamy jako krótkie wrażenie chłodu po zanurzeniu ręki w gorącej wodzie (rys. 6.2). Impulsy wywołane pobudzeniem receptorów zimna są przewodzone w nerwach głównie włóknami A8, a receptorów ciepła - głównie włóknami C. Czucie głębokie Czucie głębokie (proprioceptywne) powstaje w wyniku pobudzenia receptorów ~w~narządzie ruchu. Receptory te są umiejscowione w mięśniach, ścięgnach, torebkach stawowych i więzadłach. Czucie głębokie dzieli się na czucie mięśniowe, pochodzące z receptorów w mięśniach i ścięgnach, czucie kinestetyczne (kinestezję), polegające na odczuwania ułożenia części ciała oraz ich ruchu, a także czucie ciężaru, oporu i siły przeciwstawiającej się ruchom. W czuciu kinestetycznym 165 odgrywa również rolę informacja z receptorów dotyku w skórze w pobliżu stawowi gdy skóra ta jest rozciągana w wyniku zmian położenia kończyny. Czucie głębokie jest źródłem informacji dla ośrodków ruchowych o aktualnym stanie narządu ruchu. Na czuciu głębokim opiera się też percepcja ruchu, ułożenia kończyn, stereognozja i rozpoznawanie obejmowanych ręką przedmiotów. Receptory mięśniowe i ścięgnowe znajdują się we wrzecionach mięśniowych i w narządach ścięgnowych Golgiego. Oba rodzaje receptorów są wrażliwe na siły rozciągania. Szczególnie liczne wrzeciona występują w mięśniach dłoni, stóp i karku. Pochodzące z nich informacje służą kontroli drobnych ruchów, są także źródłem precyzyjnego odczuwania ułożenia tych części ciała. j Obfite unerwienie czuciowe mają torebki stawowe. Występują tu cztery rodzaje receptorów: 1. Małe wolno adaptujące się receptory podobne do zakończeń Ruffiniego w skórze, unerwione przez cienkie włókna mielinowe; są wrażliwe na siły rozciągania. 2. Szybko adaptujące się receptory, podobne do ciałek Paciniego w skórze; przekazują pobudzenie do włókien mielinowych średniego kalibru.^ ^\'S?'9 3. Wolno adaptujące się receptory, podobne do narządów Golgiego w ścięgnach; występują w więzadłach przyczepionych do torebki stawowej.^ 71 4. Wolne zakończenia nerwowe] ^ Wolno adaptujące się receptory są pobudzane w wyniku różnego stopnia "zginania kończyny w stawie, najbardziej jednak przy zgięciu maksymalnym (0°) i wyprostowaniu (180°). Natomiast przy pośrednim położeniu kończyny (pomiędzy 0 i 180°) główną rolę w odczuwaniu jej ułożenia odgrywają receptory mięśniowe 1 receptory dotykowe w skórze koło stawu. Z kolei szybko adaptujące się receptory torebki stawowej (ciałka Paciniego) są pobudzane podczas ruchów kończyny w stawie. Dodatkowe informacje o tych ruchach pochodzą z mięśni, z których jedne kurczą się, a inne są aktualnie rozluźnione. W nerwach obwodowych impulsy czucia głębokiego biegną głównie we włóknach mielinowych, należących do grup AP i Ay. Krótki okres refrakcji tych włókien oraz znaczna szybkość przewodzenia impulsów decyduje o dużej precyzji odbieranego czucia. Ocena ruchu kończyny jest wynikiem integracji powyższych informacji w ośrodkach rdzenia kręgowego i ośrodkach mózgowych. Ważnym ośrodkiem integracyjnym czucia głębokiego są jądra czuciowe wzgórza.) Jedne neurony tego jądra reagują na pełne zgięcie kończyny w stawie (0°), inne - na pełne wypros- towanie (180°). Przy pośrednim ułożeniu kończyny występują reakcje obu tych typów neuronów w różnych proporcjach. Inne neurony wzgórza są aktywne podczas skręcania (rotacji) kończyny w stawie. Drogi i ośrodki czucia somatycznego Organizacja czucia somatycznego w obszarze tułowia i kończyn Droga czucia somatycznego ma organizację trzystopniową, to znaczy, że w jej skład wchodzą neurony I, II i III rzędu. 166 Włókna czuciowe biegnące w nerwach są pod względem funkcjonalnym dendrytami komórek rzekomojednobiegunowych (czyli neuronów I rzędu), znaj- dujących się w zwojach rdzeniowych (patrz s. 79). Wypustki centralne tych komórek, czyli pod względem funkcjonalnym aksony, mają różny przebieg w zależności od rodzaju przewodzonych impulsów czuciowych. Te, które przewodzą impulsy czucia głębokiego i precyzyjnego czucia dotyku, omijają istotę szarą i wchodzą w obręb sznurów tylnych rdzenia. Włókna niosące informację z dolnych części ciała tworzą przyśrodkowo położony pęczek smukły (fasciculus gracilis), włókna zaś niosące informacje z górnych części ciała wchodzą w skład bocznie biegnącego pęczka klinowatego (fasciculus cuneatus). Drogi te dochodzą od- powiednio do jądra smukłego (nucleus gracilis) i jądra klinowatego (nucleus cuneatus) w rdzeniu przedłużonym. Dlatego przedstawiona powyżej reprezentacja ciała w sznurach grzbietowych rdzenia jest zachowana również w powyższych jądrach i na dalszych etapach drogi czuciowej (rys. 6.3). W jądrach smukłym i klinowatym zakończenia aksonów neuronów I rzędu kontaktują się z neuronami II rzędu. Aksony neuronów II rzędu przechodzą na drugą stronę ciała i wchodzą w skład drogi zwanej wstęgą przyśrodkową (lemniscus medialis). Droga ta dochodzi do jądra brzusznego tylno-bocznego wzgórza. Inny przebieg mają wypustki centralne (aksony) komórek zwojowych, które przewodzą impulsy czucia temperatury, bólu i nieprecyzyjnego czucia dotyku. Aksony te wchodzą do istoty szarej rogu tylnego rdzenia kręgowego i tworzą tu synapsy z neuronami czuciowymi II rzędu. Aksony neuronów II rzędu przechodzą na przeciwną stronę rdzenia kręgowego i wchodzą w skład trzech dróg, biegnących Rys. 6.3. Rozmieszczenie dróg czuciowych w rdzeniu kręgowym i związane z nimi rodzaje czucia. , , • , . Precyzyjne czucie dotyku' Nieprecyzyjne czucie dotyku Czucie bólu i temperatury Precyzyjne czucie dotyku Nieprecyzyjne czucie dotyku Czucie bólu i temperatury Droga rdzeniowo- -wzgórzowa: boczna przednia Droga rdzeniowo- -siatkowa Sznury - "boczne 167 Jtys. 6.4. Dwa schematy unerwienia skóry tułowia i kończyn u człowieka. UNERWIENIE KORZENIOWE (ODCINKOWE) UNERWIENIE OBWODOWE w słupach bocznych i przednich. Są to: droga rdzeniowo-wzgorzowa boczna (tractus spinothalamicus lateralis), która przewodzi impulsy czucia bólu i tem- peratury, droga rdzeniowo-wzgorzowa przednia (tractus spinothalamicus anterior), przewodząca nieprecyzyjne czucie dotyku, i droga rdzeniowo-siatkowa (tractus spinoreticularis), przewodząca czucie bólu. Poszczególne części tułowia i kończyn są unerwione według dwóch schema- tów: unerwienia korzeniowego i unerwienia zgodnie z zasięgiem nerwów ob- wodowych. Oba schematy przedstawia rys. 6.4. Schemat korzeniowy odzwierciedla odcinkowy (segmentalny) układ budowy rdzenia kręgowego, charakterystyczny dla kręgowców. Według tego właśnie schematu układają się na skórze zmiany chorobowe w półpaścu, którego wirus atakuje zwoje rdzeniowe. Natomiast w przypadku uszkodzenia nerwu zaburzenia czucia obejmują obszar ciała unerwiony przez ten nerw. Organizacja czucia somatycznego w obszarze głowy Niemal cały obszar głowy jest unerwiony pod względem czuciowym przez nerw trójdzielny, V nerw czaszkowy. Neurony czuciowe I rzędu są skupione w zwoju trójdzielnym (Gassera). Ich wypustki centralne wchodzą do pnia mózgu w obrębie środkowej części mostu i dochodzą do jąder czuciowych nerwu trójdzielnego. 168 —Okno 3------------------------------------------------------------------------ Niezwykłe właściwości zmysłu dotyku u gryzoni Szczury i myszy mają silnie rozwinięty zmysł dotyku, którego receptory znajdują się w okolicy pyszczka, w sąsiedztwie włosów (wibryss), popularnie zwanych wąsami. Receptory te są pobudzane wskutek odgięcia wibryssy, gdy szczur dotknie nią przedmiotu albo innego osobnika. Informacja dotykowa odgrywa u gryzoni rolę w orientacji w przestrzeni, w rozpo- znawaniu przedmiotów, zdobywaniu pokarmu, w zachowaniu agonistycznym i seksualnym w większym stopniu niż informacja wzrokowa. Impulsy z receptorów docierają do neuronów w IV warstwie kory somatosensorycznej. Neurony te tworzą zespoły o charakterystycznym wyglądzie przypominającym beczułki, dlatego zostały nazwane baryłkami. Informacja wywołana poruszeniem danej wibryssy dociera do jednej tylko baryłki, można więc powiedzieć, że każda wibryssa ma własną baryłkę. Taki układ połączeń stwarza unikalny model do badania percepcji dotykowej u szczurów (Filipkowski, 2000). Pobudzenie baryłki wskutek przeginania wibryssy można badać na kilka sposobów. Jednym z nich jest ocena aktywności genu c-fos na podstawie zwiększenia stężenia białka c-Fos w pobudzonych neuronach. Inna metoda polega na wstrzykiwaniu zwierzęciu radioaktywnej deoksyglukozy. Związek ten wnika do neuronów podobnie jak glukoza, nie jest jednak wykorzystywany jako źródło energii. Jego nagromadzenie w neuronach można wykryć pośmiertnie na podstawie stopnia zaczernienia błony fotograficznej, którą przykryto skrawki mózgu. Informacja z receptorów dotyku powoduje również zmiany plastyczne w baryłkach (Kossut, 1992). Gdy na kilka tygodni przed doświadczeniem szczurowi obetnie się wszystkie wibryssy w pewnym obszarze pyszczka z wyjątkiem jednej, „ocalała" wibryssa aktywuje baryłkę o większych rozmiarach. Wynik tego eksperymentu świadczy o tym, że topograficzna organizacja kory czuciowej nie jest statyczna, lecz może ulegać modyfikacji w zależności od impulsacji z obwodu. l Rys. 6.5. Ośrodki czuciowe i ośrodki ruchowe nerwu trójdzielnego. do jądra brzusznego .------Mięśnie żuchwy tylno-przyśrodkowego wzgórza JĄDRA NERWU TRÓJDZIELNEGO Skóra zębodoły Jądro rdzeniowe 169 Jądra te są rozmieszczone od drugiego odcinka szyjnego rdzenia kręgowego do mostu. Impulsy bólowe dochodzą przeważnie do jądra rdzeniowego dolnego, a impulsy czucia dotyku - do jądra głównego nerwu trójdzielnego w moście. Jądro główne znajduje się w pobliżu ośrodka ruchowego nerwu trójdzielnego (rys. 6.5). Jądra czuciowe nerwu trójdzielnego zawierają neurony czuciowe II rzędu. Aksony tych neuronów po przejściu na przeciwległą stronę ciała tworzą wstęgę trójdzielną (lemniscus trigeminaliś), która dochodzi do jądra brzusznego tylno- -przyśrodkowego wzgórza. W obrębie śródmózgowia znajduje się jeszcze jedno jądro nerwu trójdzielnego, do którego dochodzą impulsy z mięśni biorących udział w czynności żucia. Impulsy te uczestniczą w regulacji napięcia tych mięśni. Jądro to stanowi pewną osobliwość w układzie nerwowym ssaków, ponieważ jest odpowiednikiem zwoju rdzeniowego, który w tym przypadku znajduje się nie na obwodzie, lecz w obrębie ośrodkowego układu nerwowego. Jądro śródmózgowiowe zawiera zatem, jak zwoje rdzeniowe, perykariony neuronów I rzędu, do których docierają z obwodu dendryty, a z których wychodzą aksony do jądra ruchowego nerwu V w moście. Funkcjonalne znaczenie dwóch systemów dróg czuciowych Informacja czuciowa (somatosensoryczna) biegnie do wzgórza niejako dwoma kanałami. Jeden kanał tworzą sznury tylne rdzenia kręgowego i wstęga przyśrod- kowa, nazywa się go więc drogą wstęgową, drugi kanał tworzą drogi w sznurach przednich i bocznych rdzenia kręgowego; nazywa się go drogą przednio-boczną. Droga wstęgowa przewodzi impulsy precyzyjnego czucia dotyku, jak czucie przesuwania się przedmiotu po skórze, ucisku na skórę, wibracji, czucie ułożenia kończyn. Precyzja tego czucia polega m.in. na zdolności jednoczesnego rozróżniania dwóch punktowo działających bodźców. Zdolność ta jest największa w obrębie warg i opuszek palców: człowiek rozróżnia tu ukłucie dwiema igłami, jeśli odstęp między nimi wynosi 1-2 mm. W obrębie skóry pleców taka ocena jest możliwa, gdy odległość między dwoma bodźcami wynosi kilka centymetrów. Droga przednio-boczną przewodzi impulsy czucia bólu, temperatury i nie- precyzyjnego czucia dotyku. Informacja ta jest przewodzona wolno i słabo odzwierciedla lokalizację bodźca. , ., , . Ośrodki czuciowe wzgórza Podkorową stację impulsów czucia somatycznego stanowi zespół jąder umiej- scowionych w brzuszno-tylnej części wzgórza. Spotykają się tu dwie główne drogi czuciowe - wstęgowa i przednio-boczną, które w obrębie rdzenia kręgowego i pnia mózgu biegną oddzielnie. Do jąder czuciowych wzgórza należą jądro brzuszne tylno-boczne i jądro brzuszne tylno-przyśrodkowe. Do jądra tylno-bocznego informacje z tułowia i kończyn dochodzą w taki sposób, że dolna część ciała jest reprezentowana w bocznej, a górna część w przyśrodkowej części tego jądra. Jądro tylno-przyśrodkowe natomiast stanowi przedstawicielstwo obszaru głowy uner- wianego przez nerw trójdzielny, a także czucia smaku (rys. 6.6). 170 O Rys. 6.6. Przebieg dróg czuciowych w pniu mózgu. f . ' Jądro brzuszne: tylno-boczne tylno-przyśrodkowe Droga rdzeniowe- -wzgórzowa Droga rdzeniowo- - wzgórzowa Pęczek smukły Pęczek klinowaty S f U W jądrach czuciowych wzgórza aksony neuronów II rzędu kontaktują się z neuronami III rzędu. Przekazywanie informacji odbywa się tu głównie na zasadzie dywergencji, tzn. jeden neuron II rzędu unerwia kilka neuronów III rzędu. Jeden neuron III rzędu może też być pobudzany przez kilka neuronów II rzędu, a więc na zasadzie konwergencji. Tego typu organizacja umożliwia kodowanie siły bodźca w postaci różnej liczby pobudzonych neuronów El rzędu. Między neuronami leżącymi blisko siebie zachodzą także wzajemne oddziaływania typu hamowania obocznego. Podobnie jak w układzie wzrokowym, zwiększają one precyzję czucia, zwłaszcza dotyku. 171 Aksony neuronów III rzędu tworzą połączenia wzgórzowo-korowe i docierają do okolicy somatosensorycznej kory mózgu. Część impulsów ze wzgórza dochodzi do obszarów ruchowych kory. Budowa kory somatosensorycznej Okolica somatosensoryczna, oznaczana symbolem S I, zwana pierwotną (projek- cyjną) okolicą czuciową albo okolicą czuciową I rzędu, zajmuje zakręt zaśrodkowy (gyrus postcentralis), leżący w obrębie płata ciemieniowego z tyłu bruzdy środkowej Rys. 6.7. Okolica czuciowa (somatosensoryczna) kory mózgu, pierwotna (S I) i dodatkowa (II rzędu, S II); A - rozmieszczenie ośrodków czuciowych na powierzchni górno- -bocznej kory, z zaznaczeniem reprezentacji obszarów ciała; B - rozmieszczenie ośrodków w obrębie zakrętów i bruzd kory. Liczby oznaczają pola cytoarchitektoniczne kory według Brodmanna. B Kończyna górna/ Konczyna S II 9Órna Kończyna Twarz / PŁAT/ SKRONIOWY 172 mózgu (Rolanda). Bruzda ta oddziela okolicę SI od okolicy ruchowej w zakręcie przedśrodkowym (gyrus praecentralis). Poniżej i nieco z tyłu okolicy SI znajduje się okolica S H, czyli czuciowa n rzędu] Jej znaczenie nie jest dokładnie znane (ry_s._6._7). Okolica somatosensoryczna jest zróżnicowana pod względem budowy. Podział według Brodmanna wyróżnia w obrębie zakrętu zaśrodkowego trzy pola cytoar- chitektoniczne, oznaczone numerami 3, l ijłj Pole 3 znajduje się w przedniej części zakrętu zaśrodkowego i graniczy z bruzdą środkową. Wyodrębniono w nim pola 3a i 3b ze względu na różne znaczenie funkcjonalne. Tuż za polem 3b leży wąskie pasmo zajmowane przez pole 1. W tylnej części zakrętu zaśrodkowego znajduje się pole 2. ' W płacie potylicznym znajdują się dwa obszary czuciowe asocjacyjne. Są to polaTi 7b.) Lokalizacja czynności w korze czuciowej \ >s * «; W korze somatosensorycznej są reprezentowane różne obszary ciała i różne rodzaje czucia. Reprezentacja obszarów ciała ma charakter sornatotopowy l'- informacja z różnych pól recepcyjnych dochodzi do ściśle określonych miejsc w korze. Odbywa się to dzięki szczególnemu układowi połączeń wzgórzowo- -korowychj Boczna część jądra brzusznego tylno-bocznego wzgórza, otrzymująca informacje z kończyny dolnej, wysyła włókna do przyśrodkowej części zakrętu zaśrodkowego, natomiast przyśrodkowa część tego jądra przekazuje informacje z tułowia i kończyny górnej do części środkowej tego zakrętu. Okolica twarzy i czucie smaku są reprezentowane w części bocznej zakrętu, sąsiadującej z bruzdą boczną (Sylwiusza). Pole to otrzymuje impulsy z jądra brzusznego tylno-przyśrod- kowego wzgórza. Idąc zatem od przyśrodkowej powierzchni półkuli w kierunku bocznym, napotyka się kolejno reprezentację narządów płciowych, kończyny dolnej, tułowia, kończyny górnej, twarzy i czucia smaku/ Reprezentacja ta ma charakter kontralateralny, co oznacza, że informacja z każdej połowy ciała dochodzi do okolicy somatosensorycznej w przeciwległej półkuli mózgu. Różne rodzaje czucia są reprezentowane w korze somatosensorycznej w taki sposób, żei pola 3a i 2 otrzymują impulsy z receptorów czucia głębokiego, a pola 3b i l - z receptorów czucia powierzchniowego. Pobudzenie receptorów dotyku 0 wolno rozwijającej się adaptacji (czyli receptorów tonicznych) dociera do neuronów w polu 3b, a pobudzenie receptorów adaptujących się szybko (fazowych) dochodzi do pola l ](Jones i Porter, 1980). Organizacja topograficzna (somato- topowa) kory czuciowej, podobnie jak organizacja okolicy ruchowej kory, polega więc na tym, że reprezentacje poszczególnych części ciała są rozmieszczone w układzie boczno-przyśrodkowym. Natomiast różne rodzaje czucia wywołane pobudzeniem receptorów w tym samym obszarze ciała są reprezentowane w układzie przednio-tylnym (Jones i Powell, 1969a, 1969b, 1970). Pola 3, l i 2 są wspólnie nazywane pierwszorzędową okolicą somatosen- soryczna (S I). Oprócz tego w płacie ciemieniowym znajduje się okolica somato- sensoryczna SII. Obszar ten łączy okolicę SI ze strukturami układu limbicznego 1 umożliwia ocenę bodźców pod względem emocjonalnym (Friedman i wsp., 1986). r 178 W ostatnich latach zwraca się uwagę na ścisłe współdziałanie kory somato- sensorycznej z korą ruchową. Stąd cały obszar kory sprawujący kontrolę nad czynnościami czuciowymi i ruchowymi został nazwany korą czuciowo-ruchową. i; Ku tyłowi od pola 2 znajdują się dwa obszary asocjacyjne - 5 i 7b. Rolą tych okolic jest integracja informacji sensorycznejj Połączenia pola 5 z okolicą ruchową umożliwiają wykorzystanie tej informacji do sterowania przez korę mózgu czynnościami ruchowymi (Murray i Mishkin, 1984). ^Natomiast pole 7b_oprócz informacji somatosensorycznej otrzymuje też informacje z ośrodków wzrokuj co może mieć znaczenie dla mechanizmów koordynacji wzrokowo-ruchowej (Mount- castle, 1995). Objawy uszkodzenia kory somatosensorycznej Do percepcji bodźców czuciowych konieczne jest współdziałanie okolicy projek- cyjnej (SI) oraz okolic asocjacyjnych (5 i 7b). Niektórzy przypisują funkcje asocjacyjne również okolicy SII. Uszkodzenie kory somatosensorycznej powoduje następujące objawy: 1. Zaburzenie zdolności rozpoznawania miejsca zadziałania bodźca. Pacjent może określać to miejsce nieprecyzyjnie, na przykład wskazując całą kończynę, a nie konkretną jej część. 2. Niemożność oceny siły bodźca działającego na skórę ani ciężaru podnoszonego przedmiotu. 3. Niemożność oceny gładkości czy chropowatości powierzchni przedmiotu przy przesuwaniu po niej opuszką palca. 4. Astereognozję, czyli nierozpoznawanie kształtu przedmiotów obejmowanych ręką bez pomocy informacji wzrokowej. t Bardziej złożone zaburzenia występują w przypadku uszkodzenia okolic asocjacyjnych. Może wówczas wystąpić brak odczuwania schematu ciała po stronie przeciwnej. . _ , \ Czucie równowagi , Czucie równowagi służy do utrzymania właściwego położenia ciała względem kierunku działania siły ciężkości. Aczkolwiek większe odchylenia od normalnej pozycji pionowej są uświadamiane, to jednak mechanizmy utrzymania równowagi ciała funkcjonują głównie dzięki odruchom postawnym (posturalnym), modyfiku- jącym rozkład napięcia mięśni kończyn i tułowia w taki sposób, że_rzut środka ciężkości ciała znajduje się w obszarze kontaktu stóp z podłożem. U dorosłego człowieka środek ciężkości ciała znajduje się w obrębie piątego kręgu lędź- wiowegp.i Oprócz mechanizmów utrzymujących równowagę ciała w warunkach statycz- nych, (człowiek ma zdolność oceny zmian prędkości (przyspieszenia), która umożliwia nagłe zmiany rozkładu napięcia mięśni i utrzymanie równowagi ciała 174 w warunkach dynamicznych podczas chodzenia, biegania, a także przy nieoczeki- wanym zakłóceniu równowagi ciała, na przykład przy poślizgnięciu się. Podobnie jak równowaga statyczna, również równowaga dynamiczna jest kontrolowana przez mechanizmy odruchowe, bez udziału świadomości:, W pew- nych jednak warunkach, na przykład podczas poruszania się po wąskim podłożu, przy przechodzeniu po kamieniach przez strumyk, podczas skakania przez rów, w utrzymaniu równowagi dynamicznej mogą odgrywać rolę mechanizmy dowol- ne, którym towarzyszą świadome wrażenia związane ze zmianami szybkości _ Reprezentacja czucia równowagi znajduje się w okolicy czuciowej kory mózgu, w pobliżu reprezentacji twarzy] Niektórzy badacze znajdowali obszary korowe tego czucia w innej części płata ciemieniowego, a także w płacie skroniowym. W porównaniu z innymi układami sensorycznymi korowe przed- stawicielstwo zmysłu równowagi jest jednak gorzej rozwinięte. Ocena położenia ciała może się opierać na różnego rodzaju informacjach, jak czucie mięśniowe, rozciągnięcie torebek stawowych i więzadeł, impulsacja z receptorów rozciągniętej skóry, czy też na informacji wzrokowej. Zasadniczą rolę w tej ocenie odgrywa narząd równowagi. Funkcjonowanie receptorów w narządzie równowagi . , . W świecie zwierząt występują dwa typy narządu równowagi - pierwotna statocysta i wysoko wyspecjalizowany narząd przedsionkowy. Statocysta jest bańką wypeł- nioną płynem. Jej częścią wrażliwą na zmiany położenia jest plamka, w której znajdują się komórki receptorowe. Komórki te są wyposażone we włoski, których odchylenie powoduje pobudzenie receptora. Włoski są zlepione galaretowatą substancją, zwykle zawierającą kamyk zwany statolitem, o ciężarze właściwym większym od gęstości płynu wypełniającego statocystę. Gdy statocysta wraz z komórkami receptorowymi przemieszcza się, bezwładne statolity nadążają za ruchem z pewnym opóźnieniem, co powoduje przegięcie włosków i pobudzenie receptorów. Pobudzone receptory są źródłem impulsów wysyłanych do odpowied- nich ośrodków. Statocysta jako narząd równowagi występuje już u meduz i mięczaków. Wyższe ewolucyjnie zwierzęta, jak robaki, mają duże statocysty, rozmieszczone symetrycznie po obu stronach ciała. Na podobnej zasadzie funkcjonuje narząd przedsionkowy zwierząt wyższych ewolucyjnie. Komórki receptorowe są w nim skupione w specjalnym nabłonku zmysłowym. Ich rzęski są zlepione galaretowatą substancją, która tworzy osklepek (w bańkach przewodów półkolistych) (rys. 6.8) albo błonę kamyczkową (w ła- giewce i woreczku). W błonie kamyczkowej znajdują się kamyki zwane otolitami albo statolitami. Komórka receptorowa narządu równowagi ma kształt wydłużony. Jest nazywana komórką włoskowatą (od włosków występujących na jednym z jej Biegunów). Drugi biegun kontaktuje się z zakończeniami włókien nerwowych. yWśród włosków wyróżnia się jeden długi zwany kinocilium (lub kinetocilium), ff "*"*•------- 175 Rys. 6.8. Budowa aparatu przedsionkowego; A - przewody półkoliste, łagiewka i woreczek; B - budowa bańki błoniastej; C - mechanizm pobudzania komórek receptorowych. Woreczek Łagiewka Przewód tylny Bańka błoniasta Stereocilium Otolit i 60-120 krótkich włosków zwanych stereocilia. Do pobudzenia komórki włos- kowatej dochodzi w następujący sposób: przemieszczanie się osklepka lub błony kamyczkowej powoduje odchylenie kinocilium. Odchylające się kinocilium pociąga za sobą stereocilia, wykorzystując w tym celu układ włókienek między włoskami. Powstałe w wyniku tego siły rozciągania otwierają kanały jonowe w obrębie stereocilium. Przez kanały te do cytoplazmy komórki receptorowej wnikają z otaczającej ją śródchłonki jony potasu. Prowadzi to do zmniejszenia elektroujem- nego ładunku elektrycznego, czyli do depolaryzacji wnętrza komórklj Do pobudzenia komórek zmysłowych w narządzie równowagi dochodzi wskutek działania mechanizmu jonowego podobnego do tego, jaki funkcjonuje w narządzie słuchu. W błonie tych komórek występują kanały wapniowe zależne od napięcia i kanały potasowe wrażliwe na stężenie jonów wapnia. Pod wpływem depolaryzacji błony komórkowej otwierają się kanały wapniowe i pewna liczba jonów wapnia wchodzi do cytoplazmy. Podobnie jak w komórkach w narządzie słuchu, zwiększa to depolaryzację błony komórkowej. Z kolei pod wpływem jonów wapnia otwierają się kanały potasowe. Wyjście pewnej liczby jonów potasu zmniejsza depolaryzację. W wyniku interakcji między kanałami wapniowymi i potasowymi powstaje potencjał oscylacyjny, który ma znaczenie w przekazywaniu pobudzenia z komórki receptorowej do zakończenia włókna czuciowego. 176 Reakcje statyczne i dynamiczne receptorów równowagi Receptory woreczka i łagiewki reagują na odchylenia głowy od położenia pionowego w sposób statyczny, tzn. przez cały czas utrzymywania się zmienionej pozycji głowy. Receptory łagiewki reagują również w sposób dynamiczny na gwałtowny ruch głowy do przodu, odgrywają zatem rolę detektorów przyspieszenia liniowego. Reakcja ta jest spowodowana nagłym odchyleniem włosków w przeciwną stronę. Człowiek odnosi wówczas wrażenie, że „leci do tyłu", dlatego rozpoczynając bieg, silnie pochyla głowę do przodu. Dopiero gdy otolity w plamce łagiewki wrócą do zwykłego położenia, biegnący prostuje głowę. Przewody półkoliste (ductus semicirculares), w liczbie trzech, są ustawione względem siebie pod kątem prostym. W każdym przewodzie widoczne jest zgrubienie zwane bańką błoniastą (ampulla membranacea), zawierające grzebień bankowy (crista ampullaris) pokryty nabłonkiem zmysłowym. Włoski komórek zmysłowych są tu zlepione galaretowatym osklepkiem (cupula). Wierzchołek osklepka sięga do sklepienia bańki błoniastej i jest do niego częściowo przytwierdzony. Ruch śródchłonki wywołany ruchem obrotowym głowy wywiera ciśnienie na osklepek powodując jego wybrzuszenie, a wraz w nim - przegięcie włosków komórek zmysłowych. Receptory grzebieni bankowych reagują na przyspieszenie kątowe, czyli na zmiany ruchu obrotowego głowy. Zjawisko to jest najłatwiej zaobserwować w czasie badania na krześle obrotowym. Badany najintensywniej odczuwa początek i zakończenie obracania, a także zmiany szybkości ruchu. Natomiast jednostajny ruch wirowy odczuwa jedynie w ciągu pierwszych kilkunastu sekund jego trwania. Znaczenie impulsacji z grzebieni bankowych uwidacznia się zatem najlepiej przy nagłych zmianach poruszania się, kiedy to ruch głowy powoduje pobudzenie odpowiednich receptorów, a wytworzone impulsy zawczasu informują odpowiednie ośrodki o mającej nastąpić zmianie pozycji ciała, aby napięcie w różnych grupach mięśni mogło się dostosować do oczekiwanej sytuacji. Jądra przedsionkowe Włókna czuciowe po odejściu od plamek w łagiewce i woreczku i od grzebieni bankowych dochodzą do zwoju przedsionkowego (ganglion vestibulare) w obrębie ucha wewnętrznego(^^sony"komórek tego zwoju tworzą nerw przedsionkowy (nerous vestibularis) i dochodzą do czterech jąder przedsionkowych w obrębie mostu, a mianowicie do jądra przedsionkowego górnego (nucleus vestibularis superior), przyśrodkowego (medialis), bocznego (lateralis) i dolnego\(m/gn'or). Jądra te odznaczają się pewną specjalizacją funkcjonalną. Informacje z kanałów półkolistych docierają do dwóch pierwszych jąder - górnego i przyśrodkowego. jZjąder tych odchodzą dwa szlaki. Jeden z nich, pęczek podłużny przyśrodkowy (fasciculus longitudinalis medialis), łączy jądra przedsionkowe z jądrami kierują- cymi ruchami gałek ocznych. Droga ta uczestniczy w odruchu błędnikowo-ocznym, którego zadaniem jest utrzymywanie obrazu przedmiotu w stałym miejscu pola widzenia, niezależnie od przemieszczenia głowy. Tą drogą część impulsów jest przekazywana do kory mózgu. Mają one znaczenie dla odczuwania równowagi. 177 Rys. 6.9. Ośrodki i drogi nerwowe uczestniczące w utrzymaniu równowagi ciała. do kory mózgu Wzgórki pokrywy Jądro przedsionkowe: górne -\ od woreczka Droga przedsionkowo- rdzeniowa: boczna przyśrodkowa od przewodów półkolistych do mięśni kończyn Aparat przedsionkowy do mięśni karku i tułowia W jądrach przedsionkowych rozpoczynają się dwie drogi biegnące do rdzenia kręgowego. Celem drogi przedsionkowo-rdzeniowej przyśrodkowej (tractus ves- tibulospinalis medialis) są ośrodki unerwiające mięśnie karkuuj^ięśnie te m.in. korygują ustawienie głowy w zależności od kierunku działania sił przyspieszenia kątowego (rys. 6.9). TDroga przedsionkowo-rdzeniowa boczna (tractus vestibulospi- nalis lateralis) zmierza do ośrodków rdzeniowych unerwiających mięśnie tułowia i kończyn dolnych. Tą drogą są przenoszone impulsy z jądra przedsionkowego bocznego, które korygują napięcie mięśni utrzymujących postawę ciała. Z kolei jądro przedsionkowe dolne przekazuje ippulsy z przewodów półkolistych i łagiewki do móżdżku i do tworu siatkowatego. ^ .'1v,Vj>." • ,f •••...' —X:.?; ' '" y- .-. '""""• • .:.-.!» ...•-.; -,:';,. :. • •::»•: -..i !•»"•*' Funkcjonowanie mechanizmów utrzymujących równowagę ciała Inaczej niż u zwierząt czworonożnych, równowaga ciała człowieka jest niestabilna i wymaga stałego funkcjonowania mechanizmów korygujących. Mechanizmy te opierają się na trzech rodzajach informacji: wzrokowej, somatosensorycznej i z układu przedsionkowego (tj. narządu równowagi i jąder przedsionkowych). Informacja wzrokowa umożliwia ocenę ułożenia ciała względem przedmiotów znajdujących się w bezpośrednim otoczeniu. Pobudzenie układu przedsionkowego informuje układ nerwowy o zmianach pozycji ciała względem sił pola grawitacyj- 178 nego. Natomiast informacja somatosensoryczna, pochodząca głównie z receptorów czucia mięśniowego, ale również skórnego, służy do porównania aktualnego położenia ciała względem reprezentacji schematu ciała zakodowanej w ośrodkach mózgowych. W kontrolowanym eksperymencie umieszczano ludzi na platformie, której położenie odchylano w stosunku do poziomu. Badany przywracał właściwe położenie platformy manipulując drążkiem sterowniczym. Okazało się, że zadanie to było precyzyjnie wykonywane również bez kontroli wzrokowej, a więc według zakodowanego w układzie nerwowym wzorca pionowego kierunku ciała (Błaszczyk, 1993). Przykładem współdziałania układu przedsionkowego z innymi źródłami informacji jest odruch przedsionkowo-oczny. Gdy oglądamy przesuwający się przedmiot, wodząc za nim oczami bez zmiany położenia głowy, odbywa się to wskutek działania ośrodka w płacie czołowym kierującego ruchami gałek ocznych. Gdy jednak przedmiot „ucieka" z pola widzenia i, aby go nadal widzieć, musimy zmienić położenie głowy, gałki oczne wykonują ruch w odwrotnym kierunku. Ten ruch gałek ocznych odbywa się pod kontrolą układu przedsionkowego, przy udziale informacji z proprioceptorów w mięśniach i informacji wzrokowej z siatkówek. Na działanie układu przedsionkowego wpływa też informacja z propriocep- torów. Rola tej informacji jest szczególnie wyraźna w działaniu odruchów z mięśni karku. Gdy człowiek pochyla głowę do przodu, nie wyzwala to jeszcze odruchów korygujących postawę ciała, ponieważ odruchy te są zahamowane przez impulsy z mięśni szyi. Hamowanie to jest znoszone dopiero wtedy, gdy wraz z głową przemieszcza się tułów. Następuje wówczas korekcja napięcia mięśni tułowia i kończyn, zapewniająca utrzymanie równowagi w nowych warunkach. Sprawność funkcjonowania mechanizmów utrzymujących równowagę ciała maleje wraz z wiekiem. Naraża to osoby w starszym wieku na upadki i urazy ciała o groźnych nieraz konsekwencjach. , 7* , f • Układ wzrokowy S. . wiatło jest promieniowaniem elektromagnetycznym i, jak uczy fizyka, ma naturę dwoistą - falową i kwantową. Zgodnie z naturą falową światła promienie świetlne przechodząc przez granice rozdzielające środowiska o różnych właściwoś- ciach optycznych zmieniają kierunek. W oku jest to wykorzystane do wytwarzania na siatkówce obrazów oglądanych przedmiotów. Dzięki naturze kwantowej światło jest pochłaniane przez światłoczułe barwniki (fotopigmenty), występujące u wielu organizmów żywych. U zwierząt barwniki te znajdują się głównie w fotoreceptorach i odgrywają ważną rolę w mechanizmie widzenia. •'..- •-'•••' -; Oscylacje fal świetlnych odbywają się poprzecznie względem kierunku rozchodzenia się światła i ich amplituda jest jednakowa we wszystkich płaszczyz- nach. Natomiast gdy światło przechodzi przez ośrodki niejednorodne optycznie, amplituda fal jest największa w jednej płaszczyźnie; takie światło nazywa się spolaryzowanym. Światło jest nośnikiem dwóch rodzajów bodźców: świetlnych (fotycznych) i wzrokowych. Wrażliwość na bodźce fotyczne umożliwia odróżnianie światła od ciemności. Taką najprostszą zdolnością odznaczają się niektóre pierwotniaki. U ptaków i wielu ssaków warunki oświetlenia, czyli światło jako bodziec fotyczny, synchronizują rytmy biologiczne. Bodźcem fotycznym bywa też światło spolary- zowane. Niektóre ptaki potrafią oceniać wielkość i kąt polaryzacji światła pochodzącego z błękitu nieba i na tej podstawie wybierają kierunek lotu. Jakościowo wyższą funkcją narządu wzroku jest wykrywanie niesionej przez światło informacji, czyli odbiór bodźców wzrokowych. Właściwość ta jest podstawą zdolności widzenia i umożliwia ocenę kształtów przedmiotów oraz ich lokalizacji (w tym ruchu) w przestrzeni, a także widzenie stereoskopowe. Rodzaje narządów wzroku , W rozwoju filogenetycznym narządu wzroku zaznaczają się dwie linie ewolucyjne (rys. 7.1). Jedna prowadzi do wykształcenia się oczu złożonych, właściwych stawonogom. Funkcjonalną jednostką oka złożonego jest rurkowate ommatidium, 180 Oko złożone Ommatidlum flys. 7.1. Rodzaje narządów wzroku. Soczewki Rabdomy Oko z otworem Siatkówka Oko z soczewką Soczewka Siatkówka zawierające układ optyczny (soczewkę i stożek krystaliczny) i receptorowy (rabdom). Oko złożone może być utworzone z kilkuset do kilkudziesięciu tysięcy takich jednostek. Każde ommatidium jest oddzielnym elementarnym kanałem informacyjnym. Mimo niewielkiej ostrości widzenia oczy złożone mają wiele zalet. Znaczna głębia ostrości pojedynczego ommatidium powoduje, że oko złożone łatwo wykrywa ruch przedmiotu w różnej odległości. Wskutek braku jednej wspólnej dużej soczewki w oku złożonym nie występuje aberracja chromatyczna. Umożliwia to odbieranie promieniowania świetlnego o dużym zakresie długości fal. , r v ' Druga linia ewolucyjna doprowadziła do powstania siatkówki - narządu zawierającego fotoreceptory. Na światłoczułą powierzchnię siatkówki są rzucane przez układ optyczny oka obrazy oglądanych przedmiotów. U ślimaka Nautilus światło wchodzi do oka przez bardzo mały otwór, dlatego mimo braku soczewki na tylnej ścianie powstaje odwrócony obraz przedmiotu. Oko takie może jednak funkcjonować tylko w warunkach silnego oświetlenia. Znacznie sprawniejszym urządzeniem, bo funkcjonującym również przy słabym oświe- tleniu, jest oko kręgowców, wyposażone w soczewkę skupiającą światło na siatkówce. Budowa oka ssaków U ssaków oko (gałka oczna) jest umieszczone w oczodole utworzonym z kości czaszki. Ściana gałki ocznej jest zbudowana z trzech warstw: twardówki (ze względu na białe zabarwienie zwanej białkówką), naczyniówki i siatkówki (rys. 7.2). Twardówka stanowi warstwę zewnętrzną. Jej uwypukloną przednią częścią jest przezroczysta rogówka, która należy do układu optycznego oka. Warstwa środkowa, 181 Źrenica Tęczówka Więzadło soczewki Rogówka Komora Ciało rzęskowe {Rys. 7.2. Budowa gałki ocznej. wzrokowy Białkówka (twardówka) Dołek środkowy siatkówki Naczyniówka czyli naczyniówka, zawiera naczynia krwionośne zaopatrujące w krew inne warstwy, głównie siatkówkę. Ku przodowi naczyniówka grubieje, tworząc ciało rzęskowe i tęczówkę, czyli błonę z otworem w środku, zwanym źrenicą. W obrębie tęczówki znajdują się okrężny mięsień zwieracz źrenicy oraz koncentrycznie ułożone włókna mięśnia rozszerzającego źrenicę. Do ciała rzęskowego za pomocą więzadeł jest umocowana soczewka, która oprócz rogówki jest drugim ważnym składnikiem układu optycznego oka. Otacza ją mięsień rzęskowy, odgrywający rolę w akomodacji oka. Wewnętrzną warstwę ściany gałki ocznej tworzy siatkówka. Oko jako układ optyczny ' Oko przypomina budową aparat fotograficzny. W części przedniej zawiera układ przezroczystych elementów, skupiających promienie świetlne na siatkówce. Ilość światła wchodzącego do oka zależy od szerokości źrenicy. Dzięki zmianom wypukłości soczewki obraz powstający na siatkówce może być ostry niezależnie od odległości oglądanego przedmiotu. Promień światła biegnie po linii prostej z prędkością zależną od właściwości optycznych środowiska. CStpsunek prędkości światła w powietrzu (próżni) do prędkości w innym środowisku nazywa się współczynnikiem refrakcji tego środowiska! s — -~" -- Światło zmienia kierunek, gdy przechodzi przez granicę dwu środowisk o różnych współczynnikach refrakcji, ustawioną ukośnie względem promieni świetlnych. Zjawisko to nazywa się załamywaniem się (refrakcją) światła. Szczególna sytuacja występuje w przypadku, gdy granica między obu środowiskami jest zakrzywiona (jak wycinek kuli). Wówczas promienie światła załamują się tym 182 silniej, im bardziej ukośnie padają na tę krzywiznę. Taki kształt ma soczewka; powoduje on, że równoległa wiązka promieni po przejściu przez soczewkę skupia się w jednym punkcie, zwanym ogniskiem soczewki.JStopień załamywania światła przez_soczewkę, czyli siłę refrakcyjną (łamliwość) soczewki, mierzy się w diop- triach./Dioptria jest odwrotnością ogniskowej, wyrażonej w metrach. Soczewka o ogniskowej l m ma siłę refrakcyjną równą l dioptrii, o ogniskowej 0,5 m - ma siłę refrakcyjną równą 2 dioptriom. •• •. ,• .,.;.»• . ',;.. •••:. . lii?",'-', •-,».• , ••'!<;••. '• •' n.'-;'" Refrakcja oka ludzkiego W oku ludzkim światło zanim dojdzie do siatkówki musi przejść przez rogówkę, płyn przedniej komory oka, soczewkę i ciało szkliste. Wszystkie te przezroczyste części oka mają różne współczynniki refrakcji (rogówka - 1,38, soczewka - 1,40, inne elementy - 1,33-1,34), dlatego promienie światła, przechodząc przez kolejne granice między tymi częściaim^załamują się. Najsilniej światło załamuje się na granicy powietrza z rogówką.LQgólna siła refrakcyjna oka ludzkiego wynosi przy patrzeniu w dal 59 diopjrjil Z tego 30%, czyli około 20 dioptrii, przypada na soczewkę. Człowiek widzi wówczas ostro przedmioty oddalone od niego o co najmniej 6 m. Oko ma zdolność akomodacji, tj. może przystosowywać się do ostrego widzenia przedmiotów w różnej odległości. Akomodację oka umożliwia zmienny kształt i zmienna siła refrakcyjna soczewki. Zakres akomodacji wynosi u młodego człowieka 14 dioptrii i umożliwia mu ostre widzenie przedmiotów zarówno odległych, jak i znajdujących się zaledwie 6 cm od oka. Z wiekiem, wskutek stopniowego zmniejszania się sprężystości soczewki, zakres ten maleje aż do około 2 dioptrii w starości. Zaburzenia refrakcji mogą prowadzić do krótkowzroczności lub nadwzroczności. Siatkówka Siatkówka jest narządem recepcyjnym wrażliwym na bodźce świetlne. Światło wyzwala w komórkach siatkówki złożony proces fotochemiczny, w wyniku którego powstają impulsy nerwowe, przesyłane następnie do podkorowych i korowych ośrodków wzroku. Siatkówka przylega ściśle do naczyniówki i jest ułożona półkoliście. Pod względem anatomicznym i funkcjonalnym rozróżnia się część środkową (centralną) i część obwodową siatkówki. W części środkowej znajduje się obszar o żółtawym zabarwieniu zwany plamką żółtą, a w jego obrębie dołek środkowy - miejsce najostrzejszego widzenia. Kręgowce, jak wszystkie wtórnogębowce, mają oczy inwertowane. Światło- czułe komórki siatkówki w oku o takiej budowie (fotoreceptory) są zwrócone na zewnątrz, w kierunku naczyniówki, a komórki zwojowe i ich aksony znajdują się w warstwie graniczącej z wnętrzem gałki ocznej. Sprawia to, że światło, zanim dotrze do fotoreceptorów, musi przejść przez całą siatkówkę. 183 Budowa siatkówki Siatkówka składa się z części pobudliwej i niepobudliwej. Zewnętrzna, niepobudliwa część granicząca z naczyniówką jest zbudowana z komórek sześciennych zawiera- jących barwnik (pigment) melaninę. Z komórkami pigmentowymi bezpośrednio stykają się fotoreceptory. Warstwa pigmentowa pełni funkcję błony przeciwodblas- kowej, ograniczając możliwość rozprzestrzeniania się oświetlenia poza obszar, na który bezpośrednio pada obraz przedmiotu. Część pobudliwa siatkówki jest utworzona z trzech warstw komórek: 1) warstwy czopków i pręcików, 2) warstwy komórek dwubiegunowych i 3) war- stwy komórek zwojowych (rys. 7.3). Czopki i pręciki są komórkami receptorowymi (fotoreceptorami). Pobudzenie fotoreceptorów powoduje, za pośrednictwem komó- rek dwubiegunowych, pobudzenie komórek zwojowych. W siatkówce znajdują się jeszcze komórki amakrynowe i poziome. Komórki amakrynowe uczestniczą w przekazywaniu stanu czynnego z fotoreceptorów do komórek zwojowych. LKpmórki poziomej umożliwiaj ą oddziaływanie na siebie blisko leżących fotorecep- torów i komórek dwubiegunowych, a także, na zasadzie hamowania obocznego, /przyczyniają się do zwiększenia widzenia kontrastów] Budowę czopka i pręcika przestawia rys. 7.4. Komórki te składają się z segmentu zewnętrznego, segmentu wewnętrznego, jądra i zakończenia synap- tycznego. Segment zewnętrzny zawiera charakterystyczną kolumnę krążków błoniastych utworzonych przez wpuklone fałdy błony komórkowej. W błonie tej sąsyntetyzowane i magazynowane barwniki wzrokowe - rodopsyna w pręcikach i^fotopsyny w czopkach^ Krążki błoniaste są strukturami dynamicznymi - te, które znajdują się w zewnętrznym końcu komórki, ulegają rozpadowi i są usuwane z komórki. Ich miejsce zajmują kolejno krążki znajdujące się bliżej środka ftys. 7.3. Budowa siatkówki; ON i OFF- komórki dwubiegunowe włączeniowe i wyłączeniowe, pobudzające i hamujące komórki zwojowe. Część centralna Czopki Część obwodowa i»a>vmva>i>o>i>o>i>B>i>o>voivB>i>o»ł>o>vo>i — Pigment Pręciki Komórki poziome Komórki dwubiegunowe Komórki amakrynowe Komórki zwojowe Nerw wzrokowy Światło 184 CZOPEK Fałdy zawierające barwnik wzrokowy Segment zewnętrzny Segment wewnętrzny Mitochondria Jądro Zakończenie synaptyczne Rys. 7A Budowa czopka i pręcika. PRĘCIK komórki. Wraz z krążkami wędrują ku zakończeniu komórki zawarte w nich barwniki wzrokowe. Oba segmenty współdziałają w mechanizmie pobudzenia komórki. Czopki służą do widzenia przy intensywnym oświetleniu i są czułe na barwy, natomiast pręciki są wrażliwe na bardzo słabe światło i służą do widzenia o zmroku. Pobudzenie siatkówki Zdolność reagowania siatkówki na bodźce świetlne nazywa się fotorecepcją. Padając na siatkówkę, światło wyzwala proces fotochemiczny, który prowadzi do pobudzenia fotoreceptorów. Z pojęciem fotorecepcji związane jest pojęcie foto- transdukcji, pod którym rozumie się kaskadę reakcji chemicznych wyzwolonych w fotoreceptorach przez bodziec świetlny. W wyniku tych reakcji powstają aktywne związki działające na kanały jonowe i regulujące przepływ jonów przez błonę komórkową fotoreceptorów. Podstawą fotorecepcji są zmiany budowy chemicznej światłoczułych barwników wzrokowych - fotopigmentów, znajdujących się w krążkach błoniastych komórek fotoreceptorowych. Ze względu na pochodzenie od witaminy A (karotenu) barwniki te są nazywane karotenoidami. l Metarodopsyna 11 Rys. 7.5. Rozpad i resynteza rodopsyny. | Rodopsyna] [Metarodopsyna li] Skotopsyna[< C/s-retinal •<- i ^ 1 * t C/s-retinol Trans-retinol (witamina A) 185 Najlepiej poznanym fotopigmentem jest rodopsyna pręcików, zwana też czerwienią (purpurą) wzrokową. Rodopsyna składa się z dwóch części - retinalu (retinenu) i opsyny (zwanej też skotopsyną). Retinal występuje w dwóch formach: stabilnej trans i niestabilnej cis (rys. 7.5). Niestabilna forma cis może istnieć tylko w połączeniu z białkiem opsyną. Połączenie to jest stabilne jedynie w ciemności. Rys. 7.6. Transdukcja sygnału świetlnego w btonie pręcika. W ciemności (część górna) kanały sodowe w błonie segmentu zewnętrznego fotoreceptora są otwarte wskutek działania przekaźnika wtórnego - cyklicznego kwasu guanozynomonofosforowego (cGMP). Cykliczny GMP jest stale syntetyzowany przez cyklazę guanylanową (CG). Wskutek otwarcia kanałów sodowych jony sodu wnikają do wnętrza segmentu zewnętrznego pręcika. Ponieważ wskutek działania pompy sodowej w błonie segmentu wewnętrznego część jonów sodu jest usuwana na zewnątrz, między segmentem wewnętrznym i zewnętrznym powstaje przepływ jonów sodu zwany prądem ciemniowym. Wskutek nagromadzenia jonów sodu w cytoplazmie błona fotoreceptora jest zdepolaryzowana (+). Pod wpływem światła rodopsyna (R) ulega przekształceniu w metarodopsynę II (M II). W wyniku działania M II cząsteczka transducyny (T) wymienia cząsteczkę kwasu guanozynodifosforowego (GDP) na kwas guanozyno- trifosforowy (GTP) i w tej aktywnej postaci uaktywnia enzym fosfodiesterazę. ,, ;.:•• Fosfodiesteraza z kolei unieczynnia cGMP, przekształcając go w nieaktywny GMP. Wskutek braku cGMP zamykają się kanały sodowe. Ponieważ w błonie segmentu wewnętrznego nadal działa pompa sodowa, w cytoplazmie dochodzi do niedoboru jonów sodu, a tym samym do hiperpolaryzacji błony fotoreceptora (-). Ciemność Synteza i ruch rodopsyny 186 Pod wpływem światła retinal odłącza się od opsyny i przekształca w formę trans (w takiej postaci może istnieć samodzielnie). Opsyna natomiast ulega wówczas przemianom, w wyniku których powstaje metarodopsyna I, a z niej metarodopsyna II (M II). ; Jak pokazano w części górnej rysunku 7.6, w ciemności w błonie pręcików gromadzi się duża ilość cyklicznego GMP (cGMP), ponieważ jest on stale syntetyzowany wskutek działania enzymu cyklazy guanylanowej (CG). Błona zawiera wówczas intensywnie odnawiającą się rodopsynę (R) i nieaktywną transducynę (T). Cykliczny GMP funkcjonuje w błonie pręcika jako przekaźnik wtórny. Jego działanie polega na modyfikowaniu struktury białka ściany kanałów sodowych w błonie segmentu zewnętrznego pręcika. W wyniku tej modyfikacji kanały sodowe są stale otwarte i jony sodu wnikają z zewnątrz do cytoplazmy. Wraz z jonami sodu wnika do komórki pewna liczba jonów wapnia. Jednocześnie, wskutek pracy pompy sodowej działającej w błonie segmentu wewnętrznego, część jonów sodu jest aktywnie usuwana z komórki na zewnątrz. Ruch jonów sodu w wyniku obu procesów powoduje przepływ prądu elektrycznego, nazywanego prądem ciemniowym, między segmentem wewnętrznym a zewnętrznym komórki. W efekcie, w segmencie zewnętrznym fotoreceptora gromadzi się pewien nadmiar jonów dodatnich i powoduje stałą depolaryzację błony komórkowej. Prąd ciemniowy jest nieco osłabiony wskutek szczególnego działania jonów wapnia. Hamując cyklazę guanylanową i aktywując fosfodiesterazę, jony wapnia powodują pewne zmniejszenie ilości cGMP w błonie fotoreceptora. Tworzą zatem pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego, które ogranicza stan otwarcia kanałów sodowych i przez to osłabia prąd ciemniowy. Jony wapnia odgrywają również rolę w adaptacji oka do światła. Pod wpływem światła (dolna część rys. 7.6) rodopsyna ulega przekształceniu w MII. Metarodopsyna II jest enzymem aktywującym transducynę. Gdy cząsteczka kwasu adenozynodifosforowego (GDP) związana z transducyną zostanie wymie- niona na cząsteczkę kwasu guanozynotrifosforowego (GTP), nieaktywna trans- ducyną zostanie uczynniona i aktywuje fosfodiesterazę. Fosfodiesteraza w pręcikach powoduje rozerwanie cyklicznego wiązania fosforanowego w cząsteczce cGMP i przekształcenie jej w nieaktywną cząsteczkę GMP. Wskutek niedoboru cGMP kanały sodowe zamykają się i sód przestaje wnikać do komórki. W błonie segmentu wewnętrznego nadal jednak funkcjonuje pompa sodowa i usuwa jony sodu na zewnątrz komórki. W cytoplazmie fotoreceptora zmniejsza się wtedy stężenie jonów sodu - nośników dodatnich ładunków elektrycznych. Potencjał błonowy staje się bardziej elektroujemny, czyli dochodzi do hiperpolaryzacji błony pręcika. A zatem hiperpolaryzacja błony fotoreceptora, a nie depolaryzacja, jak w większości komórek receptorowych, jest ekwiwalentem jego pobudzenia. Mechanizm transdukcji przyczynia się do znacznego zwielokrotnienia siły sygnału. Już sama rodopsyna jest bardzo wrażliwa na światło, gdyż zaledwie jeden foton wystarcza do aktywacji cząsteczki tego fotopigmentu i przekształcenia go w MII. Następnie jedna cząsteczka MII uaktywnia kilka cząsteczek transducyny, a jedna cząsteczka transducyny - kilka cząsteczek fosfodiesterazy. 187 W podobny sposób są pobudzane czopki. Mechanizm tego procesu jest bardziej złożony ze względu na wrażliwość czopków na barwy. W fotopigmencie czopków występuje retinal o takiej samej budowie, jak w pręcikach. Inna jest natomiast budowa białka opsyny, która w odróżnieniu od skotopsyny pręcików nazywa się fotopsyną. W siatkówce oka człowieka występują trzy fotopsyny, o różnej wrażliwości na barwy. Złożony, wieloetapowy proces transdukcji sygnału świetlnego odznacza się pewną bezwładnością. W wyniku tego pobudzenie fotoreceptorów i wywołane nim wrażenie wzrokowe utrzymuje się dłużej niż obraz na siatkówce. Dlatego gdy siatkówka jest oświetlana krótkimi błyskami światła, wrażenie migania przy pewnej częstości powtarzania błysków (tzw. częstości krytycznej) przekształca się we wrażenie światła ciągłego. Zjawisko to jest wykorzystywane m.in. w kinemato- grafii i telewizji. Częstość krytyczna jest większa dla czopków (ok. 50 Hz) niż dla pręcików (16 Hz) i może się zmniejszyć w niektórych stanach fizjologicznych, na przykład podczas zmęczenia umysłowego. Znaczną częstością krytyczną odznaczają się narządy wzroku latających owadów (200-300 Hz) i ptaków (powyżej 100 Hz). Umożliwia to dostrzeganie podczas lotu przy nieruchomej głowie szybko zmienia- jących się elementów otoczenia. • , - Przenoszenie informacji wzrokowej w siatkówce Hiperpolaryzacyjny potencjał spowodowany oświetleniem fotoreceptorów prowadzi za pośrednictwem komórek dwubiegunowych do pobudzenia i hamowania komórek zwojowych siatkówki. Przenoszenie stanów czynnościowych między komórkami odbywa się za pośrednictwem zarówno synaps chemicznych, jak i elektrycznych. Impulsy nerwowe powstają dopiero w komórkach zwojowych, skąd są przesyłane do ośrodkowego układu nerwowego. Komórki zwojowe są pod względem funkcjonalnym neuronami czuciowymi (sensorycznymi). Ich aksony opuszczają gałkę oczną i tworzą nerw wzrokowy. Sposoby i drogi przenoszenia procesów czynnościowych do komórek zwojo- wych różnią się nieco od siebie w wyniku pobudzenia czopków i pręcików. . ?'', • ' i ,";,"' .'-..;„; / • ';';- i '. . ',.-'•• .f ' _r~*'' <•""'. . V;; i Efekty pobudzenia czopków ]^Czopki kontaktują się z dwoma rodzajami komórek dwubiegunowych: typu włączeniowego (ON) i wyłączeniowego (OFF). W wyniku pobudzenia czopka potencjał związanej z nim komórki dwubiegunowej typu włączeniowego (ON) staje się mniej elektroujemny, a zatem komórka ta ulega depolaryzacji. Inaczej jest w przypadku komórki dwubiegunowej typu wyłączeniowego (OFF). Jej potencjał pod wpływem hiperpolaryzacji czopka staje się bardziej elektroujemny, a zatem komórka ta również ulega hiperpolaryzacji. Komórki dwubiegunowe przekazują stan czynnościowy dalej, do komórek zwojowych, w taki sposób, że komórki typu włączeniowego (ON) pobudzają, a komórki typu wyłączeniowego (OFF) hamują kontaktujące się z nimi komórki zwojowe; (patrz rys. 7.6). W wyniku pobudzenia czopka może zatem dojść do pobudzenia lub do zahamowania związanej z nim komórki zwojowej. Pobudzenie czopka, za pośrednictwem komórek poziomych 188 i amakrynowych, może powodować hamowanie komórki zwojowej związanej z innym czopkiem. Działanie to ma ważne znaczenie dla widzenia kontrastowego i odgrywa rolę w rozróżnianiu barw. ••,:•: i. <:•••*>• ; • -. %• : • .v;^&in^.. • ;.,;:- • , • •••- .:_.'.!..:-• Efekty pobudzenia pręcików ^Przenoszenie stanu czynnego z pręcików do komórek zwojowych różni się od sposobu występującego w czopkach, ponieważ: 1) kontaktujące się z pręcikami komórki dwubiegunowe są typu włączeniowego (ON) i 2) pobudzone przez pręciki komórki dwubiegunowe nie kontaktują się bezpośrednio z komórkami zwojowymi, lecz przekazują pobudzenie do komórek amakrynowych, a te dopiero do komórek zwojowych.JTak więc pobudzenie pręcika jest przekazywane do komórek zwojowych dłuższą drogą. Istnieje jeszcze trzeci mechanizm, polegający na podprogowym pobudzaniu czopków przez sąsiadujące z nim pręciki. Czopki bowiem mają odchodzącą w bok wypustkę, kontaktującą się średnio z 50 sąsiadującymi pręcikami. Dzięki temu czopki, aczkolwiek wrażliwe tylko na silne światło, mogą niekiedy reagować paradoksalnie również na słabe oświetlenie. Zdolność rozdzielcza oka LQ.stre widzenie jest niezbędne do rozróżniania dwóch znajdujących się blisko siebie punktów. Właściwość ta nazywa się zdolnością rozdzielczą oka\^ Gdy zdolność rozdzielcza jest wysoka, punkty te nie zlewają się ze sobą i są widziane jako dwa, gdy odległość między nimi wynosi co najmniej 45 sekund kątowych. Znaczy-to, że człowiek o normalnej ostrości wzroku rozróżnia z odległości 10 m dwa jasne punkty oddalone od siebie o 2-3 mm. Tak dzieje się wówczas, gdy obraz pada na siatkówkę w obrębie dołka środkowego. Jest to spowodowane dużym zagęszczeniem w tym miejscu czopków (160000 na l mm2 siatkówki) oraz tym, że jeden czopek przypada tu na jedną komórkę zwojową. Pręciki znajdują się dopiero na obwodzie dołka środkowego i dalej - w części obwodowej siatkówki. Zdolność rozdzielcza w tej części siatkówki jest znacznie mniejsza, lecz wystarcza do wykrywania ruchu przedmiotów w polu widzenia. Widzenie w różnych warunkach oświetlenia. Adaptacja do światła i ciemności Środowisko życia zwierząt charakteryzuje się ogromnym zakresem natężenia oświetlenia, od 100000 luksów w pełnym słońcu do 0,2 luksa w świetle gwiaździstego nieba. Konieczność przystosowania się do tych warunków spowo- dowała zmiany anatomiczne i funkcjonalne narządu wzroku, które utrwaliły się w procesie ewolucji i doprowadziły do powstania gatunków zwierząt o dziennym i nocnym trybie życia. Zwierzęta aktywne w dzień mają z reguły ostry wzrok i zdolność rozróżniania barw, co jest spowodowane dużą liczbą czopków w siatkówce oka. Ilość światła wchodzącego do oka jest u nich regulowana przez zmiany szerokości źrenic. Zwierzęta o nocnym trybie życia, mające siatkówki 189 0 przewadze pręcików, dysponują mechanizmami umożliwiającymi orientację w środowisku słabo oświetlonym. Na przykład sowy mają dużą soczewkę i szeroką źrenicę, u kołowatych zaś i u wilków pod siatkówką, w obrębie naczyniówki, znajduje się błona odblaskowa, od której odbija się światło i dodatkowo pobudza fotoreceptory (dzięki tej błonie oczy kota „świecą" w nocy). Narząd wzroku człowieka może funkcjonować w różnych warunkach oświet- lenia dzięki zdolności adaptacji do światła i ciemności. Gdy przybywamy w normalnie oświetlonym pomieszczeniu, nasze oczy są zaadaptowane do światła, którego intensywność wydaje się nam odpowiednia do prawidłowego widzenia. Gdy nagle znajdziemy się w ciemnym pomieszczeniu, na przykład w ciemni fotograficznej lub w nieoświetlonej piwnicy, na początku niczego nie widzimy. Po kilku, kilkunastu minutach przebywania w tych warunkach zauważamy, że zaczynamy nieźle się orientować w otoczeniu i dostrzegamy coraz więcej szczegółów, gdyż nasze oczy zaadaptowały się do ciemności. Jeżeli teraz znów przejdziemy do oświetlonego pomieszczenia, światło wyda się nam zbyt jaskrawe, a nawet będzie nas razić. Po pewnym czasie objawy te ustąpią i znów intensywność oświetlenia będziemy oceniać jako normalną, ponieważ oczy będą ponownie zaadaptowane do światła. Iw^adaptacji oka do światła i ciemności odgrywają rolę trzy mechanizmy: fotochemiczny, nerwowy i mechanizm związany z transdukcją sygnału świetlnejoT) Adaptacja fotochemiczna ' ; ]_W adaptacji do światła największe znaczenie ma mechanizm fotochemiczny, polegający na zmianach stężenia barwników wzrokowych w fotoreceptorach siatkówki. Czerwień wzrokowa, czyli rodopsyna pręcików, jest rozkładana pod wpływem światła i syntetyzowana w ciemności: W warunkach pełnej adaptacji do ciemności stężenie substancji wzrokowej w pręcikach jest maksymalne, a zatem słabe bodźce świetlne wystarczają, aby w wyniku rozpadu niewielkiej ilości rodopsyny powstało w siatkówce stężenie retinalu wystarczające do pobudzenia pręcików. Gdy oko zaadaptowane do ciemności zostanie oświetlone silnym światłem, pręciki zostaną silnie pobudzone wskutek nagłego rozkładu rodopsyny 1 pojawienia się dużych ilości retinalu. Dopiero po pewnym czasie, gdy stężenie rodopsyny się zmniejszy, zmniejszy się również pobudzenie pręcików i intensyw- ność oświetlenia uznamy za prawidłową. Fotochemiczna adaptacja receptorów rozwija się w ciągu kilku, kilkunastu minut i może zmienić pobudliwość fotoreceptorów do 25 000 razy. ; Zaburzenie adaptacji do ciemności, popularnie zwane „kurzą ślepotą", jest spowodowane deficytem witaminy A w organizmie (por. rys. 7.8). Każdy cykl rozpadu i ponownej syntezy rodopsyny wymaga zużycia retinalu i do jego odnowy potrzebne są nowe cząsteczki witaminy A. Witamina A jest normalnie pobierana z pokarmem. Organizm dysponuje pewnym zapasem zmagazynowanym w wątrobie, z którego korzysta w razie przejściowego deficytu witaminy A w pożywieniu. Dopiero dłuższy jej brak w pokarmach powoduje awitaminozę A, której jednym z objawów jest brak zdolności widzenia przy słabym oświetleniu. r ,.«> 190 Mechanizm nerwowy adaptacji ? Mechanizm nerwowy adaptacji do światła polega na obniżeniu amplitudy poten- cjałówjjlektrycznych komórek siatkówki (dwubiegunowych, poziomych i amak- rynowych)]w miarę trwania ich pobudzenia. Potencjały te szerzą się elektrotonicznie, a nie w postaci impulsów, dlatego ich amplituda ma ważne znaczenie dla przekazywania pobudzenia do innych komórek/Ubńiżenie amplitudy tych potencja- łów powoduje szybkie, w czasie krótszym od~sekundy, kilkunastokrotne zmniej- szenie wrażliwości siatkówki na silne świaflóTf W porównaniu z adaptacją fotochemiczną ten rodzaj adaptacji jest szybszy, lecz o wiele mniej skuteczny. Zmiany procesu transdukcji ---.•• ? [^Adaptacja do światła może być spowodowana osłabieniem fototransdukcji sygnału "wTcomórkach fotoreceptorowych w miarę utrzymywania się silnego oświetlenia.] W ciemności wnikają do komórki receptorowej wraz z jonami sodu również jony wapnia, które modulując procesy biochemiczne, powodują zmniejszenie prądu ciemniowego i zmniejszenie depolaryzacji błony komórkowej. Gdy siatkówka adaptowana do ciemności zostanie oświetlona silnym światłem, obecne jeszcze w cytoplazmie jony wapnia przyczynią się do zwiększenia hiperpolaryzacji błony, ponieważ aktywują fosfodiesterazę - enzym rozkładający cGMP. W miarę jednak trwania oświetlenia jony wapnia stopniowo opuszczają komórkę. Ich brak prowadzi do niewielkiego zwiększenia stężenia cGMP i częściowego otwarcia kanałów sodowych. Zmniejszeniu ulega wtedy hiperpolaryzacja błony komórkowej i w na- stępstwie tego zmniejsza się stan pobudzenia f otoreceptora.\ Wszystkie te mechani- zmy sprawiają, że oko maksymalnie adaptowane do ciemności jest blisko milion razy bardziej wrażliwe na światło niż oko maksymalnie adaptowane do światła/ Mechanizm fototopowy i skototopowy widzenia u człowieka Adaptacja oka ludzkiego do światła i ciemności umożliwia człowiekowi posługiwanie się dwoma mechanizmami widzenia: fototopowym (w warunkach oświetlenia dziennego) i skototopowym (przy skąpym oświetleniu). Widzenie fototopo we, podobnie jak u zwierząt o dziennym trybie życia, zachodzi za pośrednictwem czopków i jest precyzyjniejsze niż skototopowe, ponieważ znaczne zagęszczenie czopków w dołku środkowym oraz niski stosunek czopków do komórek zwojowych zapewnia większą rozdzielczość wzroku. Jednak aby doszło do efektywnego pobudzenia komórki zwojowej, czopki muszą być oświetlone silnym światłem. Widzenie skototopowe, podobnie jak u zwierząt aktywnych nocą, odbywa się przy udziale pręcików. Komórki zwojowe są pobudzane pośrednio, przez komórki amakrynowe. Poza tym jedna komórka zwojowa jest związana z wieloma komórkami recepcyjnymi. Stosunek liczby pręcików do liczby komórek zwojowych na obwodzie siatkówki dochodzi nawet do 250:1. Jest to niekorzystne dla ostrości widzenia, ale wskutek sumowania się efektów pobudzenia wielu pręcików umożliwia orientację w przestrzeni nawet przy bardzo niewielkim oświetleniu. Pręciki, w odróżnieniu od czopków, są niewrażliwe na barwy. 191 Zjawisko Purkinjego , • •> • i Przechodzenie z widzenia fototopowego na skototopowe jest przyczyną przesunięcia szczytu wrażliwości siatkówki na barwy. Zjawisko to, odkryte przez J. E. Purkinjego, polega na tym, że oko adaptowane do światła jest najwrażliwsze na fale o długości około 550 nm, natomiast oko adaptowanie do ciemności - na fale o długości 505 nm. Przy zapadającym zmierzchu szczyt wrażliwości siatkówki przesuwa się stopniowo od pierwszej do drugiej wartości. Wrazvz tym^mienia się wrażenie względnej jasności przedmiotów o różnym zabarwieniu, l Na przykład kwiaty czerwone, które w dzień wydają się równie jasne jaTTruebieskie, o zmroku stają się nieomal czarne, niebieskie zaś wydają się jaśniejsze. W dzień kwiaty zielonkawożółte wydają się jaśniejsze od trawy, a o zmroku odwrotnie - trawa wydaje się jaśniejsza. Pola recepcyjne komórek zwojowych 1 ' f Każda komórka zwojowa otrzymuje informacje z określonego obszaru siatkówki. Obszar ten nazywa się polem recepcyjnym danej komórki zwojowej. Ponieważ jedna komórka zwojowa może być pobudzana lub hamowana różnymi drogami, tj. nie tylko bezpośrednio przez komórki dwubiegunowe, lecz także za pośrednictwem komórek amakrynowych, pola recepcyjne różnych komórek zwojowych zachodzą na siebie. Komórki zwojowe stale wykazują pewną aktywność, która może zwiększać się lub zmniejszać przy oświetlaniu ich pól recepcyjnych. Gdy oświetlenie pola recepcyjnego badanej komórki zwojowej powoduje zwiększenie częstości wy- twarzanych przez nią potencjałów, taki sposób reagowania nazywa się reakcją włączeniową (ON), l odwrotnie, za reakcję wyłączeniową (OFF) uważa się zmniejszenie częstości potencjałów wytwarzanych przez komórkę podczas oświet- lania jej pola. Często zdarza się, że aktywność komórki gwałtownie zwiększa się tuż po zgaszeniu światła. Organizacja pól recepcyjnych w siatkówce Badania zapoczątkowane w 1953 r. przez Stephena Kufflera wykazały, że pola recepcyjne komórek zwojowych mają organizację koncentryczną. W obrębie pola można wyodrębnić dwie części - środkową i obwodową. Zarówno w części środkowej, jak i obwodowej znajdują się fotoreceptory, których pobudzenie powoduje pobudzenie lub hamowanie danej komórki zwojowej. Większość pól recepcyjnych siatkówki jest zorganizowana w sposób antagonistyczny: jeśli oświetlenie środka pola powoduje pobudzenie komórki zwojowej, to oświetlenie części obwodowej hamuje ją, i odwrotnie. Badania czynności siatkówki są wykonywane na zwierzętach w narkozie chirurgicznej. Oczy unieruchomionego zwierzęcia patrzą na ekran, na którym są wyświetlane bodźce o różnej konfiguracji (rys. 7.7). Ponieważ w tych warunkach 192 Pole recepcyjne komórki zwojowej Oświetlenie Wzmacniacz Mikroelektroda Komórka zwojowa Głośnik Rys. 7.7. Rejestracja potencjałów elektrycznych i koncentryczna organizacja pola recepcyjnego komórki zwojowej siatkówki. Oscyloskop -|- pobudzenie — hamowanie !\ Komórki ^amakrynowe Komórki dwubiegunowe Pole recepcyjne komórki zwojowej Czopki obrazy prezentowanych bodźców są rzucane na odpowiednie obszary nierucho- mych siatkówek, powierzchnia ekranu staje się dokładną mapą siatkówki i jej pól recepcyjnych. Do drogi wzrokowej wprowadza się metalową mikroelektrodę, tak by jej zakończenie znalazło się w pobliżu aksonu badanej komórki zwojowej. Przebieg potencjałów elektrycznych z mikroelektrody po ich wzmocnieniu można oglądać na ekranie oscyloskopu. Dodatkowym sposobem identyfikacji neuronów jest słuchanie ich aktywności w postaci charakterystycznych trzasków z głośnika. Reakcje ON i OFF komórek zwojowych siatkówki Komórki zwojowe siatkówki wykazują różną aktywność w zależności od tego, na jaką część pola recepcyjnego danej komórki - środkową czy obwodową - działa bodziec. Kiedy badana komórka zwojowa reaguje pobudzeniem na oświetlenie części środkowej jej pola recepcyjnego (czyli wykazuje reakcję ON), wówczas z reguły reaguje hamowaniem na oświetlenie części obwodowej (czyli wykaże reakcję OFF). Spotyka się też komórki o odwrotnym sposobie reagowania, tj. wykazujące reakcję ON na oświetlenie części obwodowej, a reakcję OFF na oświetlenie części środkowej (rys. 7.8). Ponieważ pola recepcyjne różnych komórek 193 brak Plamka zapalona zgaszona ftys. f .8. Pola recepcyjne komórek zwojowych; A - komórka typu ON; oświetlenie środka pola _ * uaktywnia, a oświetlenie części obwodowej hamuje komórkę; po zaprzestaniu oświetlania części obwodowej następuje wzrost aktywności komórki; B - komórka typu OFF o odmiennym wzorcu .<•,-. reagowania; oświetlenie obwodu pola uaktywnia, a oświetlenie części środkowej hamuje komórkę; po zaprzestaniu oświetlania v, środka pola następuje wzrost aktywności komórki (na podst. badań Kufflera, 1953). zwojowych zachodzą na siebie, oświetlenie tego samego miejsca siatkówki wywołuje różne reakcje komórek zwojowych. Taki sposób reagowania komórek zwojowych ma duże znaczenie dla detekcji ruchu przedmiotu. Gdy bodziec wzrokowy porusza się w polu widzenia, jego obraz na siatkówce pojawia się w kolejnych polach recepcyjnych, raz oświetlając, raz powodując zaprzestanie oświetlania środkowej i obwodowej części każdego pola. Zmieniający się rozkład pobudzenia i hamowania komórek zwojowych, dalej opracowywany przez ośrodki wzrokowe mózgu, jest podstawą percepcji ruchu. Kontrastowość widzenia : : i ••.,•...>.-> Ważną konsekwencją opisanej wyżej organizacji unerwienia siatkówki jest zwiększenie kontrastowości widzenia. Rysunek 7.9 przedstawia mechanizm widzenia ostrej granicy (krawędzi) między ciemną i jasną częścią obrazu. Pokazane są tam pary dwóch rodzajów czopków, oznaczonych numerami l i 2. Pobudzenie światłem czopka nr l (prawa połowa rysunku) powoduje hiperpolaryzację kontaktującej się z nim komórki dwubiegunowej i hamowanie komórki zwojowej. Jest to zatem reakcja OFF komórki zwojowej na pobudzenie światłem związanego z nią czopka. Pobudzenie światłem czopka nr 2, odwrotnie, wywołuje depolaryzację komórki dwubiegunowej, czyli pobudzenie komórki zwojowej (reakcję ON). Oświetlony czopek nr l za pośrednictwem komórki poziomej hamuje drugi, nieoświetlony czopek nr 1. Kontaktująca się z tym czopkiem komórka dwu- biegunowa, uwolniona spod jego hamującego wpływu, przechodzi w stan depola- ryzacji (reakcja ON) i w efekcie pobudza komórkę zwojową. Pobudzenie światłem czopka nr 2 pobudza związaną z nim komórkę dwubiegunową (reakcja ON) i ta następnie pobudza komórkę zwojową. Ta sama komórka dwubiegunowa, za pośrednictwem komórki amakrynowej, hamuje komórkę zwojową związaną z drugim, nieoświetlonym czopkiem nr 2. Wzajemne hamujące oddziaływania 194 Rys. 7.9. Rola hamowania obocznego w widzeniu kontrastów. Pobudzenie czopka powoduje hiperpolaryzację komórek dwubiegunowych (zacienionych) i depolaryzację komórek dwubiegunowych (oznaczonych kolorem białym). Komórka dwubiegunowa w stanie hiperpolaryzacji hamuje, w stanie zaś depolaryzacji pobudza komórkę zwojową. + - pobudzenie; — hamowanie; x - zniesienie hiperpolaryzacji. Dalsze objaśnienia w tekście. r » • > . Czopki Komórki poziome Komórki dwubiegunowe Komórki • « amakrynowe Komórki zwojowe _J __ _ Potencjały w aksonach komórek zwojowych między komórkami siatkówki są nazywane hamowaniem obocznym. Wskutek działania tego mechanizmu komórki zwojowe w pobliżu granicy między ciemną i jasną częścią obrazu wykazują przeciwne stany czynnościowe - pobudzenie i hamowanie. Taki wzorzec ich pobudzeń jest interpretowany przez ośrodki mózgowe jako ostra granica między różnie oświetlonymi fragmentami obrazu. Jeżeli te same czopki zostaną oświetlone jednolitym światłem (część lewa rysunku), wówczas - wskutek wzajemnych oddziaływań hamulcowych między czopkami nr l, za pośrednictwem komórek poziomych - komórki dwubiegunowe zostają uwolnione od hamującego wpływu fotoreceptorów, przechodzą w stan depolaryzacji i pobudzają komórki zwojowe (reakcja ON). Również komórki dwubiegunowe pobudzone przez czopki nr 2 hamują za pośrednictwem komórek amakrynowych sąsiednie komórki zwojowe. W tych warunkach oświetlenia komórki zwojowe związane z czopkami nr l są pobudzone, a komórki związane z czopkami nr 2 są nieaktywne. Ośrodki mózgowe interpretują taki wzorzec pobudzeń jako jednostajne oświetlenie danego obszaru siatkówki. : , ; ; - Stopniowanie reakcji komórek zwojowych ..,.,... ...,..• , Gdy plamka świetlna pokrywa tylko część wrażliwego na nią obszaru, komórka zwojowa reaguje na nią w sposób stopniowany. Enroth-Cugell i Robson (1966) używali do badania reakcji komórek zwojowych w siatkówce kota bodźca złożonego z pasków czarnych i białych, przypominającego kratę. Bodziec ten przesuwano tak, aby paski czarne, czyli pręty kraty (ciemność), i paski jasne, czyli odstępy między prętami, padały na różne części pola recepcyjnego komórki. Rysunek 7.10 pokazuje reakcje dwóch typów komórek zwojowych, nazwanych 195 Jiys. 7.łO. Oświetlanie pól recepcyjnych komórek zwojowych siatkówki bodźcem złożonym z pasków ciemnych i jasnych (tzw. kratą). W zależności od położenia kraty można oświetlać część środkową lub obwodową pola, albo też stopniować oświetlenie obu części. Komórka typu X, reagująca w sposób liniowy na ten bodziec, odpowiada pobudzeniem, gdy całkowicie oświetlony jest środek, a zacieniony obwód pola (A), natomiast, odwrotnie, reaguje hamowaniem, gdy zacieniony jest środek, a oświetlony obwód pola (B). Przy częściowym oświetleniu środka i obwodu pola komórka reaguje słabiej, a przy pośrednim położeniu kraty (C) wykazuje brak reakcji. Komórka typu Y reaguje nieliniowo, tzn. jej aktywność włącza się na krótko w momencie włączenia i wyłączenia bodźca (na podst. badań Enroth-Cugell i wsp., 1966, 1983). 90° 90° 90° 180° 180° Komórka X Y * Reakcja liniowa nieliniowa l l IIIIHIIII11 11 • l l II l przez tych badaczy komórkami X i Y. Komórka X reaguje nasileniem aktywności elektrycznej, gdy jest jednocześnie całkowicie oświetlona część środkowa i cał- kowicie zaciemniona część obwodowa pola. Ta sama komórka reaguje zniesieniem aktywności elektrycznej, gdy jest jednocześnie całkowicie zaciemniona część środkowa i całkowicie oświetlona część obwodowa pola. Przy innych położeniach kraty (nie pokazanych na rysunku), gdy obie części pola są w różnym stopniu oświetlone, komórka reaguje bądź mniejszym nasileniem, bądź mniejszym osłabieniem aktywności. Natomiast przy położeniu pośrednim, gdy obie części są w połowie oświetlone, aktywność komórki nie ulega zmianie. W inny sposób reaguje na ten sam bodziec komórka Y. Jej aktywność nasila się na krótko zarówno w momencie ukazania się, jak i zniknięcia bodźca, niezależnie od położenia kraty. Opisane właściwości dwóch typów komórek predestynują je do wykonywania różnych funkcji fizjologicznych. Ponieważ komórki X reagują na bodziec w sposób stały proporcjonalnie do jego cechy (intensywności oświetlenia), spełniają kryteria detektorów cech przedmiotów. Natomiast komórki Y, reagujące na zmiany bodźca, są odpowiednie do wykrywania ruchu. Później stwierdzono, że liniowy sposób reagowania jest dość powszechną właściwością nie tylko komórek X, lecz także niektórych komórek Y (Enroth-Cugell i wsp., 1983; Troy i Enroth-Cugell, 1993), a więc może odgrywać rolę również w detekcji lokalizacji przedmiotu. 196 Rodzaje komórek zwojowych . ,, >..' , - ;• ., Różne właściwości funkcjonalne komórek X i Y znajdują odzwierciedlenie w różnicach ich budowy. Komórki X stanowią 55% wszystkich komórek zwojowych i mają najmniejsze pola recepcyjne. Powstałe w nich impulsy są przewodzone w nerwie wzrokowym z prędkością 14 m/s. Ta wolna prędkość przepływu impulsów umożliwia widzenie przedmiotów stacjonarnych lub poruszających się wolno. Komórki Y są największe i najmniej liczne (ok. 5% wszystkich komórek zwojowych). Impulsy w ich aksonach biegną z szybkością 50 m/s, wystarczającą do widzenia przedmiotów poruszających się szybko. W siatkówce kota znaleziono jeszcze komórki W (ok. 40% wszystkich komórek zwojowych), które są najmniejsze i najwolniej przewodzą impulsy (8 m/s). Ich rola fizjologiczna jest stosunkowo mało znana. Przypisuje się im znaczenie w detekcji umiejscowienia przedmiotu i częściowo w widzeniu o zmroku. ' T' ' ' Kanały informacji wzrokowej Impulsy z komórek zwojowych X i Y siatkówki biegną do ciała kolankowatego bocznego, a następnie do kory mózgu odrębnymi drogami nazywanymi kanałami X i Y. Część aksonów komórek Y dochodzi też do wzgórka pokrywy śródmózgowia górnego, podkorowego ośrodka sterującego reakcjami organizmu na bodźce poruszające się w polu widzenia. Wraz z nimi dochodzą tu aksony komórek W. Kanał X doprowadza informację o lokalizacji i ruchu przedmiotu do asocjacyjnych ośrodków wzroku w płacie ciemieniowym kory mózgu, dane zaś o cechach przedmiotu płyną kanałem Y do ośrodków w płacie skroniowym. Naukowcy badający małpy, a więc gatunek bliższy człowiekowi, używają innego nazewnictwa komórek zwojowych i kanałów informacji wzrokowej, zgodnie z którym wyróżniają komórki M (duże, łac. magnus) i komórki P (małe, łac. parvus). Komórki P są wrażliwe na barwy w stopniu, jaki u ssaków występuje tylko u naczelnych. Natomiast komórki M, podobnie jak komórki X u kota, umożliwiają rozróżnianie odcieni szarości, czyli kontrastów. Niektórzy badacze uważają, że komórki P występują tylko u naczelnych i nie mają odpowiednika u ssaków niższych (Benardete i wsp., 1992, 1997). Aksony komórek P i M docierają do wydzielonych miejsc ciała kolankowatego bocznego, w związku z czym wyodrębniono drogę drobnokomórkową (P) i wielkoko- mórkową (M), które dalej biegną do kory mózgu. Ostatecznie większość informacji z komórek P dociera do płata skroniowego, a z komórek M do płata ciemieniowego, rozdział ten jest jednak mniej kompletny niż w przypadku kanałów X i Y u kota, ponieważ część informacji z komórek P dociera do płata ciemieniowego, a część informacji z komórek M dociera do płata skroniowego (Van Essen i DeYoe, 1995). Widzenie barw Zdolność widzenia barw przeszła interesującą drogę ewolucyjną. Dobrze rozróżniają barwy owady, które wskutek odmiennych właściwości fotoreceptorów są wrażliwe na inny niż kręgowce zakres widma słonecznego. Pszczoły odbierają jako barwę 197 ultrafiolet, który odbijany przez płatki niektórych kwiatów jest wskaźnikiem nektaru. Barwny strój godowy u wielu kręgowców niższych jest wykorzystywany do zwabiania partnera seksualnego, a więc jest przez niego rozpoznawany. U ssaków niższych widzenie barw uległo uwstecznieniu. Zaznacza się to szczególnie u zwierząt o nocnym trybie życia, które dysponują jedynie bezbarwnym widzeniem pręcikowym. Ponowny rozwój widzenia barwnego zaznacza się u naczelnych i wiąże się ze specjalizacją komórek siatkówki w kierunku widzenia dziennego i nocnego. Teoria Younga-Helmholtza Współczesne poglądy na mechanizm widzenia barw nawiązują do teorii wysuniętej w XIX wieku przez T. Younga i H. Helmholtza. Zgodnie z tą teorią w siatkówce występują trzy rodzaje czopków, o wybiórczej wrażliwości na barwę niebieską, zieloną i czerwoną. Jeżeli komórka zwojowa jest pobudzana przez czopki wszystkich trzech rodzajów, wówczas pełni rolę detektora oświetlenia, jeśli przez czopki jednego lub dwóch rodzajów, uczestniczy w rozróżnianiu barw. Czopki „niebieskie" są najbardziej wrażliwe na fale o długości około 450 nm, czopki „zielone" na fale o długości około 540 nm, czopki „czerwone" - na fale o długości około 580 nm. Dla rozróżniania barw jest istotne to, że poszczególne czopki również reagują, choć słabiej, na fale o zbliżonej długości, tak że krzywe wrażliwości różnych rodzajów czopków zachodzą na siebie (część górna rys. 7.11). W zależności od stopnia pobudzenia czopków zostają w różnym stopniu pobudzone związane z nimi komórki zwojowe. Rozkład tych pobudzeń jest ostateczne analizowany przez ośrodki wzroku w mózgu. 100 - 80- 60- 40- 20- 437 300 400 500 600 700 nm fioletowy niebieski zielony żółty czerwony Wrażliwość + duz« czopków Q mała 7( +<**n& ^ Pole recepcyjne Rys. 7.11. Mechanizm kodowania barw; część górna - pochłanianie światła o różnej długości fali przez siatkówkę; część dolna - reakcje komórki zwojowej na barwy dopełniające. Reakcja ON- zwiększenie częstości wyładowań; reakcja OFF- zmniejszenie częstości wyładowań komórki spowodowanych ; ! oświetleniem części ' • -;--, .. środkowej jej pola recepcyjnego. Dalsze objaśnienia w tekście. Reakcja OFF/ na plamkę ( % ) Reakcja ON Zielon9 V___' na plamkę Komórka czerwoną zwojowa 198 Reagowanie komórek zwojowych siatkówki na barwy dopełniające - ; Badania wykonane na małpach zmodyfikowały klasyczne poglądy na widzenie barw. W mechanizmie widzenia barw uczestniczą jedynie małe komórki zwojowe P. Komórki te mają koncentryczne pola recepcyjne tak zorganizowane, że jeśli komórka zwojowa reaguje pobudzeniem na oświetlenie części środkowej pola jedną z pary barw dopełniających (reakcja ON), to oświetlenie części obwodowej pola drugą barwą hamuje komórkę (reakcja OFF, dolna część rys. 7.11). Najwięcej przebadanych komórek reagowało w sposób antagonistyczny na parę barw czerwona - zielona. Znaleziono też komórki reagujące w podobny sposób na parę barw niebieska - żółta (Schiller, 1992). Mechanizm reakcji komórki zwojowej na barwy można wyjaśnić następująco: W środku pola recepcyjnego komórki zwojowej znajduje się czopek wrażh'wy na barwę czerwoną, natomiast obwód tworzą czopki wrażliwe na barwę zieloną. Pobudzenie czopków „czerwonych" powoduje pobudzenie komórki zwojowej, natomiast pobudzenie czopków „zielonych" ją hamuje. Należy zwrócić uwagę, że komórka zwojowa jest pobudzona w trzech sytuacjach: 1) gdy środek pola jest oświetlony plamką czerwoną, 2) gdy całe pole recepcyjne jest oświetlone plamką czerwoną i 3) gdy środek pola jest oświetlony plamką białą. Natomiast gdy całe pole jest oświetlone plamką białą, komórka jest nieaktywna, a kiedy jest oświetlone plamką zieloną, komórka jest zahamowana. Interpretację tego zjawiska przedstawiono poniżej. Światło białe jest mieszaniną wszystkich barw wchodzących w skład widma słonecznego, pobudza zatem zarówno czopek „czerwony", jak i czopki „zielone". Gdy pada na środek pola, komórka zwojowa reaguje pobudzeniem, gdy pada na całe pole, komórka nie reaguje, ponieważ jej pobudzenie przez czopki ze środka pola jest znoszone przez hamujące działanie czopków „zielonych" (Gouras, 1968; De Yalois, 1960). Gdy plamka czerwona działa na środek pola, pobudzenie komórki zwojowej nie jest w istocie skutkiem działania światła czerwonego, bo taki sam efekt powoduje światło białe. Do wybiórczego pobudzenia komórki przez światło czerwone dochodzi wtedy, gdy plamka obejmuje jej całe pole recepcyjne. Wówczas światło czerwone silnie pobudza czopek „czerwony", słabiej natomiast czopki „zielone". Ostateczny stan pobudzenia komórki zwojowej jest wypadkową obu tych antagonistycznych oddziały- wań. Przy różnych odcieniach barwy światła czerwonego zmienia się relacja między wpływem pobudzającym z części środkowej i hamującym z części obwodowej pola. Pole widzenia ,,;•••• Polem widzenia nazywa się obszar przestrzeni, którego obraz pada na całą siatkówkę. Pole widzenia można określić u każdego człowieka metodą perymetrii. Badanemu poleca się patrzeć jednym okiem na centralnie położony punkt i, nie odrywając wzroku od tego punktu, jednocześnie zwracać uwagę na mały przedmiot, plamkę świetlną lub, przy braku perymetru, na palec badającego, poruszający się we wszystkich kierunkach od centralnego punktu. Badany podaje, czy widzi ten przedmiot, czy nie. Stosownie do tej informacji wykreśla się pole widzenia 199 Hys. 7.12. Pole widzenia u człowieka wyznaczone za pomocą perymetru. OKO LEWE OKO PRAWE Miejsce najostrzejszego widzenia Obszar widziany • przez oboje oczu Obszar 0° widziany _, , przez jedno oko Plamka ślepa * oddzielnie dla każdego oka. Pole widzenia u człowieka przedstawia rys. 7.12. Rozróżnia się część środkową pola, odpowiadającą dołkowi środkowemu siatków- ki - obszarowi najostrzejszego widzenia, oraz część obwodową. Odległości w obrębie pola widzenia podaje się w jednostkach kątowych. Badając pole widzenia (także u siebie samego) można się przekonać, że przesuwany przedmiot „znika", gdy znajdzie się w odległości 15° bocznie od środka, czyli w obrębie tzw. plamki ślepej. Przedmiot nie jest wówczas widziany, ponieważ jego obraz pada na niewrażliwą na światło tarczę nerwu wzrokowego. W tym miejscu nie ma fotoreceptorów, natomiast skupiają się tu aksony komórek zwojowych siatkówki przed wyjściem z gałki ocznej. Plamka ślepa jest jedynym fizjologicznym ubytkiem w polu widzenia - wszelkie inne ubytki świadczą o uszkodzeniu siatkówki lub drogi wzrokowej. U człowieka poła widzenia obojga oczu, z wyjątkiem części skrajnie bocznych, zachodzą na siebie, wskutek czego przedmioty znajdujące się we wspólnej części rzucają obrazy na obie siatkówki. Taka właściwość narządu wzroku jest podstawą widzenia przestrzennego (stereoskopowego). U kręgowców niższych o bocznym położeniu gałek ocznych każde oko ma odrębne pole widzenia, co sprawia, że zwierzę posługując się obojgiem oczu może objąć wzrokiem znaczny obszar otaczającej je przestrzeni. Taki typ widzenia nazywa się panoramicznym. Oba typy widzenia wiążą się z odmienną organizacją dróg wzrokowych. U kręgowców niższych drogi wzrokowe są całkowicie skrzyżowane, a więc informacja z każdego oka dociera do ośrodków w przeciwnej półkuli mózgu. U ssaków drogi wzrokowe są skrzyżowane częściowo, tak że informacja tylko z wewnętrznej (nosowej) części każdej siatkówki dociera do półkuli przeciwnej, natomiast informacja z części zewnętrznej (skroniowej) dochodzi do ośrodków po tej samej stronie ciała. . ,.,....,,...-> -.,-• .;••< >f •.,,-. y,-,-.. •> ,;.•- 200 Konsekwencje widzenia stereoskopowego > Istotą widzenia stereoskopowego jest zachodzenie na siebie pól widzenia obojga oczu, tak że obraz przedmiotu pada na tzw. korespondujące miejsca obu siatkówek. Każde oko ogląda ten sam przedmiot pod innym kątem, dlatego różnica między obrazami tego przemiotu na obu siatkówkach jest podstawą widzenia trój- wymiarowego i oceny odległości. Aby obraz przedmiotu padł na korespondujące miejsca siatkówek, konieczne jest takie ustawienie gałek ocznych, aby osie wzrokowe obojga oczu przecięły się w miejscu tego przedmiotu. Za oś wzrokową oka uważa się linię przechodzącą przez dołek środkowy siatkówki i miejsce największej wypukłości rogówki. Niezbędne ustawienie gałek ocznych jest precyzyjnie regulowane przez złożone mechanizmy odruchowe. Mechanizm widzenia stereoskopowego przestaje funkcjonować przy oglądaniu przedmiotów z odległości większej niż 60 m. Ocena odległości opiera się wtedy na innych kryteriach, takich jak różnica wielkości dwóch znanych przedmiotów czy też zjawisko paralaksy (różny kierunek przesuwania się bliższych i dalszych przedmiotów przy ruchach głowy). Gdy obrazy przedmiotu nie padają na korespondujące miejsca siatkówek albo gdy obrazy znacznie różnią się wielkością, widzenie obuoczne jest zakłócone. Pierwsza sytuacja występuje w przypadku zeza, druga - przy znacznej różnicy refrakcji obojga oczu (przekraczającej 2 dioptrie). Przedmiot jest wówczas widziany podwójnie albo jeden obraz nakłada się na drugi, tak że oczy „przeszkadzają" sobie wzajemnie. Układ nerwowy przeciwdziała temu, blokując informacje z jednego oka. Utrzymywanie się takiego stanu prowadzi do funkcjonalnych zmian w ośrod- kach wzrokowych i do znacznego upośledzenia ostrości widzenia blokowanego oka (tzw. ambiopia). Dlatego wczesne wykrycie i leczenie zeza u dziecka jest bardzo ważne dla dalszego rozwoju funkcji narządu wzroku aż do wieku dojrzałego. Organizacja dróg i ośrodków wzroku ; Celem aksonów komórek zwojowych siatkówki u człowieka jest ciało (jądro) kolankowate boczne w obrębie wzgórza. Dalsze połączenia biegną do ośrodków wzrokowych w płacie potylicznym^ (rys. 7.15, patrz s. 204). Impulsy nerwowe z siatkówek biegną też do śródmózgowia. Część ich dochodzi do wzgórków pokrywy górnych drogą zwaną siatkówkowo-pokrywową, która odgrywa główną rolę w procesie widzenia u ssaków niższych\ U naczelnych zadanie to zostało przejęte przez drogę siatkówkowo-kolankowato-korową, nato- miast rola wzgórka górnego sprowadza się do detekcji ruchu przedmiotów i uruchamiania reakcji ze strony gałek ocznych na te bodźce^] Istnieją jednak dane, że w niektórych uszkodzeniach filogenetycznie młodszej drogi wzrokowej biegnącej przez ciało kolankowate boczne jej rolę częściowo przejmuje filogenetycznie starszy układ siatkówkowo-pokrywowy. Impulsy z siatkówki docierają też do okolicy przedpokrywowej śródmózgowia, gdzie znajduje się ośrodek wykrywający kierunek poruszania się bodźców w polu widzenia. 201 -----Okno 4---------------------------------------------------------------------------------- Widzenie panoramiczne i stereoskopowe W zależności od sposobu reprezentacji pola widzenia w półkulach mózgu u różnych zwierząt rozróżnia się widzenie panoramiczne i stereoskopowe. Widzenie panoramiczne występuje u ryb, płazów, gadów i ptaków, mających oczy z boku głowy. Przy tym typie widzenia w układzie nerwowym powstaje tylko jeden rozległy obraz otoczenia. Jest to korzystne dla orientacji w dużych przestrzeniach, kiedy precyzyjna ocena odległości nie jest potrzebna, na przykład u ptaków podczas lotu na dużej wysokości czy podczas nawigacji według gwiaździstego nieba. Santiago Ramón y Cajal (1911) zwrócił uwagę, że dla prawidłowej percepcji złożonych scenerii, których elementy padają na siatkówki oddzielnych oczu, jest niezbędne, aby drogi wzrokowe były skrzyżowane. Konieczność ta wynika z właściwości optycznych oka powodujących, że na siatkówkę pada odwrócony obraz przedmiotu. Jak pokazano na rysunku 7.13, hipotetyczne zwierzę o nieskrzyżowanych drogach wzrokowych otrzymałoby całkowicie błędną informację o otoczeniu. Rys. 7.13. Skutki całkowitego ]''"'" skrzyżowania dróg " , , wzrokowych u zwierzęcia . o widzeniu panoramicz- - . nym. Zwierzę ogląda scenerię, w której kowboj na koniu chwyta byka na lasso. W sytuacji poka- ; , • zanej na rysunku obraz całej scenerii nie mieści się na jednej siatkówce, dlatego odwrócony obraz kowboja znalazł się na ' '' siatkówce lewego oka, a odwrócony obraz byka , . na siatkówce prawego oka. Przy skrzyżowanych drogach wzrokowych obraz kowboja jest przesyłany do prawej półkuli, a obraz byka - do lewej. Po scaleniu obu obrazów powstaje rzeczywiste odzwier- ciedlenie scenerii. Hipotetyczne zwierzę i - z nieskrzyżowanymi „ drogami wzrokowymi otrzymałoby błędną informację, że byk urwał się z lassa i goni kowboja. Obraz nieprawidłowy (gdyby drogi wzrokowe były nieskrzyżowane) Przy widzeniu stereoskopowym, które jest właściwością zwierząt mających oczy z przodu głowy, pola widzenia obojga oczu częściowo zachodzą na siebie i obraz przedmiotu pada na obie siatkówki. Ponieważ prawa i lewa połowa każdej siatkówki jest reprezentowana 202 w różnej półkuli mózgu, a obrazy przedmiotów na siatkówce są odwrócone, przedmioty znajdujące się w lewej i prawej części pola widzenia są „widziane" odpowiednio przez prawą i lewą półkulę mózgu. A zatem oglądana sceneria jest niejako dzielona na pół i analizowana przez ośrodki w różnych półkulach. Rysunek 7.14 pokazuje, że w taki sam sposób może być analizowany obraz jednego przedmiotu, gdy znajdzie się na pograniczu obu połówek siatkówki. Dwa obrazy przodu ryby oglądanej na obrazku docierają do lewej półkuli, a dwa obrazy tyłu ryby do prawej półkuli. Scalenie obu części obrazu zależy od współdziałania ośrodków wzroku w obu półkulach za pośrednictwem ciała modzelowatego, natomiast ocena odległości odbywa się przez porównanie dwóch obrazów przedmiotu w tej samej półkuli. Należy podkreślić, że obrazy przedmiotów znajdujących się w skrajnie bocznej części pola widzenia u człowieka trafiają tylko do jednej, przeciwległej półkuli mózgu. Jest to w istocie rudyment widzenia panoramicznego, jaki utrzymał się u naczelnych mimo dominującej roli widzenia stereoskopowego. Rys* 7.14. Organizacja widzenia stereoskopowego u człowieka. Lewa (L) i prawa (P) potowa pola widzenia każdego oka jest „oglądana" przez przeciwległą półkulę mózgu. W sytuacji pokazanej na rysunku do każdej półkuli trafia tylko część obrazu oglądanego przedmiotu. Scalenie obrazów odbywa się na zasadzie przeniesienia (transferu) informacji między ośrodkami wzroku w obu półkulach. Biorą w tym V udział włókna nerwowe kojarzeniowe przebiegające przez ciało modzelowate. Pole widzenia Połowa Połowa lewa prawa Nerw wzrokowy Pasmo wzrokowe Promienistość wzrokowa Skrzyżowanie nerwów wzrokowych Ciało kolankowate boczne Transfer międzypołkulowy Reprezentacja pola widzenia w korze wzrokowej Możliwość oceny odległości jest potrzebna również zwierzętom mającym oczy z boku głowy, na przykład do schwytania owada w locie czy przy poszukiwaniu pożywienia na ziemi. Ocenę taką umożliwia nakładanie się niewielkich części pól widzenia obojga oczu. Owad znajdujący się przed dziobem jaskółki rzuca obraz w obrębie tylnej części każdej 203 z siatkówek. Dlatego ptak w zależności od sytuacji może się posługiwać widzeniem panoramicznym podczas oglądania krajobrazu albo zaczątkową formą widzenia stereo- skopowego w celu schwytania ofiary. Gdy używa widzenia stereoskopowego, ruchome gałki oczne umożliwiają mu fiksację wzroku na bliskim przedmiocie. Ponieważ informacja z każdej siatkówki dociera do przeciwległej półkuli mózgu, w ośrodkowym układzie nerwo- wym powstają dwa obrazy tego samego przedmiotu, jeden w jednej, drugi w drugiej pół- kuli. Odległość łupu jest tu oceniana przez porównanie jego dwóch obrazów w różnych półkulach. 7.15, Drogi wzrokowe u człowieka. Droga siatkówkowo- -kolankowato- -korowa Droga dla regulacji rytmu dobowego Jądro nadskrzyżowaniowe Droga z siatkówki do wzgórków górnych Skrzyżowanie nerwów wzrokowych Pasmo wzrokowe Ciało kolankowate boczne Wzgórki pokrywy górne Wodociąg mózgu Jądro Westphala- -Edingera "" Promienistość wzrokowa Droga odruchu źrenicznego Kora wzrokowa 204 Ciało kolankowate boczne l Ciało (jądro) kolankowate boczne - podkorowe jądro przekaźnikowe w drodze wzrokowej ssaków wyższych - składa się z sześciu warstw komórek (I-VI). Warstwy I i II zawierają duże neurony i dlatego są nazywane częścią wielkokomór- kową ciała kolankowatego bocznego. Pozostałe warstwy (III-VI), zawierające małe neurony, tworzą część drobnokomórkową.j__ Rys. 7.16. Topograficzna i funkcjonalna organizacja ciała kolankowatego bocznego; X i Y - projekcje komórek zwojowych X i Y siatkówki; I-VI - warstwy komórek ciała ! ; kolankowatego bocznego. Siatkówki ) Kanały Część siatkówki " boczna X ......................... v ________ pizyśrodkowa IV IM Prawe i lewe połowy siatkówek obojga oczu są reprezentowane w ciele kolankowatym zarówno w układzie topograficznym, jak i funkcjonalnym (rys. 7.16).. jUkład topograficzny polega na tym, że informacja z oka znaj- dującego się po tej samej stronie ciała dociera do warstwy H, III i V, informacja zaś z oka znajdującego się po przeciwnej stronie ciała dociera do warstwy I, IV i VI. W systemie funkcjonalnym do warstw I i II (czyli do części wielkokomórkowej ciała kolankowatego bocznego) dociera informacja z komórek zwojowych Y, a do warstw Ul-VI (czyli do części drobnokomórkowej ciała kolankowatego bocznego) - informacja z komórek zwojowych X.J W ciele kolankowatym bocznym informacja docierająca z siatkówek zostaje opracowana, a następnie, po przetworzeniu^dfóciera do projekcyjnej okolicy wzrokowej w płacie potylicznym kory mózgu] Jest znamienne, że neurony ciała kolankowatego bocznego mają pola recepcyjne na siatkówce o podobnej koncen- trycznej organizacji jak komórki zwojowe siatkówki. U kotów neurony te reagują nasileniem lub osłabieniem aktywności, gdy plamka świetlna oświetla środek lub obwód pola recepcyjnego. U małp małe neurony ciała kolankowatego, podobnie jak małe komórki zwojowe siatkówki, reagują na barwy w sposób antagonistyczny (Wiesel i Hubel, 1966; Cleland i Lee, 1985). 205 Okolice wzrokowe kory mózgu Dawnie^rozróżniano projekcyjną okolicę wzrokową (pole 17 wg Brodmanna), do której dociera informacja wzrokowa uprzednio przetworzona w jądrze kolan- kowatym bocznym, okolice asocjacyjne (pola 18 i 19), w których odbywa się wstępny proces integracji tej informacji, oraz okolice interpretacyjne w płacie skroniowym (głównie pola 20 i 21), w których odbywa się najbardziej złożony, ostateczny etap integracji, obejmujący pamięć bodźców wzrokowych. \ Ten klasyczny podział obszarów wzrokowych kory został ostatnio znacznie zmodyfikowany. Wpłynęły na to wyniki badań elektrofizjologicznych i behawioral- nych na małpach oraz u ludzi z ogniskowymi uszkodzeniami mózgu, powodującymi subtelne zaburzenia percepcji wzrokowej. System ośrodków mózgowych uczest- niczących w mechanizmach widzenia jest u naczelnych bardzo rozbudowany. W korze mózgu małp wyróżnia się około 30 okolic pełniących różnego rodzaju funkcje wzrokowe (Van Essen, 1985; Zeki; 1978). Projekcyjna okolica wzrokowa, odpowiadająca polu 17 według Brodmanna, według obecnego nazewnictwa okolica VI, obejmuje biegun płata potylicznego, a na przyśrodkowej powierzchni półkuli zajmuje obszar po obu stronach bruzdy ostrogowej (fissura calcarind). Okolica VI charakteryzuje się silnie zaznaczoną organizacją retinotopową. Część środkowa siatkówki, zwłaszcza dołek środkowy, o największej gęstości fotoreceptorów i największej ostrości widzenia, ma Rys, ?T17. Retinotopową organizacja projekcyjnej okolicy wzrokowej (część górna). Korowe obszary wzrokowe (część dolna); MT - mediotemporal; X i Y - kanały informacji wzrokowej. Siatkówka Bruzda ostrogowa Płat , . ^ Zakręt skroniowy dolny Płat ^aki jest? potyliczny - kształt - kolor - powierzchnia 206 największą reprezentację w okolicy bieguna płata potylicznego, natomiast przed- stawicielstwo części obwodowej siatkówki (gdzie ostrość widzenia jest mniejsza) zajmuje odpowiednio mniejszy obszar kory (część górna rys. 7.17). W okolicy VI informacja wzrokowa ulega wstępnemu procesowi integracji i zostaje przekazana do okolic asocjacyjnych V2 (pole 18) i V3 (pole 19). Dalsze przekazywanie tej informacji odbywa się niejako dwoma strumieniami: do okolicy MT (V5) w płacie ciemieniowym i do okolicy V4 w płacie skroniowym (część dolna rys. 7.17). W obu tych płatach znajdują się jeszcze dalsze okolice wzrokowe. Informacja o lokalizacji oglądanego przedmiotu dociera głównie do okolic wzrokowych w płacie ciemieniowym, informacja_zaś o właściwościach przed- miotu - głównie do okolic w płacie skroniowymi Okolice ciemieniowe rozpoznają miejsce przedmiotu w polu widzenia („gdzie jest?"), natomiast okolice skroniowe analizują sam przedmiot („jaki jest?"). W okolicach skroniowych .dokonuje się proces widzenia barw, a także rozpoznawania złożonych bodźcówj na przykład twarzy (Rolls, 1992). Informacja wzrokowa jest zatem analizowana oddzielnie dla różnych kategorii cech przedmiotów. Kanałów przesyłających równolegle informa- cje z siatkówki do mózgu jest u naczelnych znacznie więcej niż u ssaków niższych (Van Essen i DeYoe, 1995). Reagowanie układu wzrokowego na wzorce bodźców Odbiór i analiza informacji wzrokowej ma charakter procesu całościowego. Neurony poszczególnych pięter układu wzrokowego reagują nie na oddzielne punkty, lecz na elementy składowe przedmiotów, takich jak linie, krawędzie czy nawet figury geometryczne. Całościowy sposób reagowania na bodźce wzrokowe występuje już u płazów. Komórki układu wzrokowego ropuchy inaczej reagują na prezentowany na ekranie wzorzec imitujący owada (pokarm) niż na bodźce o konfiguracji sygnalizującej potencjalne niebezpieczeństwo. Reakcje komórek kory mózgu na bodźce o różnej konfiguracji W klasycznych eksperymentach na kotach, które zapoczątkowali D. H. Hubel i T. N. Wiesel (Hubel i Wiesel, 1959, 1962; Hubel, 1982), przed oczami zwierzęcia ustawiano ekran, na którym wyświetlano różne bodźce wzrokowe. Do okolicy wzrokowej w płacie potylicznym wprowadzano mikroelektrodę metalową, której położenie można było precyzyjnie zmieniać za pomocą mikromanipulatora. Potencjały elektryczne z mikroelektrody wzmacniano i analizowano na podstawie ich obrazu na ekranie oscyloskopu. Gdy zakończenie mikroelektrody znajdowało się w pobliżu analizowanego neuronu, można było obserwować jego reakcje na prezentowane bodźce wzrokowe w postaci zwiększenia lub zmniejszenia częstości wyładowań elektrycznych. W zależności od stopnia złożoności reakcji na bodźce wzrokowe wyróżniono komórki „proste", „kompleksowe" i „hiperkompleksowe". Komórki pierwszego typu reagują zwiększeniem częstości potencjałów na bodźce stacjonarne, na 207 Rys. 7.18. Reakcje komórek kory wzrokowej na bodźce o różnej konfiguracji; część górna - metoda rejestracji aktywności elektrycznej; część dolna - komórki tzw. proste, występujące w okolicy wzrokowej V1, reagują, gdy plamka wyświetlana na siatkówce znajduje się w określonym miejscu ich pola recepcyjnego; komórki kompleksowe, występujące w okolicy V1 i V2, reagują na figury złożone z pola białego i czarnego, gdy granica między polami przebiega pod odpowiednim kątem, albo na odpowiednio ustawione pałeczki; pokazana na rysunku komórka kompleksowa reaguje na pałeczkę o określonej grubości, poruszającą się pod określonym kątem. Komórki kompleksowe występują w okolicy V3 (na podst. prac Hubela i Wiesela, 1959,1962). Ekran Mikroelektroda Potencjały czynnościowe Ciało' kolankowate' boczne umilili •ni Komórka hiperkompleksowa V3 Komórki kompleksowe V1,V2 Komórki proste V1 przykład na ukazanie się (reakcja ON) lub zniknięcie (reakcja OFF) plamki świetlnej w określonym miejscu pola widzenia. Często spotykaną reakcją są zmiany częstości wyładowań na krawędź, to znaczy na granicę między jasną i ciemną częścią prezentowanej figury, przy czym istotne znaczenie ma ustawienie krawędzi (pionowe, poziome lub skośne). Typową właściwością komórek „kom- pleksowych" jest reagowanie na pałeczkę świetlną ustawioną pod określonym kątem. Natomiast komórki „hiperkompleksowe" wykrywają nie tylko ustawienie, lecz także szerokość i kierunek poruszania się pałeczki (rys. 7.18). Kolumnowy układ neuronów w korze wzrokowej * '' Interesującą właściwością pola wzrokowego w korze mózgu jest kolumnowy układ jego neuronów. Znaczy to, że neurony o tej samej funkcji, na przykład reagujące na określony kąt (nachylenie) pałeczki, są ustawione w szeregu prostopadłym do 208 Rys. 7.19. Organizacja kolumnowa kory wzrokowej. Kodowanie barw Informacja z oka prawego lewego Ciało kolankowate boczne powierzchni kory, tworzą zatem rodzaj kolumny. Poszczególne kolumny skupiają się w większe zespoły zwane hiperkolumnami. W zespołach tych znajdują się grupy kolumn aktywowanych przez informacje z oka lewego lub prawego, jak również neurony wykrywające barwy. Hiperkolumny są więc podstawowymi jednostkami funkcjonalnymi, w których są kodowane w sposób całościowy elementy obrazów padających na siatkówkę: linie, krawędzie, kąty, krzywizny, a także ruch tych elementów (rys. 7.19). Ruchy gałek ocznych , i l Mięśnie poruszające gałkę oczną są unerwione przez trzy nerwy czaszkowe: III - okoruchowy, IV - bloczkowy i VI - odwodząc^ Funkcjonowanie tych nerwów jest koordynowane przez ośrodek umiej scowiony~w moście, w sąsiedztwie jądra nerwu VI w taki sposób, że obie gałki oczne zwracają się jednocześnie w tym samym kierunku, choć przy patrzeniu w bok wymaga to skurczu różnych mięśni Ruchy gałek ocznych odgrywają ważną rolę w czynności widzenia. Gdy w polu widzenia pojawia się nowy przedmiot, oczy, a nawet głowa i cały tułów zwracają się odruchowo ku niemu, a następnie gałki oczne są utrzymywane w takim położeniu, by obraz tego przedmiotu padał na części środkowe obu siatkówek. Często przedmiot ten najpierw ukazuje się w bocznej części pola widzenia, gdzie widzenie jest nieostre i mało precyzyjne. Wówczas właśnie przeniesienie jego obrazu dzięki ruchom oczu do części centralnej pola jest wręcz niezbędne do oceny ważności tego obiektu.) 209 Rys. 7.20. Ośrodki podkorowe sterujące ruchami gałek ocznych. li Mięsień: prosty górny odwodzący prosty dolny Nerw: okoruchowy bloczkowy odwodzący ŚRÓD- MÓZGOWIE Mięsień: , skośny górny. ^skośny dolny „ prosty przyśrodkowy Mięsień: prosty górny odwodzący prosty dolny Nerw: okoruchowy bloczkowy odwodzący Wzgórki pokrywy dolne Jądra przedsionkowe Ośrodek mostowy/ ruchów gałek ocznych Jądro siatkowate mostu przyśrodkowe [Położenie obrazu w obszarze najostrzejszego widzenia zapewniają drobne ruchy oczu, pojawiające się jak tylko obraz znajdzie się poza dołkiem środkowym siatkówki! Ruchy te mają jeszcze inne znaczenie. Otóż komórki zwojowe siatkówki reagują najintensywniej nie na stałe oświetlenie, lecz na włączanie i wyłączanie oświetlenia ich pól recepcyjnych. Dlatego dla optymalnego odbioru bodźców wzrokowych jest korzystne, aby obraz oglądanego przedmiotu nie stał w miejscu, lecz wskutek drobnych ruchów oczu poruszał się w pewnym niewielkim obszarze siatkówki. •,•.:.....<•....,-. ., . ,- ....-• >,,,.,,. - ; Rodzaje ruchów gałek ocznych ' ' s l ----------- j Rozróżnia się pięć rodzajów ruchów oczu: odruch błędnikowo-oczny, reakcję optokinetyczną, ruchyjikokowe („sakkadowe"), ruchy podążania i ruchy ustalające zbieżność gałek ocznych! ' '•'• : '•'•'•• ' : ^ \ , .' ' -,•[,.••,• ^Zadaniem odruchu błędnikowo-ocznego jest kompensacja położenia gałek ocznych przy ruchach głowy, tak by obraz otoczenia utrzymywał się stabilnie w tych samych miejscach siatkówek! Odruch ten funkcjonuje już przy niewielkich 210 ruchach całego ciała wraz z głową, na przykład podczas chodu, i zapewnia stałość percepcji otoczenia. Natomiast przy większych zwrotach głowy pojawia się reakcja dwufazowa zwana oczopląsem. Najpierw gałki oczne poruszają się wolno w przeciwnym kierunku, a gdy osiągną skrajne położenie, wykonują szybki ruch zgodny z ruchem głowy i wracają do pozycji wyjściowej. Następuje wówczas fiksacja wzroku na nowym obiekcie i cała reakcja się powtarza^ ] Reakcja optokinetyczna występuje wtedy, gdy obraz na siatkówce zmienia położenie wskutek ruchu przedmiotu, a nie wskutek ruchu własnego ciała. Reakcja ta służy poszukiwaniu przedmiotów w polu widzenia i polega na podążaniu, zwracaniu głowy lub wodzeniu oczami za przesuwającą się sceneriaiPodobnie jak przy odruchu błędnikowo-ocznym, gdy gałki oczne osiągają skrajne położenie, następuje szybki ich powrót do pozycji wyjściowej. Reakcja ta jest powszechnie znana jako oczopląs „kolejowy", ponieważ szczególnie wyraźnie występuje u pasażera, który wygląda przez okno jadącego pociągu. Podróżny przez pewien czas utrzymuje wzrok na aktualnym fragmencie krajobrazu wodząc za nim oczami, a gdy obraz ten „odpływa w dal", oczy patrzącego szybko wracają do poprzedniej pozycji, a następnie poruszają się w ślad za nowym fragmentem w polu widzenia. -,. „•,••,• !'•••• ; o \,Ruchy skokowe polegają na szybkim „przeskakiwaniu" wzroku na kolejny fragment, gdy poprzedni został już sprawdzony lub poznany.! Występują przy oglądaniu dużych obrazów złożonych z wielu fragmentów, obsłudze maszyn o dużych rozmiarach, kontroli wskaźników na tablicy rozdzielczej, a także przy czytaniujcsiążki. Ruchy podążania występują, gdy śledzi się przedmiot poruszający się z nieregularną prędkością albo nieoczekiwanie zmieniający kieruneklnićhul Ruchy te nie pojawiają się, gdy sami przesuwamy dany przedmiot (ręką, dźwignią). Podobnie reakcję oczu na wolno przesuwające się przedmioty nazywa się ruchami wodzenia. _.. -Zbieżne ustawienie gałek ocznych odgrywa ważną rolę w widzeniu obuocznym, ponieważ sprawia, że osie wzrokowe oczu przecinają się w miejscu położenia oglądanego przedmiotu. Gdy w pole widzenia wchodzi interesujący nas przedmiot, oczy ustawiają się w jego kierunku w wyniku reakcji nazywanej odruchem wpatrywania się albo odruchem fiksacji gałek ocznych. Odruchowi temu towarzyszy akomodacja oka umożliwiająca ostre widzenie przedmiotu oraz zwężenie źrenic, które zwiększa głębię ostrości. Ośrodki kontrolujące ruchy gałek ocznych [W. kontroli ruchów gałek ocznych uczestniczą struktury śródmózgowia i mostu oraz ośrodki w korze mózgu^lJViele .reakcji ocznych ma charakter odruchów, sterowanych przez ośrodki podkorowe. Odruchowy charakter mają ruchy skokowe, w których powstawaniu ważną rolę odgrywają wzgórki pokrywy górne). We wzgórkach pokrywy górnych jest niejako kodowana mapa programu tych ruchów i według tej mapy są wyzwalane kolejne ruchy. Pobudzenie jest przekazywane do 211 ośrodka w obrębie tworu siatkowatego mostu, a następnie do mostowego ośrodka skojarzonych ruchów gałek ocznych (rys. 7.20). Informacja o ruchach obrazu na siatkówce najpierw dociera do ośrodków korowych wzroku, a potem do ośrodka w płacie ciemieniowym sterującego mimowolnymi ruchami gałek ocznych. Pobudzenie z tego ośrodka jest ostatecznie przekazywane do ośrodka w moście. Informacja ta odgrywa rolę w wyzwalaniil reakcji optokinetycznej, w ruchach podążania i w zbieżnym ustawianiu gałek ocznych. Poszukiwanie przedmiotów w polu widzenia oraz wodzenie za nimi, oprócz komponentu odruchowego, sterowanego przez ośrodek mostowy, jest też czynnością dowolną, którą kieruje ośrodek umiejscowiony w polu 8a w płacie czołowym kory mózgu ((rys. 7.21). W wyniku jego pobudzenia gałki oczne zwracają się w stronę przeciwną. Chorzy z niewielkim uszkodzeniem pola 8a wykazywali dłuższą latencję reakcji zwrotu oczu ku bodźcowi po przeciwnej stronie względem strony uszkodzenia, niż ku bodźcowi po stronie uszkodzenia. Tak było, gdy pacjent wcześniej widział strzałkę pokazującą, gdzie ma oczekiwać bodźca< Natomiast gdy bodziec pojawiał się bez uprzedzenia, odruchowa reakcja ku „chorej" stronie była szybsza niż ku stronie „zdrowej". Na podstawie tej obserwacji wysunięto wniosek, że ośrodek w płacie czołowym odgrywa podwójną rolę: steruje dowolnymi ruchami gałek ocznych i jednocześnie hamuje reakcje odruchowe. Umożliwia to człowiekowi oderwanie wzroku od przypadkowych bodźców i skierowanie go ku obiektowi aktualnego zainteresowania (Rafał i Robertson, 1995). flys. 7.21, Sterowanie ruchami gałek ocznych przez ośrodki korowe. PŁAT CZOŁOWY PŁAT CIEMIENIOWY IEMIENIOWY \ . /__i Ośrodek korowy / / ruchów mimowolnych \f*^ lifSrf' gałek ocznych PŁAT ^ SKRONIOWY r ^— > ' ŚRÓDMÓZGOWIE < Nerw okoruchowy (III) ) PŁAT POTYLICZNY Wzgórek ' pokrywy Nerw bloczkowy (IV) ^ ••• xv \ QvJ Nerw odwodzący (VI) \iv^ *^\ MOST J Ośrodek mostowy\_____L-—Uc ruchów-----\ \VI " gałek ocznych Jądra przedsionkowe 212 Unerwienie wegetatywne oka. Akomodacja ?^ i t^; Zadaniem unerwienia wegetatywnego oka jest regulacja wypukłości soczewki i szerokości źrenicy. Soczewka ma naturalną tendencję do przyjmowania kształtu kulistego, natomiast w oku jest rozciągana przez więzadła, które przytwierdzają ją do naczyniówki. Więzadła te wskutek skurczów mięśnia rzęskowego mogą przemieszczać się w taki sposób, że silniej lub słabiej rozciągają soczewkę. Mięsień rzęskowy jest unerwiony przez układ przywspółczulny. Od zmian kształtu soczewki zależy akomodacja oka, a tym samym możliwość ostrego widzenia przedmiotów w różnej odległości od patrzącego. Szerokość źrenic jest wypadkową napięcia dwóch antagonistycznych mięśni - koncentrycznie położonego zwieracza źrenicy i promieniście ułożonych włókien mięśnia rozszerzającego źrenicę. Mięsień zwieracz źrenicy jest unerwiony przez włókna przywspółczulne wychodzące z nieparzystego jądra Westphala-Edingera w śródmózgowiu (rys. 7.15), a mięsień rozszerzający źrenicę przez włókna współczulne, które wychodzą ze zwoju gwiaździstego (rys. 7.22). Źrenice zwężają się pod wpływem oświetlenia siatkówki, przy zbieżnym ustawieniu gałek ocznych i podczas akomodacji oka. Reakcja zwężania się źrenic pod wpływem światła w pewnym stopniu reguluje oświetlenie siatkówki, natomiast reakcje na zbieżność i akomodację zwiększają głębię ostrości. Przy wąskich źrenicach w zasięgu ostrego widzenia znajduje się nie tylko oglądany przedmiot, lecz także przedmioty znajdujące się w pewnej odległości przed nim i za nim. Jądro Westphala- ,°> -Edingera rzęskowy a Nerw III Wzgórek pokrywy górny . 7.22. Unerwienie wegetatywne oka. Splot tętnicy szyjnej \ RDZEŃ KRĘGOWY Zwój szyjny górny Ośrodek odruchu rozszerzania* źrenicy Zwoje współczulne odcinek piersiowy 213 Uwaga wzrokowa Uszkodzenia drogi wzrokowej powodują charakterystyczne ubytki w polu widzenia, na podstawie których można zlokalizować mniejsze uszkodzenia mózgu. Na przykład proces chorobowy niszczący projekcyjną okolicę wzrokową w płacie potylicznym jest przyczyną niedowidzenia połowiczego, czyli stałego nierozpoz- nawania przedmiotów w połowie pola widzenia przeciwnej względem strony uszkodzenia. Innym charakterystycznym ubytkiem jest niedowidzenie dwuskronio- we, gdy pacjent widzi tylko przedmioty w środku pola widzenia, nie widzi natomiast przedmiotów położonych bocznie. Zaburzenie to występuje wtedy, gdy powiększający się guz przysadki uszkadza przednią część skrzyżowania nerwów wzrokowych (rys. 7.23). Iffy*, 7.2Jfc Ubytki w polu widzenia. Widzenie prawidłowe Niedowidzenie dwuskroniowe Niedowidzenie połowicze J Nieuszkodzone drogi -j informacji wzrokowej X Miejsce uszkodzenia Droga zablokowana Od niedowidzenia połowiczego trzeba odróżnić zaburzenia uwagi wzrokowej. Mimo braku wyraźnych ubytków w polu widzenia, pacjent w niektórych okolicz- nościach nie zauważa pokazywanych mu przedmiotów, które w innych sytuacjach rozpoznaje prawidłowo. Zespół Balinta Zaburzenia uwagi wzrokowej w postaci niezauważania więcej niż jednego przedmiotu w polu widzenia występują w zespole Balinta, spowodowanym 214 uszkodzeniem tylnych części płatów ciemieniowych. Chorzy z tym zespołem nie zauważają na przykład, że badający ich lekarz nosi okulary, choć okulary te, jako odrębny przedmiot, identyfikują prawidłowo. W jednym z eksperymentów (Humpreys i Riddoch, 1992) chorym pokazywano kółka, z których każde było czerwone lub zielone, albo też połowa kółka była czerwona, a druga połowa zielona. Pacjenci musieli podać, czy widzą jeden, czy dwa kolory. Dostrzeganie dwóch kolorów było łatwiejsze w przypadku kółek dwukolorowych niż gdy w próbie pokazywano kółka całe czerwone i całe zielone. Chorzy lepiej także dostrzegali dwa kolory, gdy kółko czerwone i kółko zielone były połączone grubą czarną linią. Wtedy jednak oceniali tę figurę całościowo, traktując ją jako rysunek sztangi z krążkami. Wyniki te wskazują, że w zespole Balinta występuje niemożność odwrócenia uwagi od zauważonego raz obiektu i przeniesienia jej na inny obiekt. Pomijanie boczne ' • . U chorych z rozległym jednostronnym uszkodzeniem kory mózgu obejmującym płat czołowy, ciemieniowy i skroniowy obserwowano niedostrzeganie przedmiotu znajdującego się w przeciwnej względem uszkodzenia (czyli „chorej") połowie pola widzenia wtedy, gdy podobny przedmiot był jednocześnie pokazywany w „zdrowej" połowie6. Przy szczególnym nasileniu tej choroby pacjenci jedzą tylko z jednej połowy talerza lub golą tylko jedną połowę twarzy (widzianą po stronie uszkodzenia, czyli w „zdrowej" połowie pola widzenia). Chory, któremu pokazuje się dwie monety, jedną z prawej, drugą z lewej strony, dostrzega tylko jedną monetę - w „zdrowej" połowie pola widzenia. Widzi natomiast monetę również w „chorej" połowie, gdy podobnej monety nie ma w „zdrowej" połowie pola. U jednego chorego zjawisko to występowało nawet wtedy, gdy oba przedmioty dość znacznie różniły się cechami fizycznymi, lecz należały do tej samej kategorii, na przykład metalowy widelec domowy i plastykowy widelec wycieczkowy (Rafał i Robertson, 1995). Widzenie mimo ślepoty W badaniach u chorych z lokalnymi uszkodzeniami mózgu zajmowano się też rolą mechanizmów nieświadomych w procesie uwagi wzrokowej. Chorzy z niedowi- dzeniem połowiczym z powodu uszkodzenia kory płata potylicznego wykazują nieświadome reakcje na niewidoczne dla nich bodźce w „ślepej" połowie pola widzenia. Zjawisko to, zwane widzeniem mimo ślepoty (blindsighi), było badane w warunkach kontrolowanych za pomocą odpowiednich testów (Rafał i Robertson, 1995). Pacjentom polecano patrzeć na środek ekranu, a gdy w bocznej części pola widzenia ukazywał się przedmiot, przenosić wzrok na ten bodziec. Oczywiście chorzy reagowali tylko na bodźce prezentowane w „zdrowej" połowie pola widzenia. Jednak gdy przedtem w „chorej" połowie wyświetlano bodziec, nie- W piśmiennictwie anglojęzycznym objaw ten jest nazywany lateral neglect. 215 uświadamiany przez pacjenta, następująca po nim reakcja na bodziec w „zdrowej" połowie wykazywała wydłużoną latencję. Działo się tak dlatego, że pacjent musiał najpierw niejako odwrócić uwagę od bodźca, którego nie widział. Badania te potwierdzają wcześniejsze obserwacje niekiedy zadziwiających reakcji chorych na bodźce, których obecności nie są świadomi; na przykład przed przejściem przez ulicę chory czeka, aż przejedzie pojazd poruszający się w „ślepej" połowie jego pola widzenia. Przypuszcza się, że w tych przypadkach dochodzi do głosu filogenetycznie starszy podkorowy układ wzrokowy zlokalizowany we wzgórkach pokrywy śródmózgowia górnych. Z przedstawionych wyżej badań można by sądzić o szczególnej roli płata ciemieniowego w procesach uwagi wzrokowej. Wyniki te znajdują potwierdzenie w obserwacjach poczynionych na małpach, wskazujących na istotne znaczenie obszarów ciemieniowych, zwłaszcza pola 7a, w funkcjach wzrokowych. Okolice ciemieniowe nie działają jednak w sposób izolowany. Pobudzenie jest stąd przekazywane do obszarów w płacie czołowym, gdzie kodowane są wzorce pamięci wzrokowej. 8. Układ słuchowy 11 arząd słuchu odbiera informacje za pośrednictwem drgań cząsteczek środowiska (powietrza lub wody), w którym zwierzę przebywa. Drgania te rozprzestrzeniają się od źródła w kierunku zgodnym z kierunkiem drgań cząsteczek. Ze względu na kierunek drgań fala dźwiękowa jest więc falą podłużną i gdy pada na powierzchnię, wywiera na nią pewne ciśnienie, które można wyrazić w jednostkach fizycznych (paskalach). (.Drgania o częstotliwości od 16 do 20000 Hz, słyszalne dla człowieka, nazywa się dźwiękami, drgania o częstotliwości wyższej - ultradźwiękami, a o częstot- liwości niższej - infradźwiękamTj Proste dźwięki, o drganiach sinusoidalnych w zakresie jednej częstotliwości, nazywa się tonami. Częstotliwość fali akustycznej odbieramy jako wysokość, a jej amplitudę jako natężenie tonu. Dźwięk może mieć barwę, zależną od wypadkowej drgań zmieszanych tonów. Infradźwięki o częstotliwości 8-13 Hz, wyczuwane przez meduzy, rozchodzą się w wodzie na 10-15 godzin przed sztormem i skłaniają te jamochłony do ucieczki ze strefy przybrzeżnej. Fale słyszalne dla człowieka, wykazujące zdolność uginania się wokół przeszkód, a także nadające się do emitowania rozdzielnych (dyskretnych) sygnałów, są szczególnie przydatne do utrzymywania łączności między różnymi osobnikami. Sposób rozchodzenia się fal akustycznych umożliwia odbiór własnych sygnałów. Jest to zjawisko niezmiernie ważne dla mowy - ludzkiego sposobu porozumiewania się. Ultradźwięki są używane głównie do lokalizacji przeszkód przez nietoperze, choć są słyszane również przez zwierzęta innych gatunków. Zmysł słuchu kręgowców rozwinął się razem z narządem równowagi, z którym łączy go sąsiedztwo anatomiczne i niektóre wspólne cechy funkcjonalne, na przykład podobny mechanizm pobudzania komórek zmysłowych. Taką samą organizację ma zmysł linii bocznej (nabocznej) u większości kręgowców żyjących w wodzie, zwłaszcza u ryb. Narządy tego zmysłu są rozmieszczone w bocznych częściach tułowia i/lub głowy. Są nimi zespoły komórek zmysłowych, umieszczone w specjalnych kanalikach albo zagłębieniach ciała. Komórki te mają włoski zanurzone w galaretowatej substancji. Pod wpływem sił mechanicznych wywoła- nych prądem wody włoski te odkształcają się. W wyniku odkształcenia dochodzi 217 do otwarcia kanałów jonowych i do pobudzenia komórek. Zmysł linii bocznej informuje zwierzęta o prądach wody i umożliwia im utrzymanie względem nich właściwego położenia ciała. Budowa i czynność narządu słuchu Narząd słuchu ssaków składa się z ucha zewnętrznego, ucha środkowego i ucha wewnętrznego (rys. 8. l A, B ,C). Między uchem zewnętrznym i środkowym jest rozpięta elastyczna błona bębenkowa, wprawiana w drgania przez fale dźwiękowe, Rys. 8.1. Schemat budowy narządu słuchu człowieka; A - ucho zewnętrze; B - ucho środkowe; C - ucho wewnętrzne (ślimak); D - ślimak rozwinięty - rozchodzenie się fali wędrującej w zależności od wysokości tonu; E - ruchy błony okienka owalnego i okrągłego; F - kształt błony okienka owalnego w zależności od okresu fali : akustycznej; a - błona okienka owalnego wklęsła, b - wypukła. Przewód ślimakowy Tony niskie Tony Fala wędrująca wysokie 218 Rys. 8.2. Przekrój poprzeczny ślimaka. Komórki włoskowate wewnętrzne Przychłonka Schody bębenka Nerw ślimakowy Zwój spiralny ślimaka Filar: wewnętrzny \ zewnętrzny które dochodzą do niej przez przewód słuchowy zewnętrzny. W uchu środkowym drgania błony bębenkowej przenoszą się na system trzech kosteczek słuchowych (rys. 8.1B).l Ucho wewnętrzne jest utworzone przez jamę w części skalistej kości skroniowej, nazywaną błędnikiem kostnym. Wnętrze tej jamy wypełnia błędnik błoniasty. Receptory słuchowe znajdują się w części błędnika błoniastego zwanej przewodem ślimakowymi. ..-;-.., :,•.--. •!:.:,,->- /-;-. !•> , Przewód ślimakowy ma kształt zwiniętej rury tworzącej 2V2 zwoju, wypeł- nionej płynem (rys. 8.1C). Przez środek przewodu przechodzi błona podstawna, na której znajduje się narząd spiralny (Cortiego). Równolegle do błony podstawnej rozpościera się układ podłużnych włókien tworzących błonę siatkowatą. Błona siatkowata jest połączona z błoną podstawna dwoma filarami - wewnętrznym i zewnętrznym. Nad błoną siatkowatą znajduje się błona pokrywająca (rys. 8.2). Trzy wymienione błony odgrywają zasadniczą rolę w pobudzaniu receptorów słuchowych. Receptorami słuchowymi są komórki receptorowe (zmysłowe) narządu Cortiego zaopatrzone we włoski i stąd zwane komórkami włoskowatymi. Włoski tkwią w zgrubiałym odcinku błony komórkowej tworzącym płytkę, za pomocą której komórka jest osadzona w błonie siatkowatej. Przeciwległy biegun komórki jest przytwierdzony do błony podstawnej. Włoski komórki włoskowatej stykają się z błoną pokrywającą, a końce niektórych włosków znajdują się w obrębie tej błony. Drgania błony podstawnej za pośrednictwem osadzonych na niej filarów udzielają się błonie siatkowatej i powodują drobne ruchy komórek. Ponieważ drgania te nie przenoszą się na błonę pokrywającą, kontaktujące się z nią włoski są rytmicznie przeginane w takt drgań akustycznych. Wewnątrz przewodu ślimakowego znajduje się jeszcze cienka błona przed- sionkowa (Reissnera), która nie uczestniczy w przenoszeniu fali akustycznej, rozgranicza natomiast przestrzenie płynowe zwane schodami. Wśród nich rozróżnia się: 1) schody bębenka, znajdujące się po przeciwnej stronie błony podstawnej w stosunku do narządu Cortiego, 2) schody środkowe między błoną podstawna i błoną Reissnera - w ich obrębie znajduje się narząd Cortiego i 3) schody 219 Rys. 8.3. A - schemat budowy narządu Cortiego; B - osadzenie komórek włoskowatych względem przestrzeni płynowych ślimaka. Komórki włoskowate i zewnętrzne } - Błona pokrywająca •JO..A.......B........fl........fl włoskowate wewnętrzne Błona podstawna U Włókna nerwowej ////^Włókna nerwowe odprowadzające Kierunek A drgań Przychłonka __ (® y^ Kierunek • drgań Zwój spiralny ślimaka Nerw ślimakowy przedsionka, znajdujące się po drugiej stronie błony Reissnera. Schody bębenka i schody przedsionka wypełnia płyn zwany przychłonką (perylimfą), natomiast schody środkowe wypełnia Śródchłonka (endolimfa). Oba te płyny różnią się składem chemicznym. W przychłonce występuje przewaga jonów sodu, w śród- chłonce - jonów potasuj Różnice stężenia jonów między obu płynami powodują, żejpptencjał elektryczny śródchłonki jest o około 80 mV wyższy od potencjału przychłonjE|(rys. 8.3). Przenoszenie fali akustycznej w uchu środkowym - * '' Na granicy ucha środkowego i ucha wewnętrznego znajduje się blaszka kostna, w której znajdują się dwa otwory zwane okienkami: okienko owalne i okienko okrągłe. Błona zakrywająca okienko owalne jest ścianą schodów bębenka, a błona zakrywająca okienko okrągłe jest ścianą schodów przedsionka (rys. 8. ID). Z błoną okienka owalnego kontaktuje się strzemiączko - jedna z kosteczek słuchowych ucha środkowego, i przenosi na nią drgania akustyczne. W takt tych drgań zwiększa się i zmniejsza ciśnienie wewnątrz przewodu ślimakowego (rys. 8.1E, F). Drgania płynu wypełniającego ślimak udzielają się błonie podstawnej. Odkształcenia tej błony, zwane falą wędrującą, biegną od podstawy ślimaka błoniastego w kierunku jego szczytu, tj. końca w głębi ślimaka kostnego. Błona podstawna jest najwęższa u podstawy ślimaka, najszersza zaś w okolicy szczytu. Szczyt amplitudy fali wędrującej przypada na różne miejsca błony podstawnej, zależnie od częstotliwości fali akustycznej. Fale o niskiej częstotliwości (poniżej 500 Hz), czyli odpowiadające tonom niskim, powodują drgania błony o maksymal- nej amplitudzie w okolicy szczytu ślimaka, natomiast fale o wysokiej częstotliwości (powyżej 10000 Hz) powodują takie drgania w początkowym odcinku błony. Obserwacje te dały podstawę teorii George'a Bekesy'ego, że recepcja tonu o danej wysokości jest związana z pobudzeniem komórek zmysłowych w tym miejscu błony podstawnej, w którym amplituda fali wędrującej jest największa. 220 Teoria kodowania wysokości tonów za pomocą amplitudy fali wędrującej nie wyjaśnia powszechnie znanej dużej zdolności rozdzielczej zmysłu słuchu. Człowiek odróżnia w przedziale 1000-3000 Hz dwa tony, jeśli różnią się częstotliwością o 0,3%, na przykład 1000 i 1003 Hz. W tym zakresie częstotliwości l Hz zajmuje odcinek błony podstawnej o długości około 3 mikronów, a w wyż- szych zakresach jeszcze mniej. Natomiast amplituda fali wędrującej jest „rozmyta", czyli w obrębie jej maksimum mieści się co najmniej znaczna część oktawy muzycznej. Wiele danych wskazuje na to, że w precyzyjnym kodowaniu wysokości tonów współdziałają dwa rodzaje komórek włoskowatych - wewnętrz- ne i zewnętrzne, nazwane tak zew.zględu na ich umiejscowienie wewnętrznie i zewnętrznie względem filarów. /Komórek wewnętrznych jest około 3500 i każda styka się średnio z jednym włóknem nerwowym. Natomiast komórek zewnętrz- nych jest około 20000 i średnio 20 komórek przekazuje pobudzenie do jednego dendrytu komórki sensoryćż"nejp Komórki włoskowate nie mają wypustek. Kontaktują się z nimi bezpośrednio zakończenia dendrytów komórek, których perykariony znajdują się w zwoju spiralnym ślimaka. tSZłaściwymi komórkami zmysłowymi słuchu są mniej liczne komórki wewnętrzne, natomiast zadaniem komórek zewnętrznych jest udział w skomplikowanym mechanizmie precyzyjnego kodowania wysokości tonówj\ Pobudzenie komórek włoskowatych Wiele badań w zakresie budowy i funkcjonowania receptorów słuchowych wykonano w warunkach laboratoryjnych in vitro na izolowanych fragmentach narządu Cortiego lub na pojedynczych komórkach włoskowatych utrzymywanych przy życiu w sztucznym środowisku. Wyniki uzyskane za pomocą tych precyzyjnych metod są konfrontowane z obserwacjami czynności narządu słuchu w warunkach naturalnych. Właściwości morfologiczne i elektrochemiczne komórek włoskowatych Komórki włoskowate kontaktują się z dwiema przestrzeniami płynowymi o różnych właściwościach fizykochemicznych. Jeden biegun każdej komórki, zawierający włoski, styka się ze śródchłonką, w której występuje przewaga jonów potasu. Jony te odgrywają główną rolę w pobudzaniu komórek włoskowatych. Rozróżnia się włoski długie i krótkie. Drgania błony podstawnej i błony siatkowatej powodują drobne przemieszczenia komórek zmysłowych względem nieruchomej błony pokrywającej, a tym samym odchylanie długich włosków. Długie włoski niejako pociągają za sobą włoski krótkie, w których błonie znajdują się kanały potasowe. Odkształcenie błony włosków krótkich powoduje otwarcie kanałów potasowych, w wyniku czego jony potasu wchodzą ze śródchłonki do wnętrza komórki i powodują depolaryzację jej wnętrza. Pozostała większa część komórki kontaktuje się z przychłonką. W błonie otaczającej tę część znajdują się kanały wapniowe, które otwierają się pod wpływem depolaryzacji wnętrza komórki, oraz kanały potasowe różnego typu. Niektóre z tych kanałów otwierają się przy odpowiednim stężeniu jonów wapnia w cytoplazmie. 221 Rys. 8.4. Mechanizm pobudzenia komórek włoskowatych zewnętrznych; 1 -stan spoczynkowy; 2 - odchylenie włosków powoduje otwarcie kanałów potasowych i wejście jonów potasu do komórki; depolaryzacja błony komórki powoduje otwarcie kanałów wapniowych i wejście jonów wapnia do komórki; 3 - depolaryzacja błony komórkowej, uwolnienie przekaźnika do szczeliny synaptycznej i zmniejszenienie długości komórki; 4 - otwarcie kanałów potasowych regulowanych przez wapń; wyjście jonów potasu z komórki; 5 - hiperpolaryzacja błony komórkowej i zwiększenie długości komórki; >- + - depolaryzacja, - - hiperpolaryzacja. Błona pokrywająca Błona siatkowata Sprzężenie elektro- mechaniczne j W komórkach zewnętrznych, w których zjawiska pobudzenia zostały lepiej zbadane, występuje szczególnego rodzaju interakcja między jonami potasu i jonami wapnia. Gdy wskutek odkształcenia włosków do komórki wnikną jony K+ i spowodują depolaryzację jej wnętrza, otwierają się kanały wapniowe i do komórki wnikają jony Ca2+, które zwiększają stan depolaryzacji. Na drugim etapie jony te powodują otwarcie regulowanych przez wapń kanałów potasowych i część jonów K+ opuszcza komórkę. Wraz z wyjściem jonów potasu zmniejsza się depolaryzacja błony komórkowej. Ubytek jonów potasu zostaje wówczas wyrów- nany wskutek dalszego ich napływu do komórki przez kanały potasowe włosków| Proces ten powtarza się cykliczne i powoduje oscylacyjne wahania potencjału wewnątrz komórki (rys. 8.4). Ponieważ w cytoplazmie komórki zewnętrznej znajdują się włókna kurczliwe, w takt zmian potencjału zmienia się długość komórki, a zatem komórka drga. •• . . • -,; s— - h Komórki włoskowate zewnętrzne jako układ rezonatorowy . , Komórki włoskowate zewnętrzne stanowią precyzyjny układ rezonatorowy, który funkcjonuje na zasadzie opisanej poniżej. Fala wędrująca wywołana przez bodziec akustyczny wprawia w drgania różne, zależnie od wysokości tonu, miejsca błony podstawnej. Drgania te udzielają 222 się obecnym w tych miejscach komórkom wloskowatym zewnętrznym różnej wielkości, których właściwości rezonatorowe są najbardziej zbliżone do częstot- liwości tonu. Komórki te niejako odpowiadają echem na dochodzące do nich drgania akustyczne. Z kolei drgania komórek zewnętrznych wzmagają, na zasadzie rezonansu, drgania miejsca błony podstawnej, w którym się znajdują. Drgania te udzielają się komórkom wewnętrznym, które przekazują pobudzenie dalej, do dendrytów neuronów zwoju spiralnego ślimaka. -Okno 5- Taniec komórek . Kształt komórek wtoskowatych zewnętrznych nie jest stały, lecz zmienia się zależnie od potencjału elektrycznego ich wnętrza. Gdy narasta stan depolaryzacji, komórka staje się krótsza, i odwrotnie, gdy stan depolaryzacji się zmniejsza, komórka staje się dłuższa (Ulfendahl, 1997). Ponieważ potencjał elektryczny wnętrza pobudzonej komórki nie jest niezmienny, lecz oscyluje, powoduje to również oscylacyjne zmiany długości komórki, a zatem sama komórka drga. Zjawisko to, zwane sprzężeniem elektromechanicznym, zależy od długości włókienek aktyny, znajdujących się w pobliżu błony komórkowej. Włókienka te kurczą się, gdy błona komórkowa jest zdepolaryzowana, rozluźniają się zaś, gdy stan depolaryzacji się zmniejsza. Oscylacje potencjału elektrycznego, a wraz z nimi wielkość (amplituda) drgań mechanicz- nych komórek włoskowatych zależą od ich właściwości rezonatorowych, co zostało wykazane w finezyjnych badaniach in vitro. Komórki pobrane z narządu spiralnego (Cortiego) umieszczano w sztucznym środowisku i pobudzano bodźcami mechanicznymi i elektrycznymi. Bodźce mechaniczne wytwarzane przez generator dźwięków były doprowadzane do komórki za pomocą mikropipetki wypełnionej wodą. Drgania wody udzielały się komórce i powodowały jej ruchy oscylacyjne (Brundin i wsp., 1989). Należy dodać, że komórki zewnętrzne w różnych miejscach błony podstawnej mają różną długość i różne właściwości elektryczne, które powodują, że oscylacje potencjału elektrycznego i sprzężone z nimi oscylacje wielkości komórki mają różną częstotliwość. Największa częstotliwość cechuje komórki położone w obrębie podstawy, a najmniejsza komórki w obrębie szczytu błony podstawnej. Zgodnie z tym wszystkie komórki badane in vitro odznaczały się wybiórczą wrażliwością na drgania w różnych pasmach częstotliwości. W innym eksperymencie obserwowano ruchy komórek włoskowatych zewnętrznych drażnionych prądem elektrycznym (Brownell i wsp., 1984). Impulsy elektryczne dostarczano przez elektrody umieszczone w płynie otaczającym komórkę. W odpowiedzi na drażnienie zmieniała się długość komórki, przy czym, podobnie jak przy drażnieniu mechanicznym, zaznaczała się wybiórcza wrażliwość komórek na różne częstotliwości stosowanych impulsów (rys. 8.5). Rezonatorowe własności komórek włoskowatych zewnętrznych wyjaśna zaobserwowane wcześniej zjawisko echa błony bębenkowej (Kemp, 1978). Gdy do ucha badanego podawano dźwięki z miniaturowego głośnika, obserwowano drgania błony bębenkowej pojawiające się z pewnym opóźnieniem w stosunku do dźwięku. Przyczyna drgań znajdowała się zatem nie w błonie, lecz w dalszych częściach narządu słuchu. Zjawisko to nie występowało u osób z upośledzeniem słuchu w wyniku uszkodzenia narządu Cortiego. A więc ucho wewnętrzne nie jest jedynie, jak dawniej sądzono, analogiem mikrofonu, lecz również głośnikiem, odtwarzającym wtórnie odebrane dźwięki. Układ rezonatorowy komórek zewnętrznych jest bowiem swego rodzaju wzmacniaczem, zwiększającym amplitudę dźwięków w wąskich pasmach częstotliwości. Wzmocnione drgania akustyczne przenoszą się do przestrzeni płynowych przewodu ślimakowego, a następnie zwrotnie udzielają się błonie bębenkowej, co jest przyczyną efektu Kempa. Ucho więc nie tylko słucha, lecz również mówi. 223 Rys. 8.5. Właściwości rezonatorowe komórek włoskowatych zewnętrznych; A - drgania komórek włoskowatych w obrębie szczytu fali wędrującej wzmagają drgania błony podstawnej; B - drgania udzielają się komórkom włoskowatym wewnętrznym; C - eksperyment polegający na wywoływaniu drgań pojedynczej komórki włoskowatej " bodźcem mechanicznym i elektrycznym. Błona podstawna Narząd Cortiego Komórki włoskowate zewnętrzne Komórki włoskowate (e(OleV/ \\l» wewnętrzne do ośrodków słuchu ~~/ 4 4 -4 Droga oliwkowo-ślimakowa Drażnienie elektryczne Drażnienie mechaniczne Drgania 1000HZ Stopień pobudzenia komórek zewnętrznych reguluje mechanizm działający na zasadzie sprzężenia zwrotnego. Jnformacja o pobudzeniu komórek wło- skowatych zarówno zewnętrznych," j~a1r i wewnętrznych jest przekazywana do ośrodków w pniu mózgu. W jednym z tych ośrodków - jądrze oliwkowym górnym, biorą początek włókna zstępujące, które podążają do komórek wło- skowatych w narządzie Cortiego i tworzą z nimi synapsy hamujące. W wyniku uczynnienia tych synaps dochodzi do hiperpolaryzacji wnętrza komórki, a zatem do jej hamowania. Wówczas komórki zewnętrzne trudniej wchodzą w rezonans 224 z drganiami błony podstawnej i amplituda drgań się ofmiżaj. Pozwala to wyelimi- nować ostre, nieprzyjemne dla ucha dźwięki, podorjńeTdó wytwarzanych przez głośniki o złej jakości (por. rys. 8.3). Kodowanie informacji słuchowej w nerwie ślimakowym Wypustki centralne komórek zwoju spiralnego ślimaka tworzą nerw ślimakowy. U człowieka każdy nerw ślimakowy zawiera około 30000 włókien nerwowych, z których 5% pochodzi od komórek włoskowatych zewnętrznych, a 95% od komórek włoskowatych wewnętrznych. Włókna pochodzące od komórek włos- kowatych zewnętrznych są cienkie, nie mają osłonki mielinowej, przewodzą więc impulsy wolno. Wchodzą w skład kręgu neuronalnego regulującego precyzję odbioru tonów w wąskich zakresach częstotliwości. Włókna pochodzące od komórek włoskowatych wewnętrznych są grubsze i mają osłonkę mielinową, przewodzą więc impulsy znacznie szybciej i one właśnie są drogą dla informacji słuchowej. Badania przewodzenia impulsów w nerwie ślimakowym są wykonywane na narkotyzowanych zwierzętach za pomocą rutynowych metod elektrofizjologicznych. W sąsiedztwo pojedynczego włókna nerwowego wprowadza się mikroelektrodę, połączoną z układem wzmacniającym i oscyloskopem. Tony o regulowanej wysokości i natężeniu są wytwarzane przez elektroniczny generator dźwięków i podawane z głośnika. Długość trwania pojedynczego tonu wynosi zazwyczaj 25-50 ms. Stosując tego rodzaju techniki wykazano, że ikodowanie wysokości tonów w nerwie ślimakowym odbywa się na zasadzie częstotliwości i na zasadzie miejscaT! -'-<: •'••:;'"<« :• •-• Zasada częstotliwości ' ...••> V -..,,!,.*».,,. • Zasada częstotliwości polega na odwzorowaniu wysokości tonu w częstości Wyładowań elektrycznych generowanych przez włókno nerwowe J Odwzorowanie to ma charakter probabilistyczny tego rodzaju, że potencjał v7nerwie ślimakowym może pojawić się tylko w określonej fazie fali akustycznej, towarzyszy jednak części fal i to w stopniu zależnym od natężenia tonu (Rosę i wsp., 1971). l Gdy ton jest słaby (ok. 40 dB), tylko niewielka liczba fal generuje potencjał, natomiast przy tonach silnych (> 60 dB) wyładowanie elektryczne we włóknie towarzyszy już niemal każdej fali. W ten sposób oprócz wysokości tonu jest kodowane również jego natężenie] Zasada miejsca """ ' ' [Gdy częstotliwość drgań akustycznych przekracza 1-2 kHz, znaczna część fal przypada na okres refrakcji włókna, nie może więc go pobudzić. Wówczas kodowanie wysokości tonów odbywa się zgodnie z zasadą miejsca] wynikającą z tonotopowej organizacji układu słuchowego. Tony o różnej wysokości powodują 225 wybiórcze pobudzenie komórek zmysłowych w różnych miejscach błony podstaw- nej. Impulsy nerwowe są dalej przewodzone przez włókna nerwowe kontaktujące się z tymi komórkami. A zatem informacja słuchowa jest przekazywana przez różne - zależnie od wysokości tonu - włókna nerwu słuchowego i doprowadzana do różnych miejsc w ośrodkach słuchowych. Kodowanie natężenia tonu może odbywać się w taki sposób, że przy niskich tonach są pobudzone jedynie włókna swoiste dla danej wysokości tonu, natomiast przy wyższych tonach również włókna właściwe dla innych, zbliżonych wysokości toTiówJ W badaniach elektrofizjologicznych wykazano, że najwięcej potencjałów we włóknie pojawia się na początku działania tonu, a potem ich liczba utrzymuje się na niższym poziomie. Wynik ten wskazuje, że przez cały czas działania tonu włókno jest pobudzone, a częstość wyładowań jest ograniczona przez okres refrakcji (Kiang, 1984). Podkorowe ośrodki słuchu l Nerw ślimakowy dochodzi do dwóch jąder ślimakowych - grzbietowego i brzusz- nego (nuclei cochleae ventralis et dorsalis), położonych na granicy mostu i rdzenia przedłużonego. Część aksonów komórek jąder ślimakowych biegnie do wzgórka pokrywy śródmózgowia dolnego, inne tworzą w obrębie mostu rozległy system ośrodków i połączeń nerwowych zwany ciałem czworobocznym (corpus trapezo- ideurri). Większość impulsów z ciała czworobocznego dochodzi do jądra oliw- kowego górnego; (nucleus olivaris superior) po przeciwnej stronie ciała, pewna jednak część dochodzi do tego jądra po tej samej stronie. iw^jądrze oliwkowym górnym bierze początek duża podkorowa droga słuchowa zwana: wstęgą boczną (lemniscus lateralis), która dochodzi do wzgórków pokrywy śródmózgowia dolnych (tylnych) (colliculi inferiores (posteńores)). Każdy wzgórek pokrywy jest połączony włóknami nerwowymi tworzącymi ramię dolne z ciałem kolankowatym przyśrod- kowym (corpus geniculatum mediale), najważniejszym podkorowym ośrodkiem słuchu. W ciele kolankowatym przyśrodkowym rozpoczyna się ostatni odcinek drogi słuchowej. Jego celem jest pole słuchowe w płacie skroniowym kory mózguT} Na wszystkich kolejnych etapach w jądrach podkorowych zachodzą procesy przetwarzania i opracowywania informacji wzrokowej (rys. 8.6). Reakcje komórek jąder ślimakowych na bodźce akustyczne ' s' ;ss - Po dojściu do jąder ślimakowych włókno nerwowe rozdziela się na kilka gałązek. Każda gałązka unerwia kilka neuronów w różnych miejscach danego jądra ślimakowego. Badania elektrofizjologiczne wykazały, że niektóre komórki jąder ślimakowych reagują na bodźce akustyczne podobnie jak włókna nerwu ślimakowego, tj. największa aktywność danej komórki występuje na początku działania tonu, a potem utrzymuje się na niskim poziomie przez cały czas trwania bodźca. Komórki te wysyłają informacje do wyższych ośrodków słuchu. Inne zaś neurony, 226 Rys. 8.6. Przebieg drogi słuchowej. - Ciało kolankowate przyśrodkowe grzbietowe brzuszne Nerw słuchowy Jądro oliwkowe górne Ciało czworoboczne Narząd Cortiego które reagują tylko na początku działania bodźca albo wykazują inne wzorce wyładowań, uczestniczą w mechanizmie oceny lokalizacji źródła dźwięku (Pfeiffer, 1966; Kiang, 1975). -•^ ' • v . ^" * * .. ,- >••;" '•""••% '"-•, -"•:".:.'- ' ff_ ?nw*tt '. «,H crpjekcyjne pole słuchowe znajduje się w grzbietowej części zakrętu skroniowego górnego, w miejscu, gdzie widoczne są zakręty skroniowe poprzeczne (Heschla). Obszar ten pokrywa się z polami 22 i 42 według Brodmanna. Wokół tego obszaru znajduje się korowa okolica asocjacyjna! W płacie skroniowym znajdują się jeszcze inne obszary asocjacyjne, które~otrzymują połączenia z pierwotnej okolicy słuchowej, a także z różnych części ciała kolankowatego przyśrodkowego (rys. 8.8). Rys. 8.8. Ośrodki słuchu w korze mózgu. PŁAT CZOŁOWY PŁAT CIEMIENIOWY Zakręt skroniowy: górny Okolica słuchowa: projekcyjna asocjacyjna środkowy dolny 229 W projekcyjnej okolicy słuchowej występuje tonotopowe odzwierciedlenie błony podstawnej ślimaka. Tony wysokie są reprezentowane w części przedniej, a tony niskie w części tylnej tego obszaru. Badania elektrofizjologiczne prze- prowadzone na kotach i małpach wykazały, że podobnych map tonotopowych w różnych obszarach płata skroniowego jest więcej. Przypuszcza się, że obszary te analizują różne właściwości dźwięków; na przykład ocena wysokości tonów jest domeną okolicy projekcyjnej, natomiast inne obszary analizują początek lub zakończenie dźwięku albo oddzielają dźwięki od tła. W projekcyjnej okolicy słuchowej kota stwierdzono, w obrębie reprezentacji poszczególnych częstotliwości, naprzemiennie ułożone grupy komórek, pobudzane przez impulsy z obojga uszu, albo też pobudzane przez impulsy z przeciwległego ucha, a hamowane przez impulsy z ucha po tej samej stronie ciała. Komórki te są ułożone w kolumnach prostopadle do powierzchni kory (Imig i Adrian, 1977). W okolicy słuchowej znaleziono też komórki reagujące swoiście na dźwięki o różnym natężeniu. Mogą mieć one znaczenie dla oceny intensywności bodźców aku- stycznych. • <". • .1 " r „• ' , ,u\-:1.«••„" vim,/:1*- Psychofizyczny pomiar natężenia dźwięku Fala akustyczna wywiera pewne ciśnienie na napotkane na swej drodze przeszkody, a gdy przedmiot jest odpowiednio elastyczny, powoduje jego odkształcenie. Wielkość odkształcenia zależy z jednej strony od właściwości sprężystych przedmiotu, z drugiej zaś od mocy fali akustycznej. Moc fali jest proporcjonalna do kwadratu wywieranego przez nią ciśnienia: . • ,-*. , , • gdzie M oznacza moc, P - ciśnienie, a k jest współczynnikiem proporcjonalności, który w narządzie słuchu wynika z właściwości sprężystych błony bębenkowej, oporów połączeń między kosteczkami słuchowymi itp. Ciśnienie fali jest równe różnicy ciśnień między maksymalnym zagęszczeniem i maksymalnym rozrzedze- niem powietrza na drodze przesuwania się fali. Moc fali akustycznej przelicza się na l cm2 błony bębenkowej, na którą działa fala. Jednostki fizyczne są jednak mało przydatne w pomiarach zdolności słyszenia, ponieważ nie odzwierciedlają subiektywnej oceny głośności tonu. Do pomiarów głośności skonstruowano zatem skalę decybelową. Za bodziec progowy przyjęto umownie falę o częstotliwości 1000 Hz, wywierającą ciśnienie 2-10~5 paskali i działającej z mocą 10~16 W/cm2. Głośność dźwięku (w decybelach) oblicza się według wzoru: : '<••"•••'• głośność = l O (log M—log Mp) gdzie M jest mocą mierzonej fali akustycznej, a Mp - mocą progową. Tak więc dźwięk o mocy progowej (10~16 W/cm2) ma głośność O decybeli (dB), o mocy 10"I5 W/cm2 - 10 dB, o mocy 10~14 W/cm2 - 20 dB itd. Przykłady głośności różnych dźwięków podaje tabela 8.1. 230 ' J- Tabela 8.1. Głośność najczęściej spoty- kanych dźwięków Dźwięk Głośność w decybelach Szept 10 Mieszkanie 'S:-'i -u 25-30 Biuro iir.ofb: 40 Rozmowa 60 Ulica 70 Świder pneumatyczny 80 Samolot 90-120 Próg bólu 120 Echolokacja ^Echolokacja jest sposobem znajdowania przeszkody lub identyfikacji ofiary na podstawie porównania charakterystyki emitowanych przez siebie dźwięków z ich echem odbitym od obiektu._[Echolokacją posługuje się około 800 gatunków owadożernych nietoperzy należących do podrzędu Microchiroptera. W celu zlokalizowania obiektu nietoperz wysyła wąską wiązkę ultradźwięków zwaną sonarem. Nietoperze najlepiej poznanego gatunku Pteronotus parnellii emitują wiązkę w postaci długiej sekwencji fal o stałej częstotliwości (constant freąuency - CF), po której następuje krótka seria fal o zmiennej (modulowanej) częstotliwości (freąuency modulation - FM). Niektóre gatunki nietoperzy emitują tylko fale FM. W obrębie sekwencji CF występują cztery częstotliwości harmoniczne w paśmie 30-120 kHz, z których dla elektrolokacji największe znaczenie ma druga, o wartości 61 kHz. W obrębie serii FM częstotliwość fal może się zmieniać w zakresie od 61 do 49 kHz. Komponent CF sonaru służy do detekcji obiektu i ustalania szybkości jego poruszania się, a komponent FM do wykrywania cech przedmiotu. Ocenę informacji niesionej przez echo umożliwia szczególna budowa układu słuchowego nietoperza, umożliwiająca detekcję i analizę sygnałów w wąskim paśmie częstotliwości około 61 kHz. Na tę częstotliwość są nastawione układy rezonatorowe ślimaka. Także pierwotna okolica słuchowa jest u nietoperza predestynowana do odbioru informacji w tym właśnie zakresie częstotliwości, gdyż aż 30% jego pola słuchowego wybiórczo odbiera ultradźwięki w paśmie 61-63 kHz. Również pozostałe obszary kory słuchowej są wyspecjalizowane w detekcji sygnałów zawartych w wiązce odbieranej przez nietoperza. W asocjacyjnej okolicy kory słuchowej znaleziono neurony swoiście reagujące na różnice częstotliwości fal emitowanych i fal odbitych od obiektu, wynikające z efektu Dopplera (Fitzpatrick, 1993). Analiza tych różnic umożliwia wykrywanie kierunku i szybkości poruszania się obiektu. Inne neurony, reagujące na odchylenia od podstawowej częstotliwości CF, czyli na częstotliwość modulowaną (FM), wykrywają bardziej szczegółowe cechy przedmiotu, jak ruch skrzydeł lecącego 231 owada, powodujący niewielką zmianę częstotliwości drgań (o kilka kHz). Posługiwanie się ultradźwiękami w zakresie 61-63 kHz umożliwia nietoperzowi wykrywanie małych przedmiotów, na przykład drutu o średnicy 0,3 mm z odległości 2 m, a w warunkach naturalnych polowanie na ofiary o niewielkich rozmiarach. Niektóre z tych ofiar odbierają ultradźwięki i ratują się przed napastnikiem ucieczką. Stałe śledzenie obiektu, który nieoczekiwanie zmienia położenie, wymaga bardzo dużej sprawności mechanizmu echolokacji. >,;:-H KM j i 9. Zmysły chemiczne JLlmysłami chemicznymi nazywa się zdolność odbierania infomacji o zawartości niektórych związków chemicznych w powietrzu, w wodzie albo w pokarmach. Receptory wrażliwe na związki chemiczne nazywa się chemoreceptorami. Chemo- receptory, należące do eksteroceptorów, reagują na bodźce zewnątrzpochodne. Wyróżnia się wśród nich receptory węchowe i smakowe. Chemoreceptory występują też wewnątrz organizmu i są zaliczane do interoceptorów. Za zmysł chemiczny uważa się też zdolność oceny wilgotności powietrza wykazywaną przez niektóre zwierzęta. IK Węch Sprawność narządu węchu wykazuje znaczne różnice gatunkowe i u ssaków wiąże się z powierzchnią nabłonka węchowego, liczbą komórek węchowych oraz budową jamy nosowej. Wyróżnia się zwierzęta makrosmatyczne (od gr. óaiaf], ósme - zapach), u których węch ma zasadnicze znaczenie jako kanał informacji o środowis- ku, i zwierzęta mikrosmatyczne - o słabym powoniemu. Dobrym węchem dysponują ssaki owadożerne, gryzonie, kopytne i niektóre drapieżne, na przykład psowate, natomiast za zwierzęta o słabym powonieniu uważa się naczelne. Podział ten nie jest jednak bezwzględny, ostatnio bowiem stwiedzono zadziwiającą wrażliwość na bodźce zapachowe u małp (Laska i wsp., 2000). Rewizji podlega także pogląd o małym znaczeniu węchu u człowieka (Jones i Róg, 1998). Budowa narządu węchu Jt Jama nosowa, połączona z jamą ustną, występuje dopiero u płazów. U ryb strumień wody kontaktuje się bezpośrednio z receptorami węchowymi w obrębie specjalnych jamek w jamie gębowej. Makrosmatyczne ssaki, jak króliki i psy, mają znacznie rozbudowaną jamę nosową, w której wyróżnia się okolica węchowa, wysłana nabłonkiem węchowym zawierającym receptory węchowe. Wdychane powietrze najpierw zostaje ogrzane, 233 następnie jego część nie przechodzi do dalszych części dróg oddechowych, lecz tworząc prądy wirowe pozostaje w okolicy węchowej. U wielu zwierząt receptory węchowe występują również w parzystym narządzie przylemieszowym (Jacobsona), najczęściej wrażliwym na feromony, zwłaszcza płciowe. Pobudzenie tych receptorów wyzwala różne formy zachowania rozrod- czego. Natomiast rolą nabłonka węchowego w jamie nosowej jest recepcja bodźców o charakterze informacyjnym. Narząd Jacobsona znajduje się przeważnie u podstawy przegrody nosowej, a szczególnie rozbudowany u kopytnych i owado- żernych - występuje w specjalnym przewodzie nosowo-podniebiennym, który przechodzi przez podniebienie i łączy jamę nosową z jamą ustną. Dlatego u tych zwierząt narząd przylemieszowy jest dostępny dla bodźców zapachowych nie tylko przez jamę nosową, lecz także od strony jamy ustnej. U naczelnych narząd węchu jest pod względem budowy niejako uwsteczniony, jednak człowiek, w odróżnieniu od innych ssaków, dysponuje nosem zewnętrznym, który może usprawniać kontakt powietrza z nabłonkiem zmysłowym i ułatwiać recepcję bodźców zapachowych. U naczelnych rolę uwstecznionego narządu przy lemieszowego przejął nabłonek węchowy w jamie nosowej, który u małp jest wrażliwy zarówno na substancje typu feromonów, regulujące czynności rozrodcze, jak też na inne bodźce zapachowe. U człowieka narząd węchu jest umieszczony w górnej części jamy nosowej. Znajdujący się tutaj nabłonek węchowy zawiera komórki receptorowe (węchowe) i pod względem budowy różni się od nabłonka błony śluzowej środkowej i dolnej części jamy nosowej, pełniących funkcje oddechowe. Nabłonek węchowy u doros- łego człowieka zawiera około 5 min komórek receptorowych na powierzchni 5 cm2. Jest to mniej w porównaniu z królikiem, który ma około 100 min komórek receptorowych, i psem owczarkiem, u którego nabłonek węchowy o powierzchni 80 cm2 zawiera ponad 200 min tych komórek. Narząd przylemieszowy w prze- grodzie nosowej jest szczątkowy, lecz może być aktywny w życiu płodowym i u noworodków (Winberg i Porter, 2000). Budowa i czynność komórek węchowych - ' - ' ' Do niedawna za receptory węchowe uważano komórki zmysłowe występujące w nabłonku węchowym, wrażliwe na bodźce zapachowe i dlatego nazywane komórkami węchowymi. Każda komórka węchowa ma kształt wydłużony, składa się z ciała komórki i dwóch wypustek, z których jedna, zwrócona do jamy nosowej, pełni funkcję dendrytu, a druga, podążająca do opuszki węchowej, jest aksonem. W części końcowej dendryt rozszerza się, tworząc kolbkę węchową, z której wychodzi kilka włosków węchowych. W błonie włosków znajdują się białka, które w sposób wysoce swoisty wiążą substancje zapachowe, ulegają pod ich wpływem zmianom konforma- cyjnym i tak uczynnione wyzwalają procesy biochemiczne prowadzące do pobudzenia komórki węchowej, funkcjonują zatem tak, jak opisane na s. 137 receptory metabotropowe przekaźników. Z tego powodu obecnie te właśnie białka, a nie całe komórki zmysłowe, uważa się za właściwe receptory bodźców węchowych. Oprócz komórek zmysłowych w nabłonku węchowym występują komórki podporowe, komórki śluzowe i komórki podstawne. Komórki podporowe stabilizują 234 położenie komórek węchowych, a komórki śluzowe wydzielają śluz, w którym rozpuszczają się substancje zapachowe, aby w takiej formie dotrzeć do receptorów. Wyjątkową rolę odgrywają komórki podstawne, które mogą się przekształcać w pobudliwe komórki węchowe. Jest to jedyny przypadek regeneracji komórek nerwowych, umożliwiający naprawę narządu węchu po szkodliwym działaniu substancji o silnej woni. ,; , Narząd węchu odznacza się dwiema zaskakującymi właściwościami. Po pierwsze, zdumiewająca jest jego wrażliwość, często porównywana z wielką wrażliwością fotoreceptorów siatkówki oka na światło. Człowiek, choć jest istotą o nie najlepszym powonieniu, wyczuwa kwas octowy w stężeniu 10~10 g/cm3, a merkaptany w stężeniu 4,5 • 10~15 g/cm3 powietrza. Ocenia się, że do pobudzenia receptora węchowego u psa może wystarczyć zaledwie kilka cząsteczek substancji. Podobnego rzędu jest wrażliwość narządu węchu u owadów, zwłaszcza motyli, na feromony płciowe. Po drugie, zastanawiająca jest zdolność narządu węchu do rozróżniania znacznej liczby (u człowieka aż kilku tysięcy) zapachów. Zjawiska te są obecnie wyjaśniane w miarę poznawania molekularnych mechanizmów trans- dukcji sygnału w komórkach węchowych. Białka receptorowe Zdolność odbierania przez narząd węchu znacznej liczby zapachów jest możliwa dzięki różnorodności białek receptorowych. W komórkach węchowych myszy i zapewne innych ssaków występuje około 1000 białek pełniących funkcję receptorów węchowych. Każde białko ma postać łańcucha zbudowanego z około 300 aminokwasów, który siedem razy przechodzi przez błonę włoska, tworząc w jej obrębie spirale zwane domenami. W skład każdej domeny wchodzi ponad 20 aminokwasów. Poza domenami zarówno na zewnątrz komórki, jak i w jej wnętrzu Rys. 9.1. Białko receptorowe w narządzie węchu. Białko receptorowe COOH 235 łańcuch układa się w pętle utworzone przez kilka do kilkudziesięciu aminokwasów. Jeden koniec łańcucha, zawierający aminokwas z wolną grupą aminową (zasadową, —NH2), znajduje się na zewnątrz komórki, drugi zaś koniec, z wolną grupą karboksylową (kwasową, —COOH), tkwi w cytoplazmie. Poszczególne białka różnią się sekwencją aminokwasów zarówno w obrębie domen, jak i w obrębie wolnych pętli poza domenami. Te właśnie różnice stanowią o swoistości białek względem substancji zapachowych (rys. 9.1). -Okno6!- Właściwości układu węchowego . ...„,„,,. Mówiąc o receptorze węchowym trzeba wyraźnie zaznaczyć, czy mamy na myśli całą komórkę węchową, czy też występujące w błonie jej włosków węchowych białko receptorowe. Niektórzy bowiem właśnie to białko, a nie komórkę węchową uważają za właściwy receptor (BuchiAxel, 1991). Organizacja narządu węchu uderzająco przypomina organizację siatkówki oka. Komórki węchowe są analogiem fotoreceptorów, komórki mitralne pełnią funkcję podobną do komórek zwojowych, natomiast komórki ziarniste i okołokłębuszkowe funkcjonują podobnie jak komórki poziome siatkówki. Jednak w odróżnieniu od czopków i pręcików, w których występuje zaledwie kilka białek receptorowych, wystarczających do kodowania barw i stopni szarości, liczba białek receptorowych w narządzie węchu sięga tysiąca. Szacuje się, że blisko 1% wszystkich genów służy recepcji węchowej, która przecież nie odgrywa u człowieka takiej roli, jak u innych ssaków (Axel, 1995; Griff i Reed, 1995). Stosunkowo duża rola w integracji informacji węchowej, w tym także w pamięci zapachów, przypada opuszce węchowej. Sieć nerwowa opuszki nie tylko przewodzi impulsy nerwowe, lecz także odznacza się właściwościami plastycznymi, które odgrywają rolę w uczeniu się znaczenia odbieranych sygnałów (Keverne, 1995). Syntezą białek receptorowych sterują specjalne geny. Jest interesujące, że w każdej komórce węchowej występuje zazwyczaj jeden rodzaj białka, które wiąże substancje zapachowe o podobnej budowie chemicznej, np. aromatyczne, czyli zawierające w cząsteczce pierścień benzenu, lub alifatyczne, o prostym łańcuchu węglowodorowym. Transdukcja sygnału w komórce węchowej Po przyłączeniu swoistej substancji zapachowej białko receptorowe zmienia swą strukturę i tak przekształcone aktywuje białko G. Jak opisano w rozdziale 4, uczynnione białka G wyzwalają kaskadę reakcji biochemicznych, w wyniku których powstają przekaźniki wtórne. Na kolejnych etapach tego procesu, zwanego transdukcją sygnału w komórce, efekt działania bodźca na białko receptorowe zostaje wielokrotnie zwiększony. Skutkiem tego jest znaczne po- budzenie komórek węchowych mimo nikłego stężenia substancji zapachowej w powietrzu. Transdukcja sygnału w komórkach węchowych przebiega dwutorowo, tj. wykorzystuje dwa układy przekaźników wtórnych, stymulowane przez białka G - jeden zależny od enzymu cyklazy adenylanowej, drugi - zależny od fosfolipazy C (Ache i Zhainazarow, 1995) (rys. 9.2). 236 Rys. 9.2. Transdukcja sygnału węchowego w komórce węchowej. Objaśnienia w tekście. ' ' "• • -; '-''-' Zapach ,......... Zapach ----- . J3±.««SMfMI»-*r *-lF Kolbka węchowa Komórka podporowa Komórka podstawna AMP^JCa/kalmodulina) receptora Brak depolaryzacji: adaptacja receptora Cykliczny AMP Zapach Na Ca Receptor Depolaryzacja: pobudzenie receptora Regulacja wrażliwości receptora Pochodne fosfatydyloinozytolu: •" - IP3iDAG ..y----." • \,-> -VSIO Cyklaza adenylanowa katalizuje przekształcenie nieczynnego kwasu adenozy- nomonofosforowego (AMP) w czynną formę cykliczną (cAMP, cykliczny AMP). W komórkach węchowych cAMP otwiera kanał jonowy, przez który wchodzą z zewnątrz do cytoplazmy jony sodu i wapnia. Ponieważ kationy te niosą dodatnie ładunki elektryczne, ich wejście do komórki powoduje depolaryzację jej błony. Oprócz tego jony wapnia otwierają zależne od nich kanały chlorowe, przez które jony chloru wychodzą na zewnątrz. Ubytek ujemnie naładowanych anionów powoduje zwiększenie depolaryzacji neuronu. Gdy depolaryzacja ta osiągnie odpowiednią wartość krytyczną, powstaje potencjał czynnościowy i dochodzi do pobudzenia komórki węchowej. Jony wapnia nie tylko przyczyniają się do pobudzenia komórki węchowej, lecz także mogą wtórnie powodować jej hamowanie. Podobnie jak w innych komórkach, również w komórkach węchowych wapń wchodzi w związek z bia- łkiem kalmoduliną. Tutaj jednak kompleks Ca2+/kalmodulina nie stymuluje procesów zwiększających pobudzenie komórki, lecz - odwrotnie - powoduje jej hamowanie. Dzieje się tak dlatego, że w komórkach węchowych kompleks Ca2+/kalmoduliną aktywuje enzym fosfodiesterazę, katalizujący przekształcenie cAMP w nieczynny AMP. Z powodu braku cAMP zamykają się kanały jonowe, jony sodu i wapnia nie wchodzą do komórki i zmniejsza się depolaryzacja 237 jej wnętrza. Takie działanie wapnia związanego z kalmoduliną może być przyczyną adaptacji narządu węchu do długo utrzymującego się zapachu. Rola drugiego układu przekaźników wtórnych w pobudzeniu komórki węchowej jest słabiej poznana. Fosfolipaza C, uczynniona przez białko G, katalizuje proces powstawania dwóch aktywnych pochodnych fosfatydyloinozyto- lu - trifosforanu inozytolu (IP3) i diacyloglicerolu (DAG). IP3 powoduje otwarcie kanałów jonowych, przez które wnikają do cytoplazmy jony sodu i wapnia, a więc skutkiem działania tego przekaźnika wtórnego, podobnie jak cAMP, jest depolaryza- cja i pobudzenie komórki. Natomiast drugi przekaźnik, DAG, za pośrednictwem kinazy białkowej C, może regulować wrażliwość białka receptorowego na substancję zapachową. • .. .. -.,.,.,:»jkw^s^H*!*«a '"' .• , Dwutorowość transdukcji sygnału za pośrednictwem różnych układów przekaź- ników wtórnych może sprawiać, że skutkiem działania danego bodźca węchowego będzie mniejsze lub większe pobudzenie różnych komórek w nabłonku węchowym, wrażliwych na ten sam rodzaj substancji zapachowej. Na podstawie tej różnicy może się opierać rozpoznawanie przez układ nerwowy subtelnych odcieni danego zapachu. Opuszka węchowa ' '.» 'l , ' J Wypustki dośrodkowe komórek węchowych są pod względem funkcjonalnym aksonami, które po opuszczeniu nabłonka węchowego przechodzą przez otworki blaszki sitowej czaszki i wnikają do dwu opuszek węchowych (bulbus olfactorius), prawej i lewej. Każda opuszka węchowa człowieka zawiera kilka tysięcy kłębuszków węchowych. Do każdego kłębuszka dochodzi około 25 000 aksonów komórek receptorowych. Każda z opuszek zawiera złożoną sieć nerwową, która przetwarza informacje węchowe i przesyła je dalej, do ośrodków mózgowych w tej samej półkuli mózgu. U człowieka każda opuszka węchowa zawiera kilka tysięcy kłębuszków węchowych. t ^ > r r '. •(*/•.> ;i, >-> , IM- o , »-• •- ł Sieć nerwowa opuszki Aksony komórek węchowych po wejściu do opuszki węchowej tworzą liczne rozgałęzienia, które kontaktują się z dendrytami komórek mitralnych i pędzel- kowatych i w miejscu styków tworzą synapsy akso-dendrytyczne. Przekazywanie stanu pobudzenia przez te synapsy odbywa się za pośrednictwem kwasu glutami- nowego, działającego na receptory NMDA. W rozbudowanych obszarach tych kontaktów powstają wyróżniające się twory, zwane kłębuszkami węchowymi (glomeruli olfactorii). W obrębie kłębuszków zachodzi wstępny proces integracji informacji węchowej otrzymanej z komórek receptorowych. Z kolei aksony komórek mitralnych i pędzelkowatych po wyjściu z opuszki węchowej wchodzą w skład nerwu węchowego (I nerwu czaszkowego), który dochodzi do korowych ośrodków węchu. W sieci nerwowej opuszki węchowej występują jeszcze komórki okołokłębuszkowe i komórki ziarniste. Ich zadaniem jest koordynacja funkcji sąsiadujących ze sobą kłębuszków i komórek mitralnych. ,„ _ , 238 Komórki okołokłębuszkowe i komórki ziarniste -; ' Komórki okołokłębuszkowe są komórkami dwubiegunowymi. Jedna ich wypustka biegnie do kłębuszka, gdzie kontaktuje się, za pośrednictwem synapsy pobudzającej, z zakończeniem aksonu komórki węchowej lub z dendrytem komórki mitralnej. Druga wypustka tworzy synapsę, przeważnie hamującą, z sąsiednią komórką mitralną, choć w miejscu tego styku występują też synapsy pobudzające. Zadaniem komórek okołokłębuszkowych jest koordynacja funkcji sąsiednich kłębuszków węchowych (rys. 9.3). Komórki ziarniste, inaczej niż większość komórek nerwowych, nie mają aksonów, lecz tylko dendryty, za pomocą których stykają się z dendrytami komórek mitralnych. W miejscach styku powstają zatem synapsy dendro-dendrytyczne, różniące się od innych rodzajów synaps tym, że umożliwiają dwukierunkowe oddziaływanie na siebie obu kontaktujących się neuronów, a nie tylko jednokierunkowe przekazywanie stanu czynnego. Oddziaływanie to odbywa się za pośrednictwem przekaźników uwalnianych przez dendryt jednego neuronu, które pobudzają lub hamują drugi neuron, i odwrotnie. Z dendrytu komórki mitralnej uwalnia się do synapsy dendro-dendrytycznej kwas glutaminowy, który działa na glutaminergiczne receptory jono- i metabo- Rys. 9.3. Kodowanie informacji w opuszce węchowej. Objaśnienia w tekście. Zapachy .. .•. ,*«* ... . .« t •.,**',,,••, Receptory węchowe L", Informacja w nerwie węchowym 239 tropowe w błonie dendrytu komórki ziarnistej. Receptory jonotropowe należą do grupy receptorów NMDA i AMPA. Aktywacja receptorów NMDA prowadzi do depolaryzacji i pobudzenia komórki ziarnistej. Pod wpływem depolaryzacji komórki ziarnistej uwalnia się z jej dendrytu do synapsy kwas gamma- -aminomasłowy (GABA), który zwrotnie hamuje komórkę mitralna. Z kolei aktywacja przez kwas glutaminowy jednego z receptorów metabotropowych powoduje zmniejszenie uwalniania GABA z komórki ziarnistej do szczeliny synaptycznej i w konsekwencji zmniejszenie hamowania komórki mitralnej. W ten sposób komórka mitralna pobudza komórkę ziarnistą, komórka zaś mitralna na zasadzie ujemnego sprzężenia zwrotnego hamuje komórkę ziarnistą. Ten subtelny mechanizm regulacyjny odgrywa ważną rolę w plastycznych właściwościach opuszki. Komórka ziarnista może nie tylko wpływać na stan czynnościowy tego neuronu, przez który została pobudzona, lecz także może hamować, za pośrednic- twem GABA, inne komórki mitralne. Oddziaływanie to jest istotą hamowania obocznego, które zwiększa zdolność rozróżniania przez narząd węchowy substancji zapachowych o zbliżonej budowie chemicznej. Innym zadaniem komórek ziarnis- tych jest udział w kształtowaniu wybitnej zdolności rozdzielczej węchu i pamięci węchowej. 1"1>\, l V ' 1-t'tŁ ~ > ' , t ! ' l f Osmatyczna i przestrzenna organizacja opuszki węchowej Opuszka węchowa odznacza się podwójną organizacją: osmatyczną (związaną z reakcją na zapachy) i przestrzenną. Organizacja osmatyczną polega na tym, że każdy kłebuszek węchowy jest miejscem docelowym aksonów komórek węchowych mających białko receptorowe o podobnej budowie, a więc wrażliwych na ten sam lub na podobne zapachy. Ponieważ w organizmie ssaków występuje około 1000 białek receptorowych, w nabłonku węchowym musi występować podobna liczba rodzajów komórek węchowych i kłębuszków węchowych. Niektórzy badacze są jednak zdania, że nie wszystkie komórki węchowe odznaczają się tak znaczną swoistością. Gordon W. Shepherd (1995) wyróżnia wśród nich „specjalistów", wrażliwych na jeden zapach, i „generalistów", reagujących również na podobne zapachy. Do każdego kłębuszka może zatem dochodzić informacja z obu tych grup komórek. Organizacja przestrzenna opuszki odpowiada podobnej przestrzennej or- ganizacji nabłonka węchowego. Astic i Saucier (1986) badali u szczurów połączenia anatomiczne między nabłonkiem węchowym a opuszką węchową. Do różnych okolic opuszki wstrzykiwano niewielkie ilości enzymu peroksydazy chrzanowej. Metoda ta jest stosowana do wykrywania połączeń nerwowych. Peroksydaza jest natychmiast wychwytywana przez zakończenia nerwowe i wstecznie transportowana wzdłuż aksonów do ciała komórki. Po zabiciu zwierzęcia komórki te można uwidocznić, stosując odpowiednie techniki histochemiczne. Okazało się, że różne pola nabłonka węchowego dają projekcje do różnych miejsc opuszki węchowej. Wyniki te, potwierdzone później u myszy, pozwoliły wyodrębnić w nabłonku węchowych cztery sektory, z których informacja węchowa dociera do czterech różnych sektorów opuszki węchowej. We wszystkich sektorach nabłonka znajdują 240 się komórki receptorowe o podobnie zróżnicowanej wrażliwości na zapachy, dlatego informacja o każdym zapachu jest opracowywana równolegle we wszystkich sektorach opuszki węchowej. Wybiórczość percepcji węchowej Dużą zdolność rozdzielczą narządu węchu zapewniają trzy główne czynniki: 1) różnorodność białek receptorowych, 2) hamowanie oboczne w sieci nerwowej opuszki węchowej, 3) organizacja przestrzenna nabłonka węchowego i opuszki. Różnorodność białek receptorowych tylko częściowo wyjaśnia zdolność rozpoznawania przez zwierzęta ogromnej liczby zapachów. Człowiek rozróżnia 7-10 tysięcy zapachów, a więc liczba substancji zapachowych kilkakrotnie przekracza liczbę dostępnych receptorów. Dlatego swoistość i wybiórczość percepcji węchowej musi zależeć od mechanizmów nerwowych. Ważną rolę w procesie doskonalenia węchu odgrywa mechanizm hamowania obocznego w sieciach nerwowych opuszki węchowej (Mori, 1995; Mori i wsp. 1988). W badaniach elektrofizjologicznych wykazano, że choć komórka receptorowa w nabłonku węchowym oraz połączona z nią komórka mitralna w opuszce węchowej reagują na te same bodźce węchowe, to jednak charakter ich aktywności elektrycznej bywa różny (Getchell i Shepherd, 1978). Dany zapach może jednocześnie pobudzać komórkę węchową i komórkę mitralna, albo też pobudzając komórkę węchową może jednocześnie hamować komórkę mitralna. Wyniki tych badań przemawiają za hipotezą, że poszczególne komórki węchowe odbierają pewne zespoły zapachów substancji o podobnej budowie chemicznej, ale mogą różnić się wrażliwością na poszczególne zapachy w danym zespole. Wyodrębnienie tych subtelnych zapachów jest możliwe dzięki hamowaniu obocznemu, które blokuje przepływ informacji w sąsiednich komórkach mitralnych. Należy zauważyć, że oddziaływania między komórkami mitralnymi nie dotyczą, jak przedstawiono na rys. 9.4, tylko komórek związanych z różnymi kłębuszkami, a więc przenoszących informację o różnych zapachach, lecz także, a może przede wszystkim, zachodzą między komórkami mitralnymi związanymi z tym samym kłębuszkiem, a więc reagującymi na ten sam lub także na odcienie tego samego zapachu. A zatem hamowanie oboczne może się przyczyniać do lepszego rozróżniania nie tylko jakościowo odległych, lecz także bardzo zbliżonych zapachów. Nie jest jasna rola przestrzennego zróżnicowania narządu węchu na sektory odbierające te same zapachy. Przypuszczalnie taka organizacja może ułatwiać ocenę intensywności zapachu. Przemawiają za tym wyniki badań, w których szczurom wstrzykiwano radioaktywną 2-deoksyglukozę. Obszar opuszki, w którym gromadził się znakowany związek, był tym większy, im większe było stężenie substancji zapachowej w powietrzu (Shepherd, 1995). Swoistość recepcji węchowej może też zależeć od opisanej wyżej dwutorowej transdukcji sygnału w komórkach węchowych, opartej na różnych przekaźnikach wtórnych. W zależności od tego, czy aktualnie w komórce jest wykorzystywany cAMP, czy pochodne fosfatydyloinozytolu, komórka może przejawiać różną wrażliwość na substancje zapachowe. 241 Rys. 9.4. Oddziaływania między komórkami mitralnymi i ziarnistymi w opuszce węchowej. Objaśnienia w tekście. Hiperpolaryzacja Hamowanie v GABA Depolaryzacja , Pobudzenie v """ Ośrodki węchowe '• :" ::;"''; r:- ••"•'-''":.:'•••.'*>.'•::•*• '>'•.-*>.*:• .i>-M-f:\'-:;^-• . •<•. .>-'.^-.•;(••«•-. Informacja węchowa dociera do ośrodków mózgowych o różnym rozwoju filogene- tycznym. Jedna droga prowadzi przez prążek węchowy boczny do filogenetycznie starszej, korowo-przyśrodkowej części ciała migdałowatego. Obie te struktury mają połączenia z układem limbicznym (rąbkowym), głównie z hipokampem. Część impulsów dochodzi do okolicy haka (uncus) w przednio-przyśrodkowej części płata skroniowego. Druga droga prowadzi przez jądro przyśrodkowe grzbietowe wzgórza do tylnej części zakrętów oczodołowych. Przypuszcza się, że obszar ten, wraz z okolicą haka, odgrywa rolę w powstawaniu wrażeń węchowych (rys. 9.5). Hipoteza ta została ostatnio potwierdzona badaniami aktywności ośrodków mózgo- wych za pomocą funkcjonalnego rezonansu magnetycznego. Bodźce węchowe pobudzają u ludzi, oprócz struktur węchomózgowia, rozległe obszary płata czołowe- go, zwłaszcza zakręty oczodołowe i zakręt obręczy (Levy i wsp., 1997). Liczne powiązania ośrodków węchowych ze strukturami układu limbicznego 242 " - ' *l Rys. 9.S. Ośrodki węchu. ., ; sofc <>r;:rtio fffvrrtfc»::;"j'.v-;y, 35'," r' - % !,' Ul> - , " , " ' 'J! At ' rtr; liii powodują, że doznanie węchowe zazwyczaj zawiera komponent emocjonalny, tj. oceniamy je w kategoriach przyjemności i przykrości. Zald i Pardo (1997) mierzyli za pomocą emisyjnej tomografii pozytonowej (PET) przepływ krwi przez ośrodki mózgowe ludzi podczas prezentacji zapachów powodujących nieprzyjemne do- znania. Przy zapachu umiarkowanie awersyjnym wzrastała aktywność okolicy zakrętów oczodołowych w lewym płacie czołowym, natomiast zapachy bardzo nieprzyjemne aktywowały również, obustronnie, obszar ciała migdałowatego, przy czym występowała wysoka korelacja między subiektywną oceną przykrości zapachu a stopniem pobudzenia tej struktury w obrazie PET. U ssaków mających narząd przylemieszowy pobudzenie z komórek recep- torowych w tym narządzie jest przekazywane do dodatkowej opuszki węchowej, a stamtąd do ośrodków węchowych, w tym głównie do części korowo-przyśrod- kowej ciała migdałowatego. Plastyczność układu węchowego. Pamięć węchowa Wiele danych wskazuje na to, że kontakt z zapachami w okresie rozwoju układu nerwowego kształtuje molekularne właściwości receptorów węchowych i wytycza przebieg połączeń nerwowych w drodze węchowej. Pedersen i Blass (1982) wstrzykiwali do wnętrza macicy ciężarnej samicy szczura substancję o zapachu cytryny, tak by rozwijające się płody stale kontaktowały się z tym bodźcem. Po urodzeniu młode szczury ssały tylko sutki matki posmarowane tą samą substancją zapachową. Leon i wsp. (1987) poddawali nowo narodzone szczury działaniu zapachu mięty 10 minut dziennie przez 19 dni. Następnie zwierzętom wstrzykiwali radioaktywną 2-deoksyglukozę i stwierdzili, że związek ten gromadził się wybiórczo w jednym z obszarów opuszki węchowej. Można sądzić, że pod wpływem 243 stymulacji węchowej we wczesnym okresie życia ten obszar opuszki wyspec- jalizował się w reagowaniu na zapach normalnie nie odgrywający roli w życiu tego gatunku. Plastyczne właściwości układu węchowego nie tylko mają znaczenie dla kształtowania się wrażliwości na zapachy we wczesnym okresie życia, lecz także są podstawą pamięci węchowej w wieku dorosłym. Zagadnienie to badano na owcach karmiących potomstwo. Zapach jagnięcia nie wywołuje widocznej reakcji u owcy poza okresem rozrodczym, natomiast staje się bardzo silnym sygnałem dla matki w okresie karmienia. Preferencja własnego potomka powstaje po porodzie wskutek funkcjonalnej modyfikacji ośrodków układu limbicznego przez bodźce z dróg rodnych. Układ limbiczny oddziałuje wówczas zwrotnie na opuszkę węchową i powoduje uwrażliwienie jej na bodźce zapachowe pochodzące od jagniąt, a zwłaszcza od własnego potomka. Zjawisko to badano metodami elektrofizjologicznymi i neurochemicznymi (Kendrick i wsp., 1992). Badania elektrofizjologiczne polegały na rejestracji aktywności bioelektrycznej komórek mitralnych wywołanej zapachami różnego pochodzenia. Po porodzie komórki te reagowały intensywniej, gdy prezentowano zapach własnego, a nie obcego jagnięcia, natomiast przed porodem nie wykazywały takiej różnicy. Badania neurochemiczne polegały na oznaczaniu ilości przekaźników uwalnianych w opuszce węchowej podczas prezentacji zapachu jagniąt. Badaniami objęto przekaźniki zarówno wytwarzane przez komórki własne opuszki, tj. kwas glutaminowy i kwas gamma-aminomasłowy (GABA), jak też uwalniane na zakończeniach włókien dochodzących do opuszki z układu limbicznego, tj. noradrenalinę i acetylocholinę. Okazało się, że prezentacja owcy zapachu jagnięcia, obcego czy własnego, stymulowała uwalnianie noradrenaliny i acetylo- choliny, natomiast zapach tylko własnego potomka powodował uwalnianie kwasu glutaminowego i GABA. Zakodowany ślad pamięciowy można było uaktywnić za pomocą mikroiniekcji kwasu glutaminowego do opuszki węchowej (Kaba i wsp., 1994). :r.<#;:,-t. x >•.>•, ,;.; •••>••*-. • •'•;.•'••."• n "^ v? •"; w. . •. , - - ,-• ' . ; l Plastyczne właściwości układu węchowego umożliwiają uczenie się znacze- nia bodźców zapachowych również u ludzi. Zagadnieniem tym zajmowali się Bende i Nordin (1997), badający właściwości węchu u zawodowych kiperów. Wbrew oczekiwaniom, kiperzy nie wykazywali wybitnej wrażliwości na bodźce zapachowe, natomiast lepiej niż osoby kontrolne identyfikowali zapachy win i wykrywali subtelne różnice między porównywanymi gatunkami. Doskonałość w zawodzie osiągnęli więc nie wskutek szczególnych właściwości recepcji węchowej, lecz dzięki sprawnej pamięci bodźców węchowych. Badania prze- prowadzone na gryzoniach, zwierzętach domowych (owce, kozy) i małpach wykazały, że w pamięci węchowej odgrywają rolę zarówno właściwe węchomóz- gowie (guzek węchowy, pole podspoidłowe, hak), jak i struktury układu limbicznego sprawujące też inne funkcje (hipokamp, ciało migdałowate). Ponieważ informacja z narządu węchu trafia bezpośrednio do tych obszarów, jest zrozumiałe, że zapachy, oprócz komponentu informacyjnego, mają wyraźny komponent emocjonalny, dzięki któremu klasyfikujemy je w kategoriach przyjem- ności i przykrości. 244 Biologiczna rola węchu - < Bodźce węchowe mają znaczenie informujące, rozpoznawcze, przyciągające i odpychające. , , Zapachy informują samca o stanie fizjologicznym samicy. Z informacji węchowej szeroko korzystają mrówki. Owady te wydzielają substancje o różnym znaczeniu sygnalizacyjnym, oznajmiającym zagrożenie lub wskazującym miejsce pożywienia. Dzięki węchowi owady społeczne, takie jak osy, pszczoły i trzmiele, odróżniają owady z własnego roju od innych osobników. Pszczoły i trzmiele dzięki nabytej umiejętności rozpoznają zapachy odwiedzanych kwiatów. Zapachy służą znakowaniu terytorium, na przykład kałem lub moczem. Zapobiegają też wtargnięciu intruza do rewiru zajmowanego przez danego osobnika. Południowoamerykańskie pszczoły bezżądłowe zostawiają ślady zapachowe, na przykład na kamieniach. Na podstawie tych śladów inne zbieraczki kierują się do źródła, pożytku. Zapachy wywierające działanie przyciągające nazywa się atraktantami. Należą do nich feromony wydzielane przez różne gruczoły lub zawarte w moczu. Substancje te służą do odnajdywania osobnika płci przeciwnej lub nawiązywania kontaktów międzyosobniczych, w tym także między rodzicami i potomstwem. Samice wielu motyli nocnych wydzielają feromony płciowe wywołujące u samca lot do źródła zapachu. U ssaków rolę w nawiązywaniu kontaktów między osobnikami odgrywają feromony z gruczołów napletkowych, potowych, międzypalcowych i z okolicy odbytu, dlatego często spotykanym zjawiskiem jest wzajemne obwąchiwanie się różnych zwierząt, na przykład psów. Samica szczura w okresie 14—27 dni po urodzeniu młodych wydziela feromon, na który reaguje potomstwo i dąży do jej sutków. Do atraktantów zalicza się też zapachy pochodzenia roślinnego, które wabią owady poszukujące nektaru, jak motyle i błonkówki żądłówki. Zapach aldehydu octowego jest atraktantem dla stonki ziemniaczanej, a kwasów tłuszczowych zawartych w łuskach niektórych traw i zbóż - dla szarańczy. Zapach przyciąga samice owadów składających jaja na mięsie. Czynnikiem zwabiającym są tu produkty gnicia. Typowym repelentem jest cuchnąca ciecz wystrzykiwana przez śmierdziela. Przed niebezpieczeństwem chroni zwierzęta tendencja do ucieczki z miejsc o dużym natężeniu substancji alarmowych, na przykład pochodzących ze skóry zranionych osobników. Zapachy mogą wyzwalać lub hamować różne funkcje fizjologiczne. Obecność samca wyzwala ruję u samicy myszy. Ale niekiedy woń obcego samca powoduje zablokowanie istniejącej ciąży, poronienie i ponowną ruję. Bodźce węchowe wykorzystywane są także w zachowaniach łowieckich. Drapieżne ssaki chętnie tarzają się w znalezionej padlinie lub kale ssaków roślinożernych - ich potencjalnych ofiar. Nadaje im to woń mogącą zmylić zwierzęta, na które polują. ^ Smak ' •*• n Rozpoznawanie pokarmów opiera się na zintegrowanych wrażeniach smakowych, węchowych, dotykowych, termicznych, a także nocyceptywnych. Same doznania 245 bezpośrednio związane ze zmysłem smaku są stosunkowo proste. Ssaki rozróżniają cztery jakości smakowe: smak słony, kwaśny, słodki i gorzki. Natomiast pokarm ma jeszcze swoisty zapach, konsystencje, temperaturę, a niektóre jego składniki, na przykład ostre przyprawy, mogą wywoływać reakcje obronne. Smak pojawił się w rozwoju filogenetycznym dość wcześnie. Reakcja odrzucania pokarmu z dodat- kiem chininy występuje już u organizmów jednokomórkowych. Bodźcami wywo- łującymi wrażenia smakowe są substancje rozpuszczalne w wodzie, które mogą docierać do receptorów w postaci roztworów lub przedtem rozpuszczać się w ślinie. U większości zwierząt receptory smakowe są rozmieszczone wewnątrz lub wokół jamy gębowej. Jednak u ryb żyjących w pobliżu dna zbiorników wodnych receptory te występują na skrzelach i na płetwach piersiowych. Takie rozmieszczenie umożliwia tym zwierzętom wykrywanie pokarmu pokrytego mułem. Podobnie owady odczuwają smak stopkami pierwszej pary odnóży. Rys. 9.6. Rozmieszczenie receptorów smakowych i drogi czucia smaku. Jądro brzuszne tylno-przyśrodkowe słodki słony kwaśny kwaśny gorzki słony gorzki 246 Receptory smakowe Receptorami smakowymi u ssaków są komórki umieszczone we wpukleniach błony śluzowej języka, w tzw. kubkach smakowych. Każdy kubek zawiera 50-100 komórek smakowych. Każda komórka smakowa jest wyposażona w pręcik smakowy - mały włosek sięgający do otworu kubka smakowego. Przez otwór ten może wnikać ślina i rozpuszczone w niej substancje. Do kubka wchodzą zakończenia czuciowe kontaktujące się z komórkami czuciowymi. Zakończenia te pochodzą od nerwów twarzowego (VII), językowo-gardłowego (IX) i błędnego (X). Receptory smaku słodkiego przeważają na czubku języka, słonego i kwaśnego na bokach, a gorzkiego - u nasady języka. Poza językiem, kubki smakowe znajdują się w błonie śluzowej podniebienia, gardła i w górnej części przełyku (rys. 9.6). Rozpuszczona w ślinie substancja smakowa wnika do kubka smakowego i kontaktuje się z wierzchołkami komórek smakowych. Mechanizm pobudzenia receptorów smaku słonego i kwaśnego jest stosunkowo prosty. Jony sodu (Na+), występujące w nadmiarze w słonych potrawach, wnikają biernie do komórki przez specjalne kanały zgodnie z gradientem stężeń, tzn. od większego stężenia na zewnątrz do mniejszego stężenia wewnątrz komórki. Wzrost stężenia jonów Na+ w cytoplazmie prowadzi do depolaryzacji błony komórkowej. Potrawy kwaśne działają na kanały potasowe, wrażliwe na jony wodorowe. Wskutek zmniejszenia pH na zewnątrz komórki dochodzi do zamknięcia tych kanałów. Tym samym Rys. 9.7. Pobudzenie receptorów smakowych. Objaśnienia w tekście. Otwór smakowy Mikro- SŁONY kosmki Na KWAŚNY Komórki receptorowe i > jasna jasna Kubek smakowy Na+ Depolaryzacja Potencjał czynnościowy Depolaryzacja Potencjał czynnościowy Komórka podporowa Komórka podporowa tosmki SŁODKI GORZKI Kubek smakowy Włókna nerwowe Synapsa Przekaźnik 247 zostaje zablokowany stały wypływ jonów potasu (K+) z komórki, co przyczynia się do nagromadzenia dodatnich ładunków w cytoplazmie i powstania potencjału depolaryzacyjnego (rys. 9.7). Substancje o smaku słodkim i gorzkim wywierają działanie za pośrednictwem przekaźników wtórnych. Substancje słodkie działają na swoisty receptor i aktywują białko G. Uczynnione białko G aktywuje z kolei cyklazę adenylanową, co prowadzi do nagromadzenia w cytoplazmie cAMP. Ten wtórny przekaźnik inicjuje proces biochemiczny, którego skutkiem jest zamknięcie kanałów potasowych, zablokowanie wypływu jonów potasu z komórki, wzrost liczby dodatnich ładunków elektrycznych w cytoplazmie i depolaryzacja błony komórkowej. Mechanizm działania substancji gorzkich jest bardziej złożony. Wyodrębniono kilka rodzajów komórek receptorowych smaku gorzkiego. Najlepiej poznane są komórki wykorzystujące jako przekaźniki wtórne pochodne fosfatydyloinozytolu. Substancja smakowa działa na receptor błonowy i uruchamia kaskadę procesów biochemicznych, których końcowy produkt - IP3 - powoduje uwolnienie jonów wapnia z siateczki śródplazmatycznej. Przypuszcza się, że jony wapnia powodują uwalnianie przekaźnika przekazującego stan pobudzenia z komórki receptorowej do zakończenia włókna czuciowego. Drogi czucia smaku. Fizjologiczna rola smaku - • .' li Impulsy smakowe docierają do jądra smakowego w rdzeniu przedłużonym, które stanowi przednią część jądra samotnego (nucleus solitarius). Stąd impulsy te zostają przesłane do jądra brzusznego tylno-przyśrodkowego wzgórza, a następnie do okolicy smakowej w zakręcie zaśrodkowym płata potylicznego kory mózgu, w pobliżu czuciowej reprezentacji języka. Część impulsów smakowych dociera do układu limbicznego, głównie podwzgórza i ciała migdałowatego. Mają one znaczenie dla oceny pokarmu w kategoriach przyjemności i przykrości (rys. 9.6). Organizacja drogi smakowej jest mało znana. Dokładnie nie wiadomo, czy pobudzenie każdego rodzaju receptorów smakowych jest przekazywane do ośrodkowego układu nerwowego równolegle oddzielnymi włóknami nerwowymi, czy też dane włókno nerwowe zbiera pobudzenie z różnych receptorów. Bardziej prawdopodobna wydaje się druga możliwość i to, że charakter doznania smakowego ostatecznie powstaje w wyniku integracji informacji dostarczanej przez różne włókna. Pobudzenie receptorów smakowych odgrywa ważną rolę w czynności pobie- rania pokarmu, oddziałuje bowiem na ośrodkowe mechanizmy głodu i sytości. Bodźce smakowe wyzwalają odruchy ślinowe, a także wywołują tzw. sytość krótkotrwałą, związaną z obecnością pokarmu w jamie ustnej. Pobudzenie receptorów smakowych może stanowić nagrodę, czyli wzmocnienie instrumentalnych odruchów warunkowych. Na przykład u szczurów można wywołać reakcje instrumentalne wzmacniane podaniem roztworu sacharyny - związku pozba- wionego wartości odżywczej, natomiast pobudzającego receptory smaku słodkiego. Pamięć smaku, podobnie jak pamięć zapachu pokarmu, który kiedyś był przyczyną choroby, wyzwala awersję do tego pokarmu i powoduje odrzucanie go przez zwierzę w przyszłości. 10. Ból 'efinicja przyjęta przez Międzynarodowe Towarzystwo Badań nad Bólem określa 'ból jako nieprzyjemne doznanie czuciowe i emocjonalne, związane z aktualnym, potencjalnym czy też domniemanym uszkodzeniem tkanek organizmu. J Powyższa definicja, przyjmująca za jedyne kryterium aspekt subiektywny bólu, uwzględnia dwa jego komponenty - sensoryczny i emocjonalny, czyli popędowy (WaU,_l_989). Bezpośrednią przyczyną bólu jest podrażnienie specjalnej klasy receptorów zwanych nocyceptoramij W doświadczeniach na zwierzętach i w badaniach u ludzi podrażnienie nocyceptorów, najczęściej skóry, wywołuje odruchy obronne zwane nocyceptywnymi. Na podstawie odruchów nocyceptywnych ocenia się czucie bólu u zwierząt, częściej nazywane wówczas nocycepcją. W odróżnieniu od innych rodzajów czucia, ból jest doznaniem mało precyzyjnym, o słabo wyrażonej lokalizacji, tak że dawniej był zaliczany do czucia protopatycznego. Czucie bólu nie ulega habituacji, podlega natomiast kontroli ze strony mechanizmów rdzeniowych i nadrdzeniowych (zlokalizowanych w pniu mózgu)!,! wreszcie ból jest zjawiskiem niejednorodnym; rozróżnia się wiele rodzajów bólu, o różnej roli biologicznej i o różnych mechanizmach neuronalnych. Istotne różnice zaznaczają się między bólem fizjologicznym i patologicznym. •' '" • ' • - - ... i Ból fizjologiczny - ; : s- i"------- ! Ból jest ważnym sygnalizatorem potencjalnego lub rzeczywistego uszkodzenia tkanek i pod tym względem mą znaczenie ochronne. Tego rodzaju ból jest nazywany bólem fizjologicznym.; Ból fizjologiczny jest najczęściej wywołany zadziałaniem bodźca mechanicznego lub termicznego na skórę, lecz także uderzeniem w kość, naprężeniem więzadła okołostawowego lub nadmiernym naciągnięciem torebki stawowej (Ból pochodzący z narządu ruchu chroni organizm przed złamaniem kości i zwichnięciem stawuJ - • 249 Receptory bólu (nocyceptory) . — — Receptory czucia bólu występują w skórze, w narządzie ruchu (głównie w okostnej, torebkach stawowych i więzadłach), w rogówce oka, w miazdze zębowej i w oponie twardej mózgu. Obfite unerwienie bólowe mają opłucna i otrzewna, a także narządy wewnętrzne i tętnice./ Receptory bólu są zakończeniami włókien nerwowych o mało skomplikowanej budowie i nie mają tak wyspecjalizowanych narządów jak receptory dotyku. Rozróżnia się wśród nich kilka typów, o różnej wrażliwości na bodźce nocycep- (_' Nocyceptory skóry są zakończeniami włókien bezmielinowych należących do grupy C i cienkich włókien mielinowych zaliczanych do podgrupy A8. Zakończenia włókien C reagują na bodźce termiczne o temperaturze od 41 do 49°C, przy czym za próg bólu uważa się 44,5°C. Są one również pobudzane przez bodźce mechaniczne (ucisk, ukłucie), jednak słabiej niż zakończenia włókien A8. Zakończenia włókien C są też wrażliwe na bodźce chemiczne. Ich wrażliwość na bodźce różnych kategorii spowodowała, że zakończenia te są nazywane receptorami polimodalnymi. Zakończenia włókier^AS reagują na bodźce mechaniczne, niektóre też na gorąco albo na oziębienie tkanki1 (Campbell i wsp., 1989). Mechanizm pobudzenia receptorów bólowych. - • >' i ' • ' ' * ' Ból ostry i piekący v,Tr,r*~ t. ( *• Sim->'>.' V . :),.f, .*» . . \ Każdy, komu zdarzyło się włożyć nieopatrznie rękę do gorącej wody, wie, że natychmiast po zadziałaniu gorąca pojawia się silny, krótkotrwały ból, a następnie, po pewnej przerwie, długotrwały ból o piekącym charakterze. Zjawisko to tłumaczone jest następująco. Zadziałanie gorąca na skórę pobudza jednocześnie zakończenia włókien AS i C. Ponieważ włókna mielinowe AS szybciej przewodzą impulsy nerwowe, najpierw pojawia się związany z nimi ból ostry, zwany też bólem „szybkim". Dopiero gdy w chwilę później do rdzenia dotrą impulsy przewodzone wolniej przez bezmielinowe włókna C, dochodzi do skutku druga faza bólu, o charakterze piekącym, zwana bólem „wolnym". Ta druga faza nie tylko pojawia się później, lecz również trwa dłużej. Jest to spowodowane uwolnieniem w podrażnionej gorącem skórze substancji chemicznych, np. brady- kininy, które drażnią zakończenia włókien C. W przypadku znaczniejszego podrażnienia skóry ból „wolny" może stać się w istocie bólem patologicznym. Impulsy nerwowe przewodzące ból „szybki" i „wolny" biegną w ośrodkowym układzie nerwowym różnymi drogami i dochodzą do różnych ośrodków. i- f • \ ł-"1 'i .i"1 ,' 'Mfń ' ') " f .ł »..! ' "'i'\vv -n n "la, ą J-SU. Dopływ impulsów czucia bólu do rdzenia kręgowego. "tj tj'"'f> VRI *'v Bramka rdzeniowa vr' ' Włókna AS i C są anatomicznie wypustkami obwodowymi komórek rzekomojed- nobiegunowych znajdujących się w zwojach rdzeniowych. Komórki te są neuronami czuciowymi I rzędu. Wypustki centralne (doośrodkowe) tych komórek tworzą 250 korzenie tylne i wchodzą do rogów grzbietowych (tylnych) rdzenia kręgowego. Wraz z nimi podążają tam aksony neuronów przewodzących włóknami AP czucie dotyku. Włókna Ap odgrywają ważną rolę w modulowaniu czucia bólu. W rogach grzbietowych aksony komórek przewodzących impulsy bólowe od zakończeń A5 i C tworzą synapsy z neuronami czuciowymi II rzędu. Neurony te dają początek drogom przenoszącym impulsy czucia bólu do ośrodków mózgowych. Przekazywanie pobudzenia w tych synapsach jest regulowane przez sieć neuronalną zwaną bramką rdzeniową. Od aksonów neuronów czuciowych II rzędu, w pobliżu ich ciał komórkowych, odchodzą bocznice (kolaterale) do motoneuronów w ośrod- kach ruchowych rdzenia kręgowego. Połączenia te są przyczyną występowania, wraz z odczuciem bólu, odruchu obronnego na bodziec nocyceptywny (na przykład nagłego cofnięcia ukłutej kończyny). Koncepcja bramki rdzeniowej została wysunięta przez Melzacka i Walia (1965). Pobudzenie neuronu czuciowego II rzędu przez włókna A5 i C jest utrudnione, gdy do rdzenia kręgowego jednocześnie dochodzi włóknami Ap impulsacja z receptorów dotyku z tego samego obszaru ciała, w którym znajdują się receptory bólowe. Pierwotny i później zmodyfikowany schemat bramki Rys. 10.1. Schematy bramki rdzeniowej; A - pierwotny schemat wg Melzaka i Walia (1965); B - zmodyfikowany schemat wg Walia (1989). Objaśnienia w tekście. do ośrodków / czucia bólu w mózgowiu Włókno AP Włókno C Neuron l STOP Odruch v /( nocyceptywny t lin:-'. '.-j,i' !r\~ ~~olbrzymiokomórkowe \ Jądro ^^ faza wczesna bólu (od włókien AS) Włókna C Droga: noradrenergiczna __, / ,„„.,„„„„- serotoninergiczna V / -siatkowa O\_ Droga ^y/ ^*s^\rdzeniovi_ /y faza późna bólu \\wzgorzowa y —~^j^ -^ \7/ Bramka rwłókna AS^^^K m\ Y rdzeniowa nasilonego i długo utrzymującego się stanu wzbudzenia, utrudniającego zaśnięcie. Po drugie, twór siatkowaty może odgrywać rolę w emocjonalno-afektywnym kompo- nencie bólu. Po trzecie, jądra siatkowate, głównie mostu i rdzenia przedłużonego, mogą modulować przebieg rdzeniowych odruchów nocyceptywnych. To samo działanie może wywierać móżdżek, który otrzymuje informacje bólowe za pośredni- ctwem tworu siatkowatego rdzenia przedłużonego. Po czwarte, twór siatkowaty ma połączenia ze strukturami należącymi do ośrodkowego systemu tłumienia bólu. W ten sposób impulsy bólowe mogą, na zasadzie ujemnego sprężenia zwrotnego, ograniczać stan pobudzenia rdzeniowych ośrodków czucia bólu. 254 Metody badania bólu u zwierząt Terapia bólu jest ważnym problemem w medycynie. Poszukiwania leków przeciw- bólowych stworzyły konieczność opracowania testów pozwalających ocenić czucie bólu u zwierząt. Większość stosowanych testów opiera się na rejestracji odruchów nocyceptywnych. Wrażliwość na ból myszy i szczurów ocenia się najczęściej na podstawie testu gorącej płytki i odruchu cofania ogona. W pierwszym teście zwierzę umieszcza się na płytce o temperaturze od 50 do 55°C i obserwuje czas do pojawienia się charakterystycznej reakcji w postaci otrząsania lub lizania tylnej kończyny (rys. 10.3). W celu przerwania kontaktu z bodźcem bólowym zwierzę Rys. 10.3. Badanie wrażliwości na ból : u myszy i szczurów na ' •»* *jw podstawie testu gorącej płytki i odruchu cofania ogona. Gorąca płytka Żarówka w ognisku zwierciadła parabolicznego Odruch cofania ogona •'•'•'.'.•••.. "•••a. »" ft Ł ' f O t ^L 1'JOct jest natychmiast zdejmowane z płytki. Czas przebywania na płytce, zwany okresem utajonym albo latencją reakcji, który normalnie wynosi kilka sekund, wydłuża się do kilkunastu lub nawet kilkudziesięciu sekund po podaniu zwierzęciu morfiny. W celu zbadania latencji odruchu cofania ogona zwierzę umieszcza się w małym pojemniku z ogonem wystającym na zewnątrz. Na ogonie skupia się światło lampki o intensywności powodującej po 2-4 s cofnięcie ogona spod źródła gorąca. Latencja tej reakcji pod wpływem morfiny wydłuża się do 10-15 s. Metody badania bólu u ludzi Badanie czucia bólu, wraz z innymi rodzajami czucia somatycznego, jest rutynowym postępowaniem w diagnostyce chorób układu nerwowego. Najprostszy test polega na kłuciu igłą różnych obszarów ciała i pytaniu pacjenta o charakter doznania. 255 W celu bardziej precyzyjnej oceny czucia bólu opracowano metody, które są stosowane zarówno w celach diagnostycznych u chorych, jak też w badaniach na zdrowych ochotnikach. Ocena bólu u ludzi opiera się na wskaźnikach obiektywnych oraz na podawanym przez badanego odczuciu bodźca. Do metod obiektywnych należą pomiary odruchów nocyceptywnych i rejestracja potencjałów elektrycznych z powierzchni głowy, wywołanych stosowaniem bodźców bólowych. ''('> . • \ ) i J ',„'," . . > ' " • . l i i f - - Odruchy nocyceptywne jako miernik wrażliwości bólowej W badaniach tych jako bodźców bólowych najczęściej używa się drażnienia skóry prądem elektrycznym. Stosując elektrody o różnej konfiguracji, drażni się albo zakończenia nerwowe w skórze, albo włókna nerwu czuciowego przebiegającego w pobliżu elektrod. Do innych metod należy ogrzewanie skóry gorącym przed- miotem lub promieniem laserowym, ściskanie palca z kontrolowaną siłą albo elektryczne drażnienie zęba. Stosuje się też zanurzanie ręki w zimnej wodzie oraz zaciskanie na kończynie opaski gumowej w celu wywołania bólu ischemicznego (niedokrwiennego). Intensywność stosowanych bodźców jest tak dobrana, by wywoływały ból, ale nie uszkadzały tkanki. "" -r ..;.. .,, '•>? Przykładem badania odruchu nocyceptywnego jest metoda stosowana przez Willera (1984). Bodźcem bólowym jest drażnienie przez skórę nerwu łydkowego (nervus suralis) na drodze jego przebiegu w okolicy pięty. Badaną reakcją jest skurcz mięśnia dwugłowego uda (musculus biceps femoris), oceniany na podstawie Rys. 10.4. Badanie odruchu nocyceptywnego u człowieka. Hamowanie odruchu przez morfinę i w trakcie pracy umysłowej (liczenie). Zniesienie hamowania przez nalokson (na podst. opisu wyników J.-C. Willera, 1984). Morfina Praca umysłowa Praca umysłowa + nalokson 256 elektromiogramu. Elektromiogram jest odbierany za pomocą elektrod przytwier- dzonych do skóry uda nad brzuścem tego mięśnia. Do drażnienia stosowano impulsy elektryczne o czasie trwania 0,05-1,00 ms i natężeniu prądu wzrastającym do 40 mA. Intensywność odczuwania bodźca badany oceniał w dziesięciostopniowej skali (rys. 10.4). -t-' U zdrowych ochotników odruch nocyceptywny pojawiał się przy natężeniu prądu powyżej 10 mA i zwiększał się wraz ze zwiększaniem siły bodźca. Przy słabszym prądzie badany oceniał bodziec jako dotykowy. Stwierdzono pełną zgodność między wielkością odruchu nocyceptywnego a intensywnością od- czuwanego bólu. Wykazano również, że odczuwanie bólu jest modyfikowane przez czynniki psychiczne. Na przykład wykonywanie zadania arytmetycznego (liczenie wstecz co 3, poczynając od 200) zmniejszało zarówno natężenie odruchu nocyceptywnego, jak i intensywność odczuwania bólu. Ponieważ przeciwbólowe działanie wysiłku umysłowego było hamowane przez nalokson, antagonistę receptorów opioidowych, w zjawisku tym prawdopodobnie odgrywało rolę uwolnienie opioidów endogennych. , - .- Badanie czucia bólu metodą potencjałów wywołanych Do badania potencjałów wywołanych stosuje się technikę elektroencefalo- graficzną. Potencjały elektryczne są odbierane za pomocą elektrod przytwie- rdzonych do skóry głowy. Aby uzyskać wyraźny, odcinający się od tła potencjał, bodziec nocyceptywny musi być możliwie krótkotrwały. Stosuje się zatem drażnienie skóry, nerwu czuciowego lub zęba impulsami elektrycznymi, ogrzewanie skóry promieniem laserowym lub różnego rodzaju bodźce me- chaniczne. Stosowane bodźce są wielokrotnie powtarzane, a potencjały wywołane są sumowane i uśredniane za pomocą układów elektronicznych (Buchsbaum, 1984). Stosowane bodźce pobudzają wszystkie rodzaje włókien czuciowych, a więc włókna A0, o szybkości przewodzenia impulsów 55-60 m/s, włókna A8, przewodzące z szybkością 19-22 m/s, i włókna C, o szybkości przewodzenia l m/s. A zatem wczesny komponent potencjału, wywołany przez impulsy czucia dotyku, które dotarły do rdzenia kręgowego włóknami A0, nie jest analizowany. Uwzględniając szybkość przewodzenia impulsów we włóknach nerwowych A8 przyjmuje się, że impulsy te powinny wywołać zmiany bioelektryczne w korze mózgu o latencji krótszej niż 500 ms. Natomiast sygnał przewodzony włóknami C dociera do kory dopiero po upływie sekundy. Na tej postawie rozróżnia się potencjał wywołany bólu wczesnego i późnego. Potencjał bólu wczesnego składa się zwykle z trzech lub czterech wychyleń. Pierwsze wychylenie, elektrododatnie, pojawia się po upływie około 80 ms od zadziałania bodźca; po nim następuje wychylenie ujemne, a następnie znów dodatnie - po 250 ms. Niekiedy pojawia się jeszcze czwarte wychylenie, o latencji 330 ms (rys. 10.5). Rejestracja potencjału bólu późnego jest trudna, ponieważ jego zapis elektroencefalograficzny zawiera jeszcze inne potencjały, będące efektem działania bodźca bólowego, na przykład charakterystyczne dla spowodownej przez ból 257 Rys. tOJ: Zmiana czynności bioelektrycznej kory mózgu (potencjał wywołany) pod wpływem bodźca bólowego (na podst. opisu wyników M.F. Buchsbauma 1984); N -potencjał ujemny; P - potencjał dodatni; dalsze objaśnienia w tekście. N150 P8° P240 Dotyk A p Ból wczesny A5 Ból późny C 100 EEG 500 1000 ms reakcji wzbudzenia. Najlepsze wyniki uzyskuje się, stosując jako bodziec nocy- ceptywny drażnienie termiczne wiązką laserową. Drażnienie takie pobudza wybiórczo włókna C. Potencjał wywołany pojawia się wówczas z latencją dłuższą niż l s. Sprawozdanie słowne o intensywności doznania jest cennym uzupełnieniem obiektywnych testów bólowych. Najczęściej badany ocenia intensywność bólu w dziesięciostopniowej skali. Innym sposobem jest podawanie standardowego bodźca bólowego o średnim natężeniu, względem którego badany określa inten- sywność odczuwania następnych bodźców. • f f Ocena intensywności bólu patologicznego '' ,f K)'1 Oli-l,. l l '«)»< Do oceny intensywności bólu w stanach chorobowych opracowano odpowiednie zestawy pytań dotyczących różnych kategorii bólu. Kwestionariusz McGill zaproponowany przez Melzacka (1975) zawiera 20 deskryptorów, składających się z kilku (do pięciu) przymiotników. Deskryptory te określają ból w kategoriach sensorycznych, emocjonalnych i ogólnych. Ranga każdego przymiotnika zależy od jego miejsca na liście. Suma rang wskazuje na udział komponentu sen- sorycznego i emocjonalnego w ogólnym doznaniu bólowym. Oprócz tego badany ocenia intensywność bólu, niezależnie od jego charakteru, w skali od O do 5. Ocena intensywności czucia bólu ma znaczenie w ustalaniu wskazań do stosowania leków przeciwbólowych oraz w ocenie skuteczności ich działania. 258 Ośrodkowy system tłumienia bólu -i-i «; .' Ból nie zawsze jest odczuwany adekwatnie do jego obiektywnej przyczyny. Obserwacje etologiczne wskazują, że ranne zwierzę często nie różni się swym zachowaniem od zdrowych osobników w stadzie. Podobnych przykładów można by przytoczyć znacznie więcej. Wszystkie są przejawem działania mechanizmu tłumiącego ból, czyli wywołującego stan analgezji] W 1969 r. Reynolds zaobserwował, że drażnienie istoty szarej około- wodociągowej śródmózgowia hamuje reakcje bólowe u szczura. Później okazało się, że w mózgu jest kilka okolic hamujących ból. Należy do nich jeszcze jądro okołokomorowe (nucleus periventriculariś) podwzgórza oraz zespół jąder zlokali- zowany w brzuszno-przyśrodkowej części rdzenia przedłużonego, z których najlepiej poznano jądro wielkie szwu (nucleus raphes magnus) i jądro przyolbrzymiokomór- kowe (nucleus paragigantocellularis) (Dostrovsky, 1988). Istota szara okołowodociągowa, uważana za nadrzędny ośrodek tłumienia bólu, otacza na kształt mankietu wodociąg mózgu (Sylwiusza) wzdłuż całego śródmózgo- wia. Ku przodowi przechodzi bezpośrednio w jądro okołokomorowe podwzgórza. Dochodzą do niej włókna nerwowe z jądra łukowatego (nucleus arcuatus) podwzgórza, z ciała migdałowatego, ze środkowej części wzgórza i z jądra siatkowatego mostu. A zatem istota szara okołowodociągowa jest połączona z układem limbicznym i z podkorowymi ośrodkami bólu. Impulsy bólowe dochodzą tu także bezpośrednio z rdzenia kręgowego (Reichling i wsp., 1988). Połączenia odprowadzające z istoty szarej śródmózgowia biegną do jądra wielkiego szwu w rdzeniu przedłużonym. W jądrze tym biorą początek włókna serotoninergiczne, które dochodzą do rogów grzbietowych rdzenia kręgowego. Od jądra przyolbrzymiokomórkowego odchodzą włókna noradrenergiczne, które także zmierzają do rogów grzbietowych rdzenia. Zadaniem tych włókien jest hamowanie przekazywania impulsów czucia bólu z neuronów I rzędu do neuronów II rzędu w ośrodkach rdzeniowych (Willis Jr, 1988) (rys. 10.2). . ;,WM. ---^ . Ł ,t- Przejawy działania ośrodkowego systemu tłumienia bólu Podawaliśmy wyżej przykład osłabienia odruchu nocyceptywnego i czucia bólu w czasie wykonywania przez badanego działania arytmetycznego. Znaczne hamowanie bólu, zwane analgezją, obserwowano u zwierząt i ludzi pod wpływem takich czynników jak stres, akupunktura i różne stany emocjonalne, na przykład pobudzenie seksualne/(Komisaruk i Whipple, 1986). Analgezja spowodowana stresem .,,,,; U zwierząt poddawanych działaniu czynników stresowych dochodzi do osłabienia reakcji na bodźce bólowe (Hayes i Katayama, 1986; Watkins i Mayer, 1986). U myszy i szczurów po pływaniu w wodzie o temperaturze 20°C w ciągu 3 minut obserwuje się wydłużenie latencji odruchu otrząsania kończyny na gorącej płytce i odruchu cofania ogona. Podobne zmniejszenie wrażliwości bólowej obserwowano u myszy pod wpływem ekspozycji na kota. Do tej samej kategorii należy analgezja 259 występująca u myszy-intruza, wpuszczonej do obcej klatki i atakowanej przez rezydenta (Miczek i wsp., 1986). Sytuacja stresowa powoduje osłabienie czucia bólu również u ludzi, na przykład w trakcie zawodów sportowych czy u żołnierzy podczas walki. Miarodajne badania wykazały, że ranni w wypadkach drogowych, przywiezieni do szpitala z bolesnymi obrażeniami ciała, odczuwali ból dopiero po upływie pewnego czasu od momentu urazu. Przejściowy brak bólu interpretowano jako przejaw analgezji, której przyczyną był stres związany z wypadkiem (Melzack i wsp., 1982). Przeciwbólowe działanie akupunktury ^ , -;;;il H, ^^ j ,;:^ ,• ;! , • • , Akupunktura jako sposób łagodzenia bólu jest stosowana od wieków na Dalekim Wschodzie. Według reguł chińskiej medycyny tradycyjnej zabieg ten polega na wkłuciu specjalnie spreparowanej igły w ściśle określone miejsce ciała, zależnie od lokalizacji bólu. Odmianą akupunktury jest elektroakupunktura, polegająca na drażnieniu tychże miejsc prądem elektrycznym. Dopiero w latach siedemdziesiątych XX wieku fizjologiczne podłoże działania tej metody u ludzi i zwierząt zostało zbadane nowoczesnymi metodami neurofizjologicznymi (McDo- nald, 1989). W doświadczeniach na myszach wykazano, że w trakcie zabiegu elektro- akupunktury zostają pobudzone włókna nerwowe, głównie grupy A|3, które biegną do ośrodka czuciowego w innym segmencie rdzenia kręgowego i oddziałują na bramkę rdzeniową. Skutkiem tego jest zablokowanie przepływu informacji z nocyceptorów między neuronami I i II rzędu w tym ośrodku (Pomeranz i Paley, 1979; Pomeranz, 1981). Jednocześnie część impulsów wywołanych akupunkturą dochodzi do wyżej omówionych struktur tłumiących ból, tj. do istoty szarej okołowodociągowej śródmózgowia i do jądra wielkiego szwu. Trzeci mechanizm działania akupunktury polega na uwolnieniu z przedniego płata przysadki (3-endor- finy - hormonu o działaniu morfinopodobnym (Pomeranz i Chiu, 1976). Analgezja wywołana akupunkturą u ludzi i zwierząt ma charakter opioidowy (patrz niżej), ponieważ nie występuje po podaniu naloksonu, antagonisty receptorów opioidowych (Mayer i wsp., 1977; Pomeranz i Chiu, 1976). , , (l , , , ,. Neurochemiczne podłoże analgezji opioidowej ./ • r &i:,łv/v 'U*-' ',•-', rsbuj.ć r^:"}.-,::, ;•- ! Antagonistą receptorów ja jest nalokson, stosowany w leczeniu zatruć morfiną. Wstrzyknięty zwierzęciu doświadczalnemu przed iniekcją morfiny, nie dopuszcza do wystąpienia jej efektu przeciwbólowego. Wstrzyknięty po iniekcji morfiny (np. w przypadku zatrucia), wypiera ją z połączenia z receptorem i zajmuje jej miejsce. Nalokson jest stosowany w różnicowaniu form analgezji różnego pochodzenia. Jeśli iniekcja naloksonu zapobiega analgezji, wówczas taką analgezję kwalifikuje się jako opioidową. W przeciwnym przypadku analgezję uznaje się za nieopioidową, tj. opartą na mechanizmie nie związanym z działaniem opioidów. Nalokson wstrzyknięty przez zabiegiem akupunktury znosi jej efekt przeciwbólowy, co świadczy, że zabieg ten uruchamia mechanizm analgezji opioidowej. Czynniki stresowe mogą wywoływać analgezję obu typów. Przeważnie łagodne stresory (np. pływanie w ciepłej wodzie) wywołują u myszy i szczurów analgezję opioidową, a silne stresory (np. pływanie w zimnej wodzie) - analgezję nieopioidową (Terman i wsp., 1986). Opioidowy charakter analgezji spowodowanej niektórymi rodzajami stresu, akupunkturą, pobudzeniem seksualnym i morfiną sugeruje, że wszystkie te 261 czynniki uruchamiają ten sam mechanizm tłumienia bólu, oparty na działaniu endorfin, czyli wewnątrzustrojowych (endogennych) związków o działaniu mor- finopodobnym. Endorfiny ' %" " '' • ' ,-,'«- Endorfiny, w zależności od pochodzenia, można podzielić na związki wywodzące się od proopiomelanokortyny, proenkefaliny i prodynorfiny (Akil i wsp., 1984). Przedrostek pro- w tych nazwach oznacza, że są to prekursory endorfin. Prekursory te mają ustalony kod genetyczny, tzn. są syntetyzowane przez określone geny. - •.••r..-r; ;• . ''•-:' Proopiomelanokortyna - prekursor kilku hormonów - powstaje w przednim i pośrednim płacie przysadki oraz w podwzgórzu. Wskutek działania enzymów jej cząsteczka jest dzielona na mniejsze fragmenty, z których ostatecznie powstają aktywne hormony. Przebieg tego procesu nieco różni się w różnych komórkach, tak że p-endorfina powstaje w pośrednim płacie przysadki (u szczu- rów) i w neuronach podwzgórza, a hormon adrenokortykotropowy (ACTH) głównie w płacie przednim. p-Endorfina uwolniona w przysadce przechodzi, jak każdy hormon, do krwiobiegu. Prawdopodobnie część uwolnionego związku nie trafia do ogólnego krążenia, lecz jest przenoszona z przysadki do podwzgórza drogą naczyń krwionośnych o odwrotnym przebiegu niż naczynia wrotne. p-Endorfina powstała w neuronach podwzgórza jest przenoszona do ich zakończeń synaptycznych w różnych ośrodkach układu limbicznego. Tą drogą dociera do istoty szarej okołowodociągowej śródmózgowia - ośrodka należącego do systemu hamującego ból. v,?j j '; Proenkefalina jest prekursorem dwóch związków, zwanych enkefalinami, złożonych z 5 aminokwasów. Cztery aminokwasy są identyczne w obu związkach, natomiast pozostałym aminokwasem jest metionina albo leucyna. W zależności od tego aminokwasu rozróżnia się enkefalinę metioninową (met-enkefalinę) i enkefalinę leucynową (leu-enkefalinę). Met-enkefaliny jest w ustroju 6 razy więcej niż leu-enkefaliny. Obie enkefaliny często są przekaźnikami w błonie komórkowej małych neuronów pośredniczących (interneuronów). ' Z prodynorfiny powstaje kilka związków nazywanych dynorfinami. Dynorfiny występują w różnych miejscach ośrodkowego układu nerwowego, w tym, w znacz- nych ilościach, w rogach grzbietowych rdzenia kręgowego. ;;< si .,',HU •• Pod względem chemicznym endorfiny są peptydami złożonymi z różnej liczby aminokwasów. Cząsteczki p-endorfiny, największe wśród endorfin, są utworzone z 31 aminokwasów. Najmniejsze cząsteczki, składające się - jak wspomniano - z 5 aminokwasów - mają enkefaliny. W cząsteczkach wszystkich endorfin, niezależnie od ich budowy, występuje w pewnym miejscu sekwencja tych 5 aminokwasów, charakterystyczna dla met- lub leu-enkefaliny. Endorfiny są przekaźnikami i modulatorami w synapsach ośrodkowego układu nerwowego. Działają na receptory opioidowe, które należą do grupy receptorów metabotropowych. Uaktywnienie receptora opioidowego powoduje uczynnienie związanego z nim białka G typu hamującego i zahamowanie enzymu i 262 Tabela 10.1. Subiektywna ocena nasilenia bólu Kategoria sensoryczna Kategoria emocyjna Kategoria ogólna Nasilenie bólu Ranga Brak bólu 0 Kłujący Borujący Świdrujący Sztyletujący Przeszywający Uciążliwy Wyczerpujący Okrutny Zjadliwy Morderczy Niepokojący Znośny Znaczny Silny Nieznośny Łagodny Dolegliwy Wyczerpujący Straszny Rozdzierający 1 2 3 4 5 cyklazy adenylanowej. Prowadzi to do ograniczenia procesów metabolicznych w neuronie. Innym skutkiem działania endorfin jest otwarcie kanałów potasowych, wypływ jonów potasu z komórki i hiperpolaryzacja błony komórkowej. W konsek- wencji efektem działania endorfin jest przeważnie hamowanie neuronów. Pobudza- jący skutek endorfin może wystąpić wtedy, gdy hamują neuron, który tonicznie hamuje inny neuron, a zatem gdy pobudzenie jest wynikiem rozhamowania czyli „hamowania hamowania". Niekiedy endorfiny w ten sposób „odblokowują" neurony, które wykorzystują jako przekaźnik noradrenalinę, dopaminę lub 5-hydro- ksytryptamine. Ze względu na peptydową strukturę endorfiny są łatwo rozkładane przez enzymy - peptydazy, dlatego ich działanie w synapsie jest krótkotrwałe. Tabela 10.1 przedstawia względną wrażliwość różnych subpopulacji receptorów opioidowych na endorfiny i na morfinę. p-Endorfina oraz enkefaliny aktywują z różnym nasileniem receptory (J i 6, a dynorfiny wyłącznie receptory K. Receptory s (epsilon), wrażliwe na p-endorfinę i enkefalinę leucynową, prawdopodobnie nie uczestniczą w mechanizmie tłumienia bólu, lecz w regulacji innych funkcji ustroju. Morfina, w odróżnieniu od endorfin, pobudza niemal wyłącznie receptory (J, a tylko w bardzo dużych dawkach receptory 8 i K. Przed kilku laty odkryto dwa związki o podobnie silnym powinowactwie do receptorów u, jak morfina, które z tego powodu nazwano endomorfinami (Zadina i wsp., 1997). Endomorfiny są prostymi peptydami, zbudownymi z 4 aminokwasów. Przypuszcza się, że mogą odgrywać główną rolę w mechanizmie tłumieniu bólu. Terapia bólu . ' Ból, aczkolwiek sygnalizuje chorobę i chroni organizm przed uszkodzeniem tkanek, często bywa niepożądany lub nawet szkodliwy, ponieważ może być przyczyną głębokich zmian w psychice pacjenta. Zwalczanie bólu jest ważnym problemem medycznym. W tym miejscu ograniczymy się do omówienia dwóch rodzajów bólu, które wymagają podawania przez dłuższy czas morfiny lub podobnie działających leków - bólu po zabiegach operacyjnych i bólu w chorobie nowotworowej. Z długotrwałym stosowaniem morfiny wiążą się dwa zjawiska - tolerancja i uzależnienie (Neil, 1990). Tolerancją nazywa się stopniowe zmniejszanie się wrażliwości organizmu na morfinę w miarę stosowania tego leku. U ludzi wyraźna 263 tolerancja występuje zazwyczaj po trzech tygodniach codziennego podawania morfiny. Aby uzyskać ten sam efekt przeciwbólowy, trzeba wówczas stosować coraz większe dawki. Pod pojęciem uzależnienia rozumie się występowanie niekorzystnych objawów - somatycznych i psychicznych - po zaprzestaniu podawania morfiny. Oba zjawiska muszą być brane pod uwagę przy stosowaniu morfiny u pacjentów z bólami pooperacyjnymi, a zwłaszcza u chorych na chorobę nowotworową. Badania nad tolerancją i uzależnieniem prowadzi się na zwierzę- tach - głównie szczurach i myszach, lecz mechanizm tych zjawisk nie został jeszcze zadowalająco wyjaśniony. Początkowo sądzono, że w wyniku przedłużonego podawania morfiny dochodzi do zmniejszenia liczby receptorów opioidowych. Jednak bezpośrednie pomiary gęstości receptorów u szczurów otrzymujących długotrwale morfinę nie dały jednoznacznych wyników. Obecnie uważa się, że długie podawanie morfiny stopniowo prowadzi do zmian w obrębie receptorów, bez zmniejszania ich ogólnej liczby. Wskutek tego receptory, aczkolwiek wiążą morfinę, nie inicjują normalnych procesów biochemicznych w komórce, stają się więc pod względem funkcjonalnym nieczynne. Stan taki prowadzi do upośledzenia powstawania przekaźników wtórnych i zaniku reakcji neuronów na morfinę. Tolerancja i uzależnienie często rozwijają się równolegle, ale zależą od różnych mechanizmów. Według definicji przyjętej przez Światową Organizację Zdrowia uzależnienie jest stanem psychicznym, niekiedy też fizycznym, wynika- jącym z interakcji między ustrojem i lekiem; charakteryzuje się reakcjami behawioralnymi, w których występuje przymus ciągłego lub okresowego przy- jmowania leku w celu wywołania jego efektu psychicznego lub usunięcia dyskomfortu spowodowanego jego brakiem. Aczkolwiek powyższa definicja podkreśla psychiczny komponent uzależnienia, nie mniej istotny - i wykazany w badaniach na zwierzętach - jest jego komponent fizyczny. Szczury i myszy, u których nagle zaprzestano wstrzykiwania morfiny, wykazują oznaki behawioralnego pobudzenia, określane jako zespół abstynencji. Typowym objawem jest nastroszenie sierści (piloerekcja) oraz charakterystyczna forma zachowania przypominająca otrząsanie się psa po wyjściu z wody (stąd angielska nazwa tego zjawiska: wet dog shaking). Objawy te ulegają nasileniu po wstrzyk- nięciu naloksonu. U myszy w klatce obserwuje się wtedy intensywne skakanie, którego częstość jest ilościowym wskaźnikiem abstynencji. U człowieka podobne objawy wchodzą w skład fizycznego komponentu uzależnienia. Należą do nich pocenie się, skurcze jelit, podniecenie i niepokój. W bardziej nasilonej postaci uzależnienia mogą występować bóle w różnych obszarach ciała. Objawy fizyczne uzależnienia są najsilniejsze po kilku dniach od przerwania przyjmowania morfiny, a potem stopniowo się zmniejszają. Według Siegela (1983) efekt wstrzyknięcia morfiny jest dwufazowy. Po pierwszej fazie euforii następuje druga faza, negatywna, z uczuciem dyskomfortu. Ta druga faza, kojarząc się z procedurą wstrzykiwania morfiny, może na drodze odruchu warunkowe- go przyczyniać się do rozwoju tolerancji. Organizm wówczas niejako uprzedza wystąpienie negatywnych objawów po morfinie i niejako „domaga się" zwiększenia jej dawki. Dlatego sugeruje się, by iniekcje morfiny u chorych otrzymujących ten lek długotrwale były wykonywane w zmiennym kontekście sytuacyjnym. 264 Bóle pooperacyjne l*ł Bóle pooperacyjne są częstym następstwem zabiegów chirurgicznych na narządach jamy brzusznej. Ich przyczyną jest uszkodzenie tkanek przez nacinanie i szycie, uraz i zmiany zapalne. W tkance pojawiają się substancje (kwas mlekowy, bradykinina), które pobudzają zakończenia nerwowe i uczulają je tak, że normalnie nieodczuwalne bodźce sprawiają wrażenie bólu. W zależności od rodzaju zabiegu, ból o znacznym nasileniu może się utrzymywać przez kilka dni. Silny ból ma niekorzystny wpływ na przebieg leczenia pooperacyjnego. Na przykład bóle w górnej części jamy brzusznej powodują, że pacjent nie odkrztusza wydzieliny zalegającej w płucach, co grozi zapaleniem płuc. Dlatego wielu badaczy uważa, że w tych przypadkach niezbędne jest zwalczanie bólu przez stosowanie morfiny, a przyczyną niepowodzeń najczęściej bywa nieodpowiednie dawkowanie leku. Najwłaściwszym rozwiązaniem wydaje się regulacja podawania morfiny przez samego pacjenta, który obsługuje pompę wstrzykującą roztwór morfiny przez cewnik wprowadzony na stałe do żyły. Pacjent jest zwykle instruowany, jak oceniać wielkość bólu według dziesięciostopniowej skali i w razie potrzeby uruchamiać iniekcję. Urządzenie jest połączone z komputerem wyposażonym w program, który zapobiega przekroczeniu dopuszczalnej dawki leku. Jak wykazały badania, często dawka ta jest mniejsza od tej, jaką rutynowo otrzymałby pacjent w systemie konwencjonalnym. Stosowanie morfiny przez kilka dni po operacji nie prowadzi do tolerancji ani do uzależnienia (Lehmann, 1990; Tiengo, 1990). Bóle w chorobie nowotworowej Silny i stały ból często staje się głównym problemem w życiu chorego na chorobę nowotworową. Zwykle stosuje się zasadę „oszczędnego" stosowania leków przeciwbólowych. Przy niewielkim bólu podaje się leki nieopioidowe, przy silniejszym - słabe leki opiodowe, a dopiero przy silnym - morfinę. Rozwój tolerancji wykazuje różnice indywidualne; wymaga to zwiększania pojedynczej dawki albo częstszego podawania tej samej dawki. Niekiedy efektu przeciw- bólowego nie można już uzyskać nawet przy bardzo dużych dawkach (Bonica i Ekstrom, 1990). Podejmowano próby łagodzenia bólów w chorobie nowotworowej, nie poddających się działaniu morfiny, przez elektryczne drażnienie ośrodków tłumienia bólu w mózgu. Pacjentowi wszczepiano elektrody do istoty szarej okołowodocią- gowej lub istoty szarej otaczającej komorę trzecią mózgu i łączono je ze stymulatorem. Drażnienie ośrodka było uruchamiane, w zależności od potrzeby, przez samego chorego. Sposób ten, choć niektórych chorych praktycznie uwalniał od bólu, w wielu przypadkach okazywał się mało skuteczny. Poważnym problemem było też zmniejszanie się efektu przeciwbólowego w miarę powtarzania drażnienia (Barbaro, 1988), przypominające rozwój tolerancji w toku długotrwałego stosowania morfiny. Obserwacja ta uzupełnia wcześniejsze dane świadczące o tym, że analgezja wywoływana drażnieniem ośrodków mózgowych ma charakter opioidowy, ponieważ nie występuje po podaniu naloksonu (Adams, 1976). 265 Bóle fantomowe i zespół fantomu ^i/:>«». M«M^ ;A^ Ludzie, którym amputowano kończynę, niekiedy odczuwają nieistniejącą część ciała. Jeżeli odczuwanie to ma charakter doznań nie związanych z bólem (a więc dotykowych, proprioceptywnych), stan taki nazywa się zespołem fantomu. Jeżeli natomiast pacjent uskarża się na bóle w amputowanej kończynie, wówczas mamy do czynienia z bólami fantomowymi. Zespół fantomu i bóle fantomowe są obecnie uważane za dwa odrębne zjawiska, zależne od różnych mechanizmów fizjologicz- nych (Jensen i Rasmussen, 1989). Zespół fantomu jest związany z zakodowaną w mózgu informacją o schemacie ciała i świadczy, że wzorzec tego schematu może się utrzymywać w ośrodkach mózgowych mimo braku impulsacji z obwodu. Natomiast przyczyną bólów fantomowych są zmiany spowodowane przecięciem, w wyniku amputacji, nerwów czuciowych. Nerwy te stają się nadmiernie aktywne, tak że pobudzają je bardzo słabe bodźce. ł i f' 11. * . Czynności ruchowe Czynności ruchowe są głównym elementem zachowania. Wśród nich wyróżnia się: 1) reakcje posturalne, umożliwiające utrzymanie postawy ciała w zależności od wykonywanej czynności, 2) czynności lokomocyjne, czyli zespół ruchów umożliwiających przemieszczanie się w przestrzeni, a więc chodzenie, pełzanie, latanie itp., 3) czynności manipulacyjne, stosowane przez zwierzęta do zdobywania pokarmu, obrony przed niebezpieczeństwem, budowy gniazd. Niektóre czynności ruchowe, nawet złożone, jak chodzenie, mogą przebiegać u człowieka automatycz- nie, bez udziału świadomości, większość jednak ruchów to ruchy dowolne. Zwierzęta mogą poruszać się dzięki wyspecjalizowanym narządom kurczliwym - mięśniom. Organizacja czynności ruchowych u zwierząt bezkręgowych Sposób wywoływania skurczów mięśni przez układ nerwowy wykazuje znaczne różnice w zależności od stopnia rozwoju ewolucyjnego zwierzęcia. U stawonogów, inaczej niż u kręgowców, jedną komórkę mięśniową z reguły unerwia kilka neuronów o różnej funkcji. Efekty działania neuronów mogą się sumować i stopniować siłę skurczu mięśnia. Różne neurony u tego samego owada mogą wywoływać różne ruchy, na przykład u szarańczaków gwałtowne i szybkie, jak przy skokach, lub powolne przy innego rodzaju lokomocji. Zarówno proste czynności ruchowe, jak i ukierunkowane na cel reakcje behawioralne są precyzyjnie koordynowane przez układ nerwowy. U stawonogów w zwoju głowowym zakodowane są programy (wzorce) poszczególnych zachowań - pokarmowego, obronnego, seksualnego. Zespoły neuronów kodujące te programy nie uruchamiają grup mięśniowych bezpośrednio, lecz wysyłają do zwojów obwodowych rozkazy powodujące, że owad przejawia formę behawioralną zgodną z wzorcem. Stąd zespoły te nazwano ośrodkowymi generatorami wzorców. Koncepcja generatorów wzorców odnosi się nie tylko do owadów, pozwala także wyjaśnić mechanizmy sterowania czynnościami ruchowymi u kręgowców, mających złożony, hierarchicznie zorganizowany ośrodkowy układ nerwowy. ; . ,,-..,,..;.-, 267 Organizacja sterowania czynnościami ruchowymi u ssaków Czynności ruchowe są funkcją narządu ruchu, do którego zalicza się kościec, stawy, czyli miejsca styku kości, oraz mięśnie, których skurcze umożliwiają zmiany wzajemnego ułożenia części ciała. Mięśniami sterują ośrodki nerwowe o hierarchicznej organizacji, znajdujące się na różnych piętrach układu ner- wowego. Ośrodki ruchowe wraz z mięśniami wchodzą w skład układu ruchowego. Układ ruchowy ssaków dzieli się na część obwodową i część ośrodkową. Część obwodową stanowią neurony ruchowe rdzenia kręgowego i ośrodków ruchowych pnia mózgu. Aksony neuronów ruchowych tworzą nerwy ruchowe, którymi pobudzenie jest przekazywane bezpośrednio do narządów wykonawczych - mięśni. U człowieka neurony ruchowe otrzymują bezpośrednie rozkazy z okolicy ruchowej kory mózgu, natomiast u ssaków niższych czynności ruchowe są w znacznym stopniu domeną rdzenia kręgowego. ' i; .;.••: , Mięśnie należące do układu ruchowego są nazywane mięśniami szkieletowymi. Typowy mięsień szkieletowy ma kształt podłużny; składa się z części kurczliwej, czyli brzuśca, i ścięgien, za pomocą których przyczepia się do kości szkieletu. Skurcz mięśnia powoduje zbliżenie się do siebie punktów jego przyczepu, a tym samym ruch. Najmniejszą jednostką funkcjonalną mięśnia jest włókno mięśniowe, czyli komórka mięśniowa. Włókna mięśniowe wraz z unerwiającą je komórką nerwową wchodzą w skład jednostki ruchowej, podstawowego elementu funk- cjonalnego narządu ruchu (rys. 11.1). Komórka nerwowa wchodząca w skład jednostki ruchowej jest nazywana komórką ruchową albo motoneuronem (neuronem ruchowym). Pobudzenie motoneuronu, rozprzestrzeniając się na wszystkie roz- gałęzienia jego aksonu, powoduje jednoczesny skurcz wszystkich włókien mięś- niowych należących do danej jednostki. Gradacja amplitudy skurczu mięśnia jest spowodowana pobudzeniem coraz większej liczby jednostek. Amplituda skurczu nawet o płynnym przebiegu jest więc w istocie stopniowana skokowo. Im mniejsze jednostki ruchowe uczestniczą w skurczu, tzn. im mniej włókien mięśniowych jest unerwionych przez jeden neuron, tym mniejszy jest przyrost amplitudy skurczu na każdą pobudzoną jednostkę, a zatem większa jest płynność skurczu i precyzja ruchu. Najmniejsze jednostki ruchowe, złożone zaledwie z 2-3 włókien mięśnio- wych, występują w mięśniach krtani, których subtelne skurcze są niezbędne do modulacji głosu i wydawania dźwięków. Małe jednostki spotyka się też w mięśniach poruszających gałki oczne i mięśniach palców rąk. Natomiast duże jednostki 268 l Rozgałęzienia aksonu po wejściu do mięśnia Płytka Włókna nerwowo- mięśniowe -mięśniowa Hys. 11.1. A - organizacja unerwienia ruchowego mięśnia; — B - jednostka ruchowa. i 4'.R -, >. ty *<•• \ ruchowe, w których jeden motoneuron pobudza wiele, zwykle kilkaset, włókien mięśniowych, zapewniają znaczną siłę skurczu mięśnia, jednak za cenę mniejszej precyzji ruchu. Takie jednostki spotyka się w mięśniach tułowia i kończyn dolnych. Skurcz mięśnia Brzusiec mięśnia jest utworzony z wielu włókien mięśniowych, przebiegających od jednego ścięgna do drugiego. Włókno mięśniowe (komórka mięśniowa) jest otoczone błoną, zwaną sarkolemmą. Wnętrze komórki wypełnia cytoplazma, zwana sarkoplazmą, oraz różna liczba jąder komórkowych. v kf> Dla pobudzenia i skurczu komórki mięśniowej mają znaczenie dwie mikro- struktury występujące w sarkoplazmie: włókienka zwane miofibrylami i siateczka sarkoplazmatyczna (odpowiadająca siateczce śródplazmatycznej w innych komór- kach). Komórka mięśniowa zawiera od kilkuset do kilku tysięcy podłużnie ułożonych miofibryl. Każda miofibryla zawiera podłużnie ułożone włókienka, zwane miofilamentami, zbudowane z białek aktyny i miozyny. Miofibryle wykazują naprzemiennie ułożone jasne i ciemne prążki. W środku jasnych prążków widać zgrubienia, nazywane prążkami Z. Prążki Z są zbudowane z włókien przechodzących przez wnętrze miofibryli, a także sięgających do sąsiednich miofibryl, przez co poszczególne miofibryle tworzą wiązki. Ponieważ jasne i ciemne prążki każdej miofibryli znajdują się w tych samych miejscach, co 269 , Włókno mięśniowe Z Z Z Z Z Z Z Z Rys. 11.2. Budowa włókna mięśniowego; Z - prążki Z. • Miofibryle Prążki Prążki ciemne jasne co .1 '' Miotibryla - stan rozkurczu Aktyna Miozyna X l / XL z z , Miofibryla-stan skurczu takie same prążki sąsiednich miofibryl, komórka mięśniowa oglądana pod mikroskopem wykazuje charakterystyczne poprzeczne prążkowanie, gis l?jrif -, Odcinek miofibryli zawarty między kolejnymi prążkami Z nazywa się sarkomerem. Sarkomer jest elementarną jednostką kurczliwą mięśnia. Jego długość zmniejsza się w czasie skurczu mięśnia i wraca do poprzedniej wartości w wyniku rozkurczu mięśnia. Schemat budowy włókna mięśniowego i sarkomeru przedstawia rys. 11.2. Równolegle do włókienek aktyny są ułożone włókienka miozyny, które, krótsze od sarkomeru, zajmują tylko jego część środkową. W czasie skurczu mięśnia włókienka aktyny zachodzą na siebie, wskutek czego sarkomer ulega skróceniu. Energia skurczu mięśnia ' ' . •-. - ;•- • r • • •; • t ' \t,rn* !tł)*--i'f '.A^iTt.i.1' .' *n r , "• Bezpośrednim źródłem energii skurczu mięśnia jest kwas adenozynotrifosforowy (ATP), zbudowany z adenozyny i 3 cząsteczek kwasu fosforowego. Odłączeniu cząsteczek kwasu fosforowego towarzyszy uwolnienie energii. Ilość ATP zawarta w mięśniu wystarcza jednak zaledwie na kilka sekund pracy mięśnia, musi być zatem ustawicznie odnawiana. Energia potrzebna do syntezy nowych cząsteczek ATP pochodzi z rozpadu fosfokreatyny na kreatynę i kwas fosforowy. 270 Źródłem większych ilości energii jest glukoza. Energia ta może być wykorzysta- na beztlenowe lub ze zużyciem tlenu. Beztlenowy rozpad glukozy, zwany glikolizą, polega na przekształceniu glukozy w kwas pirogronowy. W toku tego procesu uwalnia się energia wystarczająca do odtworzenia 2 cząsteczek ATP na 1 cząsteczkę glukozy. Proces ten dostarcza energii na około 1,5 minuty pracy mięśnia. Przy umiarkowanej aktywności ruchowej zużywane zasoby energii mięśnia są „na bieżąco" uzupełniane energią pochodzącą z utleniania glukozy. Natomiast przy wykonywaniu krótkotrwałego intensywnego wysiłku fizycznego, kiedy nagłemu zwiększonemu zapotrzebowaniu na energię nie może podołać mechanizm tlenowy, organizm uruchamia bezpośrednio dostępne rezerwy energii, angażując mechanizm beztlenowy. Korzystając z tych rezerw organizm zaciąga „dług tlenowy", który potem „spłaca" zwiększonym pobieraniem tlenu przez pewien czas po wysiłku. Nie wszystkie komórki mięśniowe mogą w jednakowym stopniu wykorzysty- wać energię skurczu z różnych źródeł. Rozróżnia się włókna mięśniowe „czerwone" i „białe". Włókna „czerwone" są obficie ukrwione i zawierają dużo mioglobiny, która, podobnie jak hemoglobina krwi, ma zdolność wiązania tlenu. Właściwości te predestynują je do wykorzystywania tlenowych mechanizmów energetycznych. Włókna „białe" mają sprawniejsze mechanizmy biochemiczne, pozwalające korzystać z beztlenowych źródeł energii. Z właściwościami energetycznymi włókien mięśniowych wiąże się ich męczliwość oraz charakter wykonywanych przez nie skurczów. Włókna „czerwone" są unerwione przez cienkie aksony małych motoneuronów a i, ze względu na długi czas przewodzenia impusów, kurczą się po upływie stosunkowo długiego czasu od zadziałania impulsu nerwowego (czyli po długim okresie utajenia). Z tego powodu są nazywane włóknami wolnymi. Włókna wolne ze względu na dobre zaopatrzenie w tlen mogą pracować przez pewien czas bez zmęczenia, a ponieważ wchodzą w skład małych jednostek ruchowych, uczestniczą w wykonywaniu precyzyjnych ruchów. Natomiast włókna „białe" są zdolne do szybkich, silnych, lecz krótkotrwa- łych skurczów, pojawiających się po krótkim okresie od zadziałania impulsu (czyli po krótkim okresie utajenia), dlatego są nazywane włóknami szybkimi. Mogą korzystać z beztlenowych mechanizmów energetycznych, ale łatwo ulegają zmęczeniu. Pośrednią grupę stanowią włókna szybkie i jednocześnie odporne na zmęczenie. Włókna szybkie przeważają w mięśniach tułowia i kończyn dolnych, natomiast więcej włókien wolnych znajduje się w mięśniach dłoni, gałek ocznych i krtani, zaangażowanych w wykonywanie precyzyjnych ruchów. Budowa i właściwości mięśni zależą od trybu życia danego gatunku. Mięśnie łososi, inaczej niż większości zwierząt, są zbudowane wyłącznie z jednego typu włókien: czerwonych albo białych. Gdy ryba płynie wolno pokonując duże odległości, używa mięśni o włóknach czerwonych, natomiast gdy w razie nagłej potrzeby wykonuje szybkie ruchy, wówczas korzysta z mięśni o włóknach białych. . < " \ •';";' '-i Xi ?«.V • , . * 't,A? Mechanizm pobudzenia komórki mięśniowej Po dojściu do mięśnia akson motoneuronu rozdziela się na włókna docierające bezpośrednio do komórek mięśniowych. Na styku włókna nerwowego z błoną 271 Rys. 11.3. Pobudzenie i skurcz włókna mięśniowego; A - płytka nerwowo-mięśniowa; B - uwolnienie przekaźnika (acetylocholiny) w synapsie; C - otwarcie kanału sodowego pod wpływem przekaźnika, wejście jonów sodu do komórki mięśniowej, depolaryzacja błony komórki mięśniowej; D - wędrówka potencjału czynnościowego wzdłuż beleczek poprzecznych; uwolnienie jonów wapnia z siateczki sarkoplazmatycznej; E - relacje między aktyną i miozyną. Płytka końcowa ))< "]]> "D Błona komórki mięśniowej 'f „U Kanalik poprzeczny Siateczka Akty na , sarkoplazmatyczna / Aktyna „7 x Miozyną komórki mięśniowej, przeważnie w jej części środkowej, znajduje się synapsa nerwowo-mięśniowa, zwana płytką końcową. Na zakończeniach włókien nerwów ruchowych uwalnia się acetylocholina. Przekaźnik ten, działając na jonotropowe receptory cholinergiczne, powoduje otwarcie kanałów sodowych w błonie komórki mięśniowej. Wejście jonów sodu do wnętrza komórki powoduje depolaryzację błony postsynaptycznej, zwaną potencjałem płytki końcowej. Podobnie jak w neuronie, pod wpływem tej depolaryzacji powstaje potencjał czynnościowy - elektrofiz- jologiczny komponent pobudzenia komórki. Jednak komórka mięśniowa jest zbyt duża, by powstały w pewnej jej części potencjał rozprzestrzenił się, jak w neuronie, na całą cytoplazmę. Wędrówkę potencjału wewnątrz komórki umożliwia układ poprzecznych miniaturowych rurek, zwanych kanalikami T. Rozprzestrzeniając się wzdłuż kanalików potencjał czynnościowy dociera do siateczki sarkoplazmatycznej i uwalnia zmagazynowane w niej jony wapnia. Jony te docierają do miofibryl i zapoczątkowują w nich proces biochemiczny, którego skutkiem jest wywołanie ruchu ślizgowego włókienek miozyny i aktyny (rys. 11.3). Koszt energetyczny ruchu aktyny jest pokrywany z rozkładu adenozynotrifosforanu. >: >, /M. Skurcz izotoniczny i izometryczny Skurcz mięśni może być zaangażowany w wykonywanie dwóch rodzajów czynności. W trakcie wykonywania takich czynności, jak pisanie, szycie, podnoszenie niezbyt ciężkich przedmiotów, otwieranie drzwi lub szuflad, ruch części ciała jest znaczny. 272 Mięśnie wykonujące te ruchy wydatnie się skracają, jednak nie pokonują zbyt dużego oporu. Ponieważ przez cały czas napięcie kurczącego się mięśnia utrzymuje się na stosunkowo stałym poziomie, skurcz taki nazywa się izo- tonicznym (od łac. tonus - napięcie). Natomiast przy odkręcaniu śrub, dźwiganiu ciężkich przedmiotów czy pokonywaniu znacznych oporów ruch mięśnia jest stosunkowo niewielki, często niezauważalny, znaczna jest natomiast siła skurczu. Skurcz taki nazywa się izometrycznym. W ten sposób kurczą się mięśnie utrzymujące ciało w pozycji pionowej. W rzeczywistości podczas skurczu najczęściej zmienia się zarówno napięcie, jak i długość mięśnia, a więc skurcze wyłącznie izotoniczne lub wyłącznie izometryczne zdarzają się rzadko. Stopniowanie siły skurczu mięśnia ' ' Jeżeli w warunkach doświadczalnych drażni się mięsień lub unerwiający go nerw ruchowy pojedynczymi impulsami elektrycznymi, każdorazowy impuls wywołuje skurcz mięśnia, po którym następuje rozkurcz. W miarę zwiększania częstości impulsów osiąga się skurcz tężcowy niezupełny. Dopiero przy pewnej krytycznej częstości drażnienia mięsień wchodzi w stan skurczu tężcowego zupełnego i pozostaje skurczony przez cały czas drażnienia. W żywym organizmie siła skurczu mięśnia jest stopniowana wskutek sumowania się siły skurczu poszczególnych komórek mięśniowych i zwiększenia częstości impulsów pobudzających mięsień. Ponieważ wszystkie komórki mięśniowe należące do jednej jednostki ruchowej kurczą się jednocześnie, siła skurczu mięśnia zależy od liczby pobudzonych jednostek. Przy słabym pobudzeniu ośrodka ruchowego pobudzeniu ulegają najmniejsze motoneurony a, unerwiające niewielką liczbę włókien mięśniowych. W miarę zwiększania siły drażnienia dochodzi do rekrutacji coraz większych motoneuronów i coraz większej liczby komórek mięśniowych, a przez to - do coraz większej siły skurczu mięśnia. Pojęcie odruchu Odruchem nazywa się reakcję ustroju na bodźce przebiegającą za pośrednictwem ośrodkowego układu nerwowego. Aby reakcja odruchowa doszła do skutku, impulsy spowodowane zadziałaniem bodźca na narząd odbiorczy (receptor) muszą dotrzeć do narządu wykonawczego (efektora). Drogę, po której przebiegają te impulsy, nazywa się łukiem odruchowym, który składa się z pięciu części: receptora, drogi doprowadzającej impulsy do ośrodka, ośrodka odruchu, drogi przewodzącej impulsy z ośrodka do efektora i narządu wykonawczego. Łuk najprostszego odruchu składa się tylko z dwóch neuronów - do- prowadzającego i odprowadzającego. Taki odruch nazywa się dwuneuronowym albo monosynaptycznym, ponieważ w ośrodku tego odruchu znajduje się tylko jedna synapsa. W skład łuku odruchu złożonego wchodzą co najmniej trzy, a zazwyczaj więcej neuronów, ponieważ między neuronem doprowadzającym 273 i odprowadzającym znajdują się neurony wstawkowe (interneurony). Dlatego odruchy złożone nazywa się wieloneuronowymi (polisynaptycznymi). Łuk odruchowy może przebiegać przez rdzeń kręgowy lub przez struktury mózgu. W zależności od tego rozróżnia się odruchy rdzeniowe i odruchy mózgowe. Ośrodki odruchów złożonych znajdują się na różnych piętrach ośrodkowego układu nerwowego. Reakcja odruchowa może polegać na zwiększeniu lub zmniejszeniu aktywności efektora i wyrażać się skurczem lub rozluźnieniem mięśnia. W zależności od tego rozróżnia się odruchy pobudzeniowe i hamulcowe. Oprócz odruchów somatycznych, w których reakcją na bodziec jest ruch, czyli skurcz lub rozluźnienie mięśnia szkieletowego, istnieją jeszcze odruchy wegetatyw- ne, których efektem jest zmiana napięcia mięśnia gładkiego narządu wewnętrznego, przyspieszenie lub zwolnienie czynności serca albo zmiana czynności wydzielniczej gruczołu. Ośrodki ruchowe rdzenia kręgowego Motoneurony (a ściślej mówiąc - ich perykariony) unerwiające mięśnie kończyn i tułowia są skupione w ośrodkach ruchowych w rogach brzusznych rdzenia kręgowego i w pniu mózgu. Aksony tych neuronów opuszczając rdzeń kręgowy tworzą korzenie brzuszne (przednie), a następnie wchodzą w skład nerwów rdzeniowych. Podobną organizacją odznaczają się ośrodki ruchowe pnia mózgu. Pochodzące od nich nerwy nazywa się nerwami czaszkowymi. W ośrodkach ruchowych występują trzy rodzaje neuronów, zaliczane do podgrup a, p i y (rys. 11.4). Motoneurony a są właściwymi neuronami ruchowymi: z ośrodków ruchowych korowych i podkorowych Mięsień prostownik Rys. 11.4. Organizacja unerwienia mięśni antagonistycznych przez ,. .,: ośrodek rdzenia kręgowego; a, y - motoneurony a i y; R - komórki Renshawa; la - komórki unerwienia czuciowego mięśnia; I - interneurony. '?'I.. 274 wraz z unerwianymi włóknami mięśniowymi (tzw. wrzecionowymi) tworzą jednostki ruchowe. Motoneurony y unerwiają włókna mięśniowe we wrzecionach mięśniowych (tzw. włókna śródwrzecionowe). Niedawno odkryte motoneurony P unerwiają zarówno właściwe włókna mięśniowe, jak i włókna śródwrzecionowe. Oprócz motoneuronów w ośrodkach ruchowych znajdują się jeszcze interneurony. Do grupy tej należą komórki Renshawa, które są pobudzane przez motoneurony a, hamują natomiast te same, a także inne znajdujące się w sąsiedztwie motoneurony a. Hamowanie to zapobiega nadmiernemu pobudzeniu mięśnia. Czynność motoneuronów a zależy od ich wielkości. Małe motoneurony są bardziej pobudliwe ze względu na większe zagęszczenie synaps na ich powierzchni, co ułatwia sumowanie się postsynaptycznych potencjałów pobudzeniowych. Pod wpływem impulsów dochodzących z kory mózgu są zatem pobudzane najpierw małe, a potem duże motoneurony. Wciąganie w proces pobudzenia coraz większej liczby komórek nazywa się rekrutacją neuronów. Ponieważ mały motoneuron unerwia niewielką liczbę włókien mięśniowych, przy słabym pobudzeniu ośrodka ruchowego większa jest precyzja ruchu, natomiast przy silnym pobudzeniu dominuje siła skurczu mięśnia. Unerwienie czuciowe mięśnia ,.-.,... •?-?- Oprócz komórek mięśniowych w brzuścu mięśnia znajdują się podłużnie ułożone wrzeciona mięśniowe. Występują w nich receptory tzw. czucia mięśniowego, wykrywające stopień rozciągnięcia mięśnia; ich pobudzenie dostarcza informacji o stanie funkcjonalnym mięśnia, inicjuje odruchy prowadzące do skurczu mięśnia lub modyfikuje skurcz spowodowany działaniem rdzeniowych i mózgowych ośrodków ruchowych8. ' Wrzeciona mięśniowe są ułożone równolegle do komórek mięśniowych. Wskutek tego zmiana długości mięśnia w wyniku skurczu lub rozciągania przenosi się łatwo na wrzeciona. Głównym składnikiem wrzeciona są włókna mięśniowe poprzecznie prążkowane, podobne do komórek mięśniowych tworzących brzusiec mięśnia, jednak o mniejszej sile skurczu. Nazywa się je włóknami śródwrzeciono- wymi. Jądra tych komórek mogą się skupiać w części środkowej komórki i powodować jej zgrubienie, mogą też być ułożone jedno za drugim równomiernie w całej cytoplazmie (rys. 11.5). Pierwszy rodzaj komórek nazywa się włóknami z woreczkiem jąder, drugi - włóknami z łańcuchem jąder. W odróżnieniu od właściwych komórek mięśniowych, unerwionych tylko ruchowo, włókna mięśniowe śródwrzecionowe mają unerwienie zarówno czuciowe, jak i ruchowe. Receptory, wrażliwe na siły rozciągania, dzielą się na pierścieniowo- -spiralne i graniaste. Receptory pierścieniowo-spiralne znajdują się w części środkowej włókien śródwrzecionowych obu typów, graniaste - tylko w części obwodowej włókien z łańcuchem jąder. Receptory pierścieniowo-spiralne są szczególnie wrażliwe na szybki przyrost siły rozciągającej wrzeciono, reagują Receptory wykrywające stopień rozciągnięcia mięśnia znajdują się również w ścięgnach. 275 Część obwodowa Rys. 11.5. Wrzeciono mięśniowe: A - z woreczkiem jąder; B - z łańcuchem jąder; la oraz II - unerwienie czuciowe; yD - unerwienie ruchowe typu dynamicznego; ys - unerwienie ruchowe typu statycznego. Część środkowa Część obwodowa Rys. 11.6. Unerwienie ruchowe i czuciowe mięśnia, a, p i y -aksony motoneuronów a, p i y; la oraz II - unerwienie czuciowe wrzecion mięśniowych; Ib - unerwienie narządów ścięgnowych Goigiego. ....... ,..,.. ^, ,.,,..-, ,. . UNERWIENIE RUCHOWE UNERWIENIE CZUCIOWE Kość ::: :::??" ?': Włókno mięśniowe pozawrzecionowe kość :::::: 276 zatem na rozciąganie w sposób dynamiczny9. Ich pobudzenie jest przekazywane do ośrodka nerwowego przez włókna nerwowe grupy la. Są to włókna dużego kalibru (17 mikronów), a więc zdolne do szybkiego przewodzenia impulsów nerwowych. Receptory graniaste reagują na rozciąganie ze stałą siłą w sposób statyczny, tzn. równomiernie przez cały czas trwania bodźca. Ich pobudzenie przekazują do ośrodków nerwowych włókna nerwowe grupy II, cieńsze niż poprzednie (8 mikronów), przewodzące impulsy z mniejszą szybkością (rys. 11.6). Włókna mięśniowe śródwrzecionowe są unerwione przez motoneurony y oraz przez motoneurony p, które oprócz nich unerwiają także pozawrzecionowe (czyli „właściwe") włókna mięśniowe. Zarówno unerwienie y, jak i p jest zarazem typu dynamicznego i statycznego, w związku z czym rozróżnia się motoneurony (i włókna) yD i pD oraz ys i ps. Włókna nerwowe typu statycznego unerwiają oba rodzaje włókien śródwrzecionowych, natomiast włókna nerwowe typu dynamicz- nego - tylko włókna śródwrzecionowe z woreczkiem jąder. Zadaniem unerwienia ruchowego włókien śródwrzecionowych jest regulacja wrażliwości wrzecion na siły rozciągania. Aby receptory we wrzecionie mogły zostać pobudzone, musi się zwiększyć długość wrzeciona, co jest możliwe, gdy włókna śródwrzecionowe są w stanie pewnego skurczu. Skurcz ten jest wywoływany właśnie przez motoneurony y i p. Odruch na rozciąganie (miotatyczny) ? ., Wraz z rozciąganiem mięśnia ulegają rozciągnięciu wrzeciona i zostają pobudzone jednocześnie oba rodzaje receptorów wrzecionowych, a przez to zostają uruchomione dwa rodzaje odruchu na rozciąganie - dynamiczny i statyczny. Rodzaje te różnią się zarówno przebiegiem reakcji odruchowej, jak i strukturą łuku odruchowego (rys. 11.7). Receptorami typu dynamicznego są zakończenia pierścieniowo-spiralne. Odchodzące od nich włókna la są wypustkami obwodowymi komórek czuciowych, których wypustki centralne docierają do ośrodków ruchowych w rogach przednich rdzenia kręgowego. W ośrodkach tych tworzą synapsy z motoneuronami a unerwiającymi ten sam mięsień, w którym zostały pobudzone receptory rozciągania. Ponieważ w skład łuku odruchu typu dynamicznego wchodzą tylko dwa neurony, odruch ten pojawia się szybko w postaci nagłego, krótkotrwałego skurczu mięśnia. Odruchy dynamiczne regulują napięcie mięśniowe podczas wykonywania szybkich ruchów manipulacyjnych. Rozciągnięcie mięśnia pobudza również receptory graniaste typu statycznego, z których pobudzenie przenosi się na włókna czuciowe grupy II. Wypustki centralne neuronów, do których należą te włókna, po wejściu do rdzenia kręgowego nie stykają się bezpośrednio z motoneuronami a, lecz pobudzają je za pośrednic- twem interneuronów. Ponieważ receptory graniaste ulegają adaptacji wolno, a pobudzenie musi przejść przed dłuższą drogę polisynaptyczną, skurcz mięśnia rozpoczyna się po dłuższym okresie utajenia niż w przypadku odruchu dynamicz- nego i utrzymuje się przez cały czas działania siły rozciągania. Odruchy statyczne regulują napięcie mięśniowe podczas stania, siedzenia i chodu. ______________________ ..lv. -I ? \ ,-..!!*[ 9 Są to receptory szybko ulegające adaptacji. \-i ' ; • ^ / : ' ? .•>>:'• m\ 277 Rys. 11.7. Łuk odruchu na rozciąganie mięśnia. Narząd ścięgnowy" Golgiego Zakończenie graniaste Zakończenie pierścieniowato- -spiralne Odruch statyczny Hamowanie skurczu mięśnia Interneuron: pobudzający hamujący Włókna mięśniowe śródwrzecionowe Motoneuron a '/QlWłókno mięśniowe pozawrzecionowe Napięcie mięśniowe Mięśnie zwierzęcia i człowieka nawet w spoczynku znajdują się w stanie pewnego skurczu. Dawniej sądzono, że skurcz ten jest w istocie odruchem na rozciąganie. Słabe rozciąganie mięśnia, nawet w wyniku przypadkowych drobnych ruchów, powoduje pobudzenie receptorów we wrzecionach mięśniowych, które inicjują odruchy prowadzące do niewielkiego skurczu mięśnia i do powstania napięcia mięśniowego. Badania przeprowadzone w ostatnich latach podważyły ten pogląd. Całkiem rozluźnione mięśnie zdrowego człowieka istotnie stawiają pewien wyczuwalny opór przy biernym poruszaniu kończynami, wynika on jednak raczej z elastycznych właściwości mięśnia niż z jego skurczu. Rejestracja aktywności pojedynczych włókien nerwu (tzw. mikroneuronografia) nie wykazuje w tych warunkach wzmożonej aktywności włókien la, której można by oczekiwać, gdyby napięcie mięśniowe było rzeczywiście reakcją na rozciąganie mięśnia. Natomiast napięcie mięśniowe bywa zwiększone w stanie pobudzenia emocjonalnego, niekiedy w czasie wysiłku umysłowego, wzrasta nawet w mięśniach aktualnie nieczynnych, gdy badanemu poleca się wykonać pracę innymi mięśniami, np. zacisnąć pięści. Dlatego obecnie uważa się, że napięcie mięśniowe jest głównie wynikiem oddziaływania ośrodków mózgowych na ośrodki ruchowe rdzenia. Napięcie to zmienia się zależnie od aktualnie wykonywanej czynności. Integracja czynności ruchowych Korowe i podkorowe ośrodki ruchowe dawniej zaliczano do dwóch układów - piramidowego i pozapiramidowego. Według tego podziału układ piramidowy, zawiadujący ruchami dowolnymi, obejmuje pierwszorzędową okolicę ruchową kory 278 Tabela 11.1. Sterowanie czynnościami ruchowymi przez ośrodki mózgowe i ośrodki rdzenia kręgowego Poziom integracji Struktury anatomiczne i czynnościowe i : Czynność Poziom niższy Rdzeń kręgowy Odruchy obronne (cofania) Ruchy stąpania Rdzeń przedłużony i most Pobudzenie mięśni antygrawitacyjnych - utrzymanie stojącej postawy ciała Sródmózgowie Jądro czerwienne Przywracanie normalnej postawy ciała Przekazywanie poleceń z kory ruchowej do rdzenia Poziom średni Gałka blada, istota czarna Ocena prawidłowości przebiegu ruchu Okolica piramidowa kory Sterowanie elementarnymi ruchami dowolnymi Okolica czuciowa kory Odbieranie zwrotnej informacji o stanie narządu ruchu Okolica przedruchowa kory Regulacja napięcia mięśniowego, kodowanie wzorców ruchów złożonych Poziom wyższy Pętla jądra ogoniastego Porównywanie realizacji ruchu z zamiarem Okolica przedczołowa Sterowanie złożonymi formami zachowania Móżdżek Regulacja napięcia mięśniowego Porównywanie ruchu aktualnego z zamierzonym Układ limbiczny Podłoże motywacyjne działań; ocena zaspokojenia popędów i potrzeb mózgu oraz odchodzące od niej włókna tworzące drogi piramidowe. Do układu pozapiramidowego natomiast należą obszary kory i ośrodki podkorowe zawiadujące ruchami mimowolnymi. Obecnie kwestionuje się samo pojęcie układu pozapiramidowego, ponieważ nie określa ono spójnego systemu anatomiczno-funkcjonalnego, lecz grupuje ośrodki o różnym znaczeniu czynnościowym tylko na podstawie ich odrębności anatomicznej w stosunku do układu piramidowego. Według aktualnych poglądów czynnościami ruchowymi steruje system struktur i połączeń nerwowych o hierarchicznej organizacji, w obrębie którego rozróżnia się niższy, średni i wyższy poziom integracji (tab. 11.1). Uszkodzenie ośrodków mózgowych - wywołane doświadczalnie u zwierząt czy spowodowane chorobą u ludzi - często powoduje podwójny skutek: ubytek czynności zależnej od uszkodzonego ośrodka i pojawienie się nowych lub nasilenie istniejących czynności. Uszkodzenie ośrodka ruchowego kory mózgu jest przyczyną nie tylko niedowładu kończyn, lecz także wzmożonego napięcia mięśni i nasilenia odruchów ścięgnowych w tych kończynach. Pojawia się też patologiczny odruch Babińskiego10. Objawy te świadczą o tym, że w normalnych warunkach 10 Odruch Babińskiego polega na grzbietowym wyprostowaniu palucha przy podrażnieniu mechanicznym zewnętrznej krawędzi stopy. • ,-? .:. r 279 struktury hierarchicznie niższe są hamowane przez struktury wyższe i dopiero wyłączenie tego hamowania ujawnia funkcję, niekiedy bardzo złożoną, za- blokowanego ośrodka. Niższy poziom integracji Do struktur niższego poziomu integracji zalicza się rdzeń kręgowy i ośrodki pnia mózgu - rdzenia przedłużonego, mostu i śródmózgowia. Poziom ten obejmuje podstawowe elementy czynności ruchowych, takich jak utrzymanie napięcia mięśniowego i regulację odruchów uczestniczących w mechanizmie lokomocji. Rola rdzenia kręgowego w czynnościach ruchowych Skutki odcięcia rdzenia kręgowego od mózgu różnią się zależnie od gatunku zwierzęcia; są one tym większe, im dany gatunek jest wyższy ewolucyjnie. Żaba pozbawiona półkul mózgu może się względnie sprawnie poruszać, podczas gdy uszkodzenie rdzenia kręgowego u zwierząt wyższych i człowieka powoduje poważne zaburzenia ruchowe. Funkcje ruchowe w procesie ewolucji uległy w znacznym stopniu encefalizacji - im gatunek wyższy ewolucyjnie, tym więcej jego funkcji ruchowych jest sterowanych przez wyższe ośrodki mózgowe. Ośrodki ruchowe rdzenia kręgowego ssaków uruchamiają mięśnie szkieletowe zgodnie z informacjami otrzymywanymi z korowych i podkorowych ośrodków mózgu. Pewne jednak funkcje rdzeń sprawuje autonomicznie. Należą do nich: 1) regulacja czynności mięśni antagonistycznych, 2) sterowanie prostymi reakcjami obronnymi i 3) wyzwalanie elementarnych reakcji lokomocyjnych. Każdy ruch jest wynikiem współdziałania wielu mięśni agonistycznych, tj. wykonujących tę samą czynność, na przykład zginanie kończyny, i antagonistycz- nych, wykonujących czynność przeciwną, na przykład prostowanie kończyny. Gdyby zginacze i prostowniki kurczyły się jednocześnie z jednakową siłą, żaden ruch nie byłby możliwy. Przy zginaniu kończyny muszą się kurczyć zginacze i jednocześnie, w sposób skoordynowany z ich skurczem, muszą się rozkurczać prostowniki. Koordynację tę zapewnia mechanizm wzajemnie zwrotnego unerwienia mięśni antagonistycznych. Pobudzenie receptorów w rozciągniętym mięśniu zostaje przekazane do motoneuronów cc unerwiających ten mięsień. Jednocześnie zostaje pobudzony interneuron, który z kolei hamuje motoneuron A mięśnia antagonistycznego. Impulsy nerwowe dochodzące z mózgu do motoneuronów a niosą rozkazy z okolicy ruchowej kory mózgu, a dochodzące do motoneuronów y regulują wrażliwość wrzecion mięśniowych na siły rozciągania. Ośrodki mózgowe od- działują też na interneurony, kontrolując w ten sposób pobudzenie mięśni antagonistycznych, a także na komórki Renshawa. Wszystkie te wpływy, na- kładające się na autonomiczną czynność rdzenia kręgowego, zapewniają skom- plikowaną kontrolę płynności i precyzji ruchów oraz regulację napięcia mięś- niowego. , . - 280 Rdzeniowe odruchy obronne ?•••'- . • i -i, Ukłucie igłą stopy powoduje silny odruch zgięcia tejże kończyny; towarzyszy temu często wyprostowanie drugiej kończyny (rys. 11.8). Reakcja taka wyraża ważny mechanizm fizjologiczny: zwierzę, napotkawszy na swej drodze ostry przedmiot i cofnąwszy kończynę, odruchowo przenosi ciężar ciała na pozostałe kończyny i dzięki temu zachowuje normalną pozycję ciała. Skutek odruchów obronnych niekiedy może być niekorzystny dla organizmu. Tak dzieje się w przypadku złamania kości - w chorej kończynie dochodzi do odruchowego przykurczu mięśni, wywołanego pobudzeniem receptorów bólo- wych w narządzie ruchu. Przykurcz ten często utrudnia nastawienie złamanej kończyny. , ,,...?..,-..?• -.„? „i.,* .**?-,. Czynności ruchowe sterowane przez rdzeń kręgowy Niektóre dośd złożone czynności ruchowe o charakterze lokomocyjnym są sterowane przez ośrodki rdzeniowe nie tylko u kręgowców niższych, lecz również u ssaków. Lekkie dotknięcie stopy zwierzęcia z przeciętym rdzeniem kręgowym powoduje wyprostowanie tejże kończyny. Reakcja ta jest normalnie wykorzystywana podczas chodzenia: gdy zwierzę opiera kończynę na podłożu i przenosi na nią ciężar ciała, automatycznie ulega ona wyprostowaniu. Często tego rodzaju bodziec dotykowy wywołuje przeciwstawne oscylacyjne ruchy zginania i prostowania kończyny do ośrodków czucia bólu w mózgu Rogi ? grzbietowe Interneurony Rogi brzuszne Motoneurony cc pobudzone hamowane flys. 11.8. Przebieg rdzeniowego odruchu obronnego. 281 I ?' drażnionej i nie drażnionej, utrzymujące się przez pewien czas po bodźcu, przypominające stąpanie. Rdzeniowe mechanizmy lokomocyjne u ssaków są oparte na zintegrowanej pracy ośrodków ruchowych sterujących pracą mięśni agonistycznych i antagonis- ty cznych w symetrycznych (tj. obu przednich i obu tylnych) kończynach. Gdy w jednej kończynie kurczą się zginacze, a rozluźniają się prostowniki, w drugiej kończynie, odwrotnie, kurczą się prostowniki, a rozluźniają zginacze. Ta na- przemienna czynność mięśni jest możliwa dzięki wzajemnemu oddziaływaniu na siebie ośrodków ruchowych na tym samym poziomie w prawej i lewej połowie rdzenia. U zwierząt czworonożnych jest również skoordynowana czynność mięśni kończyn przednich i tylnych, co świadczy o współdziałaniu ośrodków na różnych poziomach rdzenia. Rola opuszki i mostu w integracji czynności ruchowych Przecięcie u kota pnia mózgu między śródmózgowiem a mostem, zwane odmóż- dżeniem (decerebracją), powoduje wzmożenie napięcia mięśni prostowników we wszystkich kończynach. Jednocześnie wzmożone jest napięcie mięśni grzbietu, co powoduje charakterystyczne uniesienie głowy i wyprostowanie ogona. Ponieważ wspólną rolą tych mięśni jest działanie skierowane przeciwnie względem siły przyciągania ziemskiego, nazywa się je mięśniami antygrawitacyjnymi, a stan ich wzmożonego napięcia - sztywnością odmóżdżeniową. W odmóżdżonym preparacie czynność ośrodków ruchowych rdzenia kręgo- wego jest regulowana tylko przez struktury mostu i rdzenia przedłużonego, tj. przez zstępującą część tworu siatkowatego i przez jądra przedsionkowe (rys. 11.9). W preparacie tym funkcjonuje również móżdżek, jednak bez możliwości współ- działania z ośrodkami ruchowymi kory mózgu. Zstępująca część tworu siatkowatego W obrębie układu siatkowatego rozróżnia się część wstępującą, sterującą mechaniz- mami wzbudzenia, czuwania i snu, oraz część zstępującą, która reguluje napięcie mięśniowe. Zstępująca część układu siatkowatego składa się z tworu siatkowatego mostu i tworu siatkowatego rdzenia przedłużonego (opuszki). W tworze siatkowatym biorą początek drogi siatkowo-rdzeniowe, dochodzące do ośrodków ruchowych rdzenia kręgowego. Za pośrednictwem tych dróg jądra siatkowate modyfikują przebieg odruchów rdzeniowych, od których zależy napięcie mięśni zginaczy i prostowników. Twór siatkowaty mostu stale wytwarza impulsy nerwowe zarówno wskutek działania własnych sieci nerwowych, jak też w wyniku pobudzania go przez jądra przedsionkowe i jądra móżdżku. Impulsy te dochodzą do motoneuronów i inter- neuronów w ośrodkach ruchowych rdzenia za pośrednictwem drogi siatkowo- -rdzeniowej przy środkowej. Droga ta dociera do ośrodków unerwiających mięśnie antygrawitacyjne, czyli prostowniki u zwierząt czworonożnych. Działanie tworu siatkowatego mostu jest dodatkowo wspomagane przez jądra przedsionkowe, które 282 Rys. 11.9. Regulacja napięcia mięśniowego przez ośrodki pnia mózgu. Mechanizm powstawania sztywności odmóżdżeniowej opisany w tekście. Jądra przedsionkowe Wzgórki pokrywy .v.-j śródmózgowia Droga siatkowo- -rdzeniowa boczna Twór siatkowaty rdzenia przedłużonego Droga siatkowo- -rdzeniowa przyśrodkowa Rdzeń kręgowy do mięśni' zginaczy 7do mięśni prostowników pobudzają ośrodki mięśni antygrawitacyjnych za pośrednictwem dróg przedsion- kowo-rdzeniowych. Mechanizm ten, niezbędny do utrzymania równowagi ciała, w warunkach doświadczalnych przyczynia się do powstania sztywności odmóż- dżeniowej. .p^.l , , U normalnego zwierzęcia nadczynność tworu siatkowatego mostu jest hamowana przez jądra podstawy i korę mózgu (głównie okolicę przedruchową). Te same struktury pobudzają twór siatkowaty rdzenia przedłużonego, który za pośrednictwem drogi siatkowo-rdzeniowej bocznej ułatwia skurcz mięśni zginaczy u zwierząt czworonożnych. Wszystkie te mechanizmy przyczyniają się do zrównoważenia czynności zginaczy i prostowników. U naczelnych mięśniami antygrawitacyjnymi kończyn przednich nie są prostowniki, lecz zginacze. Wynika to z nadrzewnego trybu życia tych zwierząt i wieszania się za pomocą kończyn przednich na gałęziach. Natomiast tak samo 283 Rys. 11.10. Drogi nerwowe uczestniczące w regulacji napięcia mięśniowego. ŚRÓDMÓZGOWIE O Droga czerwienno- -rdzeniowa Twór siatkowaty mostu Twór siatkowaty rdzenia przedłużonego Droga siatkowo-rdzeniowa boczna przyśrodkowa Droga czerwienno- -rdzeniowa RDZEŃ KRĘGOWY Wzgórki pokrywy górne Jądro czerwienne Droga pokrywowo- -rdzeniowa Jądra przedsionkowe Droga przedsionkowo- -rdzeniowa Jądro oliwkowe dolne Droga oliwkowo- ' -rdzeniowa ) I boczne A Sznury brzuszne Droga pokrywowo- 7 -rdzeniowa Ośrodki ruchowe rdzenia jak u ssaków niższych, mięśniami antygrawitacyjnymi kończyn tylnych (dolnych) są u naczelnych prostowniki. Jądro czerwienne, pokrywa śródmózgowia i jądra przedsionkowe Rysunek 11.10 przedstawia ośrodki pnia mózgu i drogi uczestniczące w regulacji czynności ośrodków ruchowych rdzenia kręgowego. Droga pokrywowo-rdzeniowa, która bierze początek w jądrze czerwiennym (nucleus ruber) śródmózgowia, przekazuje do rdzenia część impulsów z ośrodków korowych, których główny strumień biegnie drogą korowo-rdzeniową. Droga ta jest jednak słabo rozwinięta u człowieka i ma większe znaczenie u ssaków niższych. Droga pokrywowo- -rdzeniowa uczestniczy w mechanizmie koordynacji wzrokowo-ruchowej. Za jej pośrednictwem wyzwalane są zwroty głowy i tułowia ku bodźcom pojawiającym się nieoczekiwanie w polu widzenia. Reakcja ta jest możliwa dlatego, że część impulsów nerwowych z siatkówki dociera do wzgórków pokrywy górnych i niesie informację o ruchu bodźca. Z kolei droga przedsionkowo-rdzeniowa, rozpoczynająca się w jądrach przedsionkowych, przewodzi do rdzenia kręgowego impulsy z błędnika i móżdżku. Odgrywają one rolę w utrzymaniu równowagi ciała. Impulsy z jąder 284 móżdżku są przekazywane do ośrodków mózgowych za pośrednictwem wszystkich dróg wymienionych na rysunku. ??'•.....- Średni poziom integracji Struktury należące do średniego poziomu integracji sterują wykonywaniem nie prostych ruchów, lecz złożonych czynności. Aby ruch mógł być wykonany zgodnie z założonym planem, musi się najpierw dokonać rozpoznanie stanu narządu ruchu i dostosowanie go do sprawnego przebiegu zamierzonej czynności. Następnie muszą zostać opracowane i wysłane polecenia wykonawcze. I wreszcie przebieg wykonania zadania musi być na bieżąco testowany, sprawdzany z założeniem i w razie potrzeby korygowany. Czynności te spełniają czuciowe i ruchowe okolice kory mózgu przy udziale jąder podstawy, jąder wzgórza i istoty czarnej. W mechanizmie kontrolno-korygującym uczestniczy również móżdżek. ? -; Kora czuciowo-ruchowa ' Pola ruchowe i czuciowe kory mózgu, o różnej lokalizacji i budowie, funkcjonują w sposób ściśle skoordynowany, dlatego zostały objęte wspólną nazwą kory czuciowo-ruchowej. W skład kory czuciowo-ruchowej wchodzą obszary ruchowe i czuciowe, a mianowicie pierwszorzędowa okolica ruchowa w płacie czołowym ku przodowi od bruzdy środkowej mózgu (Rolanda), odpowiadająca polu 4 według Brodmanna, pole 6, zwane też okolica przedruchową, leżące ku przodowi od pola 4, i tzw. dodatkowe pole ruchowe na przyśrodkowej powierzchni płata czołowego, obszar czuciowy w płacie ciemieniowym ku tyłowi od bruzdy Rolanda, obejmujący pola projekcyjne 3, 2 i 1 oraz pola asocjacyjne 5 i 7b (rys. 11.11). Rys, 11.11. Obszary kory mózgu sterujące czynnościami ruchowymi. '. --' !'?- Okolica przedruchową Okolica ruchów gałek ocznych Okolica czuciowa: projekcyjna asocjacyjna 285 Współdziałanie obszarów czuciowych i ruchowych kory jest niezbędne do precyzyjnego sterowania czynnością mięśni, które nie byłoby możliwe bez zwrotnej informacji o stanie narządu ruchu i przebiegu wykonywanej czynności. Co więcej, wykazano, że obszary ruchowe częściowo sprawują również funkcje czuciowe, a obszary czuciowe bezpośrednio sterują ruchami. Działanie kory czuciowo-ruchowej na rdzeń kręgowy '' t ' j ! U ssaków niższych drogi korowo-rdzeniowe po dojściu do ośrodków rdzeniowych tworzą połączenia synaptyczne nie z motoneuronami, lecz z interneuronami. Działanie kory mózgu polega zatem na torowaniu i hamowaniu mniej i bardziej złożonych odruchów rdzeniowych. Bezpośrednie unerwienie motoneuronów rdzenia przez drogi korowo-rdzeniowe jest cechą układu nerwowego naczelnych, zwłaszcza człowieka. W wyniku tego włókna pochodzące z pola 4 i częściowo z pola 3a kory tworzą u człowieka monosynaptyczne połączenia z motoneuronami. Taka or- ganizacja powoduje, że zarówno plan ruchu, jak i rozkaz jego wykonania są zadaniem ośrodków korowych. ...i : n ,,„„;.,,. Opracowanie planu i wysłanie rozkazu wykonania ruchu Aby został wykonany ruch, musi dojść do pobudzenia odpowiedniego zespołu mięśni. Rozkaz do wykonania ruchu wydaje okolica czuciowo-ruchowa kory. Proces ten przebiega w trzech etapach. W pierwszym etapie - przygotowawczym - do pól 2, 5 i częściowo 4 dochodzi informacja o planowanym ruchu i jego zakresie. Źródłem tej informacji jest głównie okolica przedruchowa (pole 6) - miejsce kodowania wzorca zamierzonego ruchu - i dodatkowe pole ruchowe. Uszkodzenia pola 6 upośledzają zdolność wykonywania takich czynności, jak szycie, nawlekanie igły, zapinanie guzików, z powodu niedostatecznej precyzji ruchów, mimo ogólnie sprawnego aparatu ruchowego. Zaburzenia te, nazywane apraksją ruchową, świadczą o tym, że w okolicy przedruchowej mogą być zakodowane wzorce ruchowe wykonywanych czynności. Podobną funkcję pełni dodatkowe pole ruchowe. Następnie pola 2, 5 i 4 wysyłają impulsy ułatwiające dopływ informacji sensorycznej z mięśni, które mają być pobudzone do skurczu. Na podstawie tej informacji jest zwiększana pobudliwość motoneuronów unerwiających te mięśnie i są uruchamiane odruchy rdzeniowe. W drugim etapie, dzięki impulsom pochodzącym z pola 4, zostaje zapoczątkowany ruch. Ruch ten jest następnie podtrzymywany przez impulsy z pól 3a, 3b i 1. Do zakończenia ruchu dochodzi w wyniku ponownego działania pola 4. Polecenia z okolicy czuciowo-ruchowej kory osiągają rdzeń kręgowy bezpośrednio drogami korowo-rdzeniowymi i pośrednio - połączeniami biegnącymi przez jądro czerwienne i drogę czerwienno-rdzeniową (rys. 11.12). Znaczenie informacji o stanie narządu ruchu Do wykonania ruchu konieczna jest informacja o stanie mięśni oraz o aktualnym ułożeniu części ciała uczestniczących w wykonywaniu ruchu. Informacja ta pochodzi z receptorów zarówno czucia głębokiego (w tym z mięśni), jak 286 Rys. 11.12. Przebieg dróg piramidowych. ?*#&;*?»-«»«?*?? w-r* >x» i*--'?•,? !?:•? / < l/kb' KORA Tr MÓZGU f • < [ / Torebka v ^p" wewnętrzna rT( Jądro -F- V) czerwienne DMÓZGOWIE | ^^/O Droga czerwienno- JrO.J^-^' -rdzeniowa Jf ^„Konary mózgu RDZEŃ *=v PRZEDŁUŻONY \ nil P Skrzyżowanie JrVT Piramid RDZEŃ /O KRĘGOWY K In iiy Droga korowo- | |0'\I!!1»' -rdzeniowa: 1 ^_^- boczna ___/lT^^- brzuszna c "' Tt-ł" \ ^—^>K RDZEŃ [( KRĘGOWY (|| Tl Ji • ? • 1 y>^\ °*rodek ruchowy **)------\ \ rdzenia kręgowego A----\ ^- A> i Jrt I),//)) Interneuron 1 V kx^>C / ^SJ~y/ ^Motoneurony i powierzchniowego (głównie dotyku ze skóry w okolicy stawów). Impulsy z tych receptorów dochodzą najpierw do jądra brzusznego tylno-bocznego wzgórza - głównej stacji przekaźnikowej dla informacji z kończyn i tułowia, a następnie, za pośrednictwem połączeń wzgórzowo-korowych, większa ich część dochodzi do okolicy czuciowej w zakręcie zaśrodkowym (rys. 11.13). W zakręcie tym znajdują się cztery pola cytoarchitektoniczne według klasyfikacji Brodmanna, różniące się nie tylko budową histologiczną, lecz także rodzajem analizowanych informacji sensorycznych. Pole 3a, leżące w głębi bruzdy środkowej mózgu (Rolanda) i sąsiadujące od przodu z pierwotną okolicą ruchową (polem 4), otrzymuje impulsy z receptorów czucia głębokiego, głównie z wrzecion mięśniowych i stawów. Informacje z tych receptorów otrzymuje też pole 1. Czucie powierzchowne jest reprezentowane w pozostałych dwóch polach w taki sposób, że pobudzenie receptorów dotyku o wolno rozwijającej się adaptacji (czyli receptorów tonicznych) dociera do neuronów w polu 3b, a pobudzenie receptorów szybko się adaptujących 287 Rys. 11.13. Dopływ informacji do kory czuciowo-ruchowej. KORA CZUCIOWO-RUCHOWA Jądro brzuszne: A_,_ tylno-boczne WZGÓRZE tylno- -przyśrodkowe Dotyk głębokie wobrębie (mięśnie, stawów) stawy) Jądro klinowate (fazowych) dochodzi do pola 1. Okolica czuciowa kory wykazuje zatem dwojaki charakter organizacji: pod względem topograficznym i pod względem rodzaju (czyli modalności) czucia. Organizacja topograficzna (somatotopowa) kory czucio- wej, podobnie jak okolicy ruchowej kory, polega na tym, że reprezentacje poszczególnych części ciała są rozmieszczone w układzie boczno-przyśrodkowym. Natomiast różne rodzaje czucia wywołane pobudzeniem receptorów w tym samym obszarze ciała są reprezentowane w układzie tylno-przednim. Sterowanie ruchami szybkimi Aby informacja, która dociera do kory czuciowej, mogła zostać właściwie wykorzystana, musi najpierw ulec opracowaniu w czuciowych polach projekcyjnych (3a, 3b, 1, 2), a także w okolicy asocjacyjnej (pole 5), a następnie być przekazana za pośrednictwem dróg śródkorowych do okolicy ruchowej. Ponieważ proces ten wymaga pewnego czasu i dla szybkich ruchów mógłby okazać się zbyt wolny, do sterowania ruchem są również wykorzystywane funkcje ruchowe obszaru czucio- wego i funkcje sensoryczne obszaru ruchowego. W polach sensorycznych kory czuciowo-ruchowej znajdują się neurony ruchowe, których pobudzenie jest przekazywane do ośrodków ruchowych rdzenia i może inicjować ruch lub korygować jego przebieg. Poza tym część połączeń wzgorzowo-korowych niosących impulsy z proprioceptorów dociera bezpośrednio do obszaru ruchowego. Tą drogą neurony ruchowe otrzymują szybką, choć nie uporządkowaną informację o stanie narządu ruchu. ,.,,,„.,<, ?- >>}?,? ^' ~. " •? ' 288 r Somatotopowe i funkcjonalne zróżnicowanie okolicy ruchowej ' ? < * Pole 4 jest zróżnicowane pod względem somatotopowym i funkcjonalnym. Zróżnicowanie somatotopowe polega na tym, że różne okolice tego pola unerwiają ośrodki ruchowe dla mięśni poszczególnych obszarów ciała, a także otrzymują informacje z tych obszarów. W części grzbietowo-brzusznej znajduje się reprezen- tacja mięśni twarzy, jamy ustnej i mięśni artykulacyjnych krtani. Z okolicą tą sąsiaduje reprezentacja mięśni ręki. Obie te okolice zajmują u człowieka znaczną część pola 4. Dalej, na bocznej powierzchni półkuli, znajduje się reprezentacja mięśni tułowia, a w części grzbietowej, sąsiadującej ze szczeliną podłużną mózgu - reprezentacja mięśni stopy. Zróżnicowanie funkcjonalne pola 4 dotyczy rodzaju otrzymywanych informacji. Do części przedniej tego pola dochodzą informacje z receptorów głębokich, a do części tylnej - z receptorów powierzch- niowych, głównie dotyku. Konsekwencją tego może być różny aspekt motywacyjny wykonywanych ruchów. Pobudzenie części tylnej pola 4 uruchamia ruchy, których celem jest zbliżenie kończyny do przedmiotu i osiągnięcie z nim kontaktu dotykowego. Natomiast pobudzenie części przedniej tego pola wyzwala ruchy powodujące odsunięcie kończyny od przedmiotu. W ten sposób reakcje behawioral- ne służące zaspokajaniu popędów apetytywnych i awersyjnych są uruchamiane przez różne obszary kory mózgu. . .,.,?• , '* i. Jądra podstawne Jądrami podstawnymi'' nazywa się duże skupienia istoty szarej w obrębie brzusznej (podstawnej) części kresomózgowia. Największym zespołem ośrodków w ich obrębie jest ciało prążkowane (corpus striatum). Ciało prążkowane12 składa się z trzech części: jądra ogoniastego (nucleus caudatus), skorupy (putameń) i gałki bladej {globus pallidus albo pallidum). Jądro ogoniaste wraz ze skorupą nazywane jest wspólnie prążkowiem {striatum13). Według tego podziału za składniki ciała prążkowanego uważa się prążkowie i gałkę bladą. _,. >•,;•?, ^a->i>. ..;. '>?? ?:r>, ::-. .?•.-,.-: W obrębie jądra ogoniastego wyróżniają się trzy łukowato ułożone części - głowa, trzon i ogon, stykające się ze światłem komory bocznej mózgu. Głowa, największa część, sąsiaduje od strony brzusznej z jądrem półleżącym (nucleus accumbens), należącym do układu limbicznego. Bocznie od jądra ogoniastego przebiegają włókna torebki wewnętrznej (capsula interna), łączące korę mózgu z ośrodkami ruchowymi rdzenia kręgowego. Torebka wewnętrzna oddziela jądro ogoniaste od skorupy. Na zewnątrz skorupa graniczy z torebką zewnętrzną (capsula extema), oddzielającą ją od przedmurza (claustrum). Przyśrodkowo od " Dawniej zwane (nieprawidłowo) zwojami podstawnymi. 12 Przez ciało prążkowane przechodzą liczne włókna mielinowe istoty białej, nadające tej strukturze charakterystyczny prążkowany wygląd. 13 Prążkowie jest niekiedy nazywane nowoprążkowiem {neostriatum), aby uwypuklić jego młodsze pochodzenie filogenetyczne, niektórzy bowiem do prążkowia zaliczają filogenetycznie starsze jądro półleżące. 289 f\'\ skorupy znajduje się gałka blada, złożona z bliższej skorupie części zewnętrznej i części wewnętrznej. Do grupy jąder podstawnych regulujących czynności ruchowe należy oprócz ciała prążkowanego jądro niskowzgórzowe (nucleus subthalamicus) oraz istota czarna (substantia nigra) umiejscowiona w śródmózgowiu. Istota czarna składa się z części siatkowatej (pars reticularis) i części zbitej (pars compacta). > . Połączenia pobudzające i hamujące jądra podstawne Połączenia aferentne, tj. doprowadzające impulsy do jąder podstawnych, pochodzą z kory mózgu, połączenia zaś eferentne biegną w dwóch kierunkach - do jąder wzgórza i dalej - do kory mózgu, oraz do ośrodków ruchowych w pniu mózgu. Dzięki takiemu układowi połączeń jądra podstawne z jednej strony mogą korygować stan pobudzenia ośrodków ruchowych kory mózgu, z drugiej zaś wpływają na wykonywanie ruchów głównie poprzez regulację napięcia mięśniowego. Na zakończeniach włókien nerwowych w jądrach podstawnych uwalniają się przekaźniki pobudzające (kwas glutaminowy, acetylocholina) i hamujące (kwas gamma-aminomasłowy - GABA, enkefaliny, dynorfiny) czynność neuronów. Natomiast dwukierunkowym działaniem odznacza się dopamina, która zależnie od rodzaju aktywowanych receptorów, pełni rolę przekaźnika pobudzającego i hamu- jącego. Schemat połączeń jąder podstawnych przedstawia rys. 11.14. Połączenia pobudzające z asocjacyjnych okolic ruchowych kory (z okolicy przedczołowej, przedruchowej) i dodatkowego pola ruchowego dochodzą do prążkowia. Na zakończeniach większości tych włókien uwalnia się kwas glutaminowy, na pozostałych zaś acetylocholina. Prążkowie, za pośrednictwem neuronów wykorzys- tujących jako przekaźnik kwas gamma-aminomasłowy, hamuje zewnętrzną i we- wnętrzną część gałki bladej. Drugi rodzaj połączeń do jąder podstawnych pochodzi z pierwotnej okolicy ruchowej (pole 4), okolicy przedruchowej (6) i dodatkowej okolicy ruchowej. Celem tych glutaminergicznych włókien pobudzających jest jądro niskowzgórzowe. Jądro to jest hamowane przez część zewnętrzną gałki bladej, samo natomiast wysyła do tejże części włókna pobudzające. To wzajemne unerwienie obu struktur tworzy ujemne sprzężenie zwrotne, za którego pośrednictwem jest regulowany stan pobudzenia jądra niskowzgórzowego. Jądro niskowzgórzowe oddziałuje pobudza- jąco na część wewnętrzną gałki bladej, a z niej również na część zbitą istoty czarnej. Włókna opuszczające jądra podstawne biegną do wzgórza i do ośrodków ruchowych pnia mózgu. Są to połączenia hamujące, wykorzystujące jako przekaźnik GABA. Ich przebieg jest następujący. 1. Włókna z części wewnętrznej gałki bladej biegną do jąder brzusznych przednich i jądra brzusznego bocznego wzgórza. Stąd wychodzą dalsze włókna typu pobudzeniowego, które zmierzają do okolicy ruchowej kory mózgu. 2. Włókna z części siatkowatej istoty czarnej podążają do jądra przyśrodkowego grzbietowego wzgórza. Jądro to z kolei wysyła połączenia pobudzające do 290 Rys. 11.14. Jądra podstawy; VA -jądra brzuszne przednie; VL -jądro brzuszne boczne; MD - jądro przyśrodkowe grzbietowe; siatk. - część siatkowata istoty czarnej. Przekaźniki uczestniczące w oddziaływaniach jąder podstawy: ACh - acetylocholina, DA - dopamina, Dyn - dynorfina, Enk - enkefalina, GABA - kwas gamma-aminomastowy, Glu - kwas glutaminowy. D1 i D2 - receptory dopaminergiczne. ' ' '! ^ Gałka blada część [ | wewnętrzna A 1 i pobudzające "hamująć"e do wzgórków pokrywy górnych ośrodka ruchów gałek ocznych w polu 8a kory mózgu. Włókna z tej części istoty czarnej osiągają też wzgórki pokrywy górne, które również zawiadują ruchami gałek ocznych. 3. Włókna z obu części gałki bladej zstępują do tworu siatkowatego zstępującego, odgrywającego rolę w regulacji napięcia mięśniowego. .. - Przedmiotem szczególnego zainteresowania są włókna dopaminergiczne biegnące z części zbitej istoty czarnej do prążkowia. Włókna te działają na dwa typy receptorów dopaminergicznych: D[, które występują w synapsach pobudza- jących, i D2, występujących w synapsach hamujących. A zatem istota czarna, za pośrednictwem dwóch rodzajów receptorów, może zwrotnie pobudzać lub hamować prążkowie. Upośledzenie tego mechanizmu jest przyczyną choroby Parkinsona. 291 Oddziaływania jąder podstawnych na korowe ;f:,t.Sj_ ,;; t: »; } ? •;• i podkorowe ośrodki ruchowe Anatomiczna organizacja połączeń jąder podstawnych sugeruje, że ten złożony zespół podkorowych ośrodków ruchowych pełni kilka funkcji, których wspólnym celem jest zwiększanie precyzji wykonywanych ruchów. Jądra podstawne wchodzą w skład dwóch pętli, przez które ośrodki ruchowe (głównie asocjacyjne) kory mózgu oddziałują na okolicę przedruchową i pierwotną okolicę ruchową. Jedna z tych pętli przebiega przez skorupę, druga przez jądro ogoniaste. Zadaniem pętli przechodzącej przez skorupę (rys. 11.15) jest korekcja rozkazów wysyłanych z kory ruchowej do ośrodków ruchowych rdzenia kręgowego. Do skorupy dochodzą impulsy głównie z okolicy przedruchowej i dodatkowej okolicy ruchowej kory. Wzorzec rozkazu z tych obszarów zostaje najpierw przekazany do skorupy, a stąd do gałki bladej. Na dalszym etapie pobudzenie z gałki bladej przenosi się bezpośrednio do jąder przednio-brzusznych i do jądra przyśrodkowego grzbietowego wzgórza. Tutaj biorą początek włókna wzgórzowo-korowe, dochodzące do okolic kory przedruchowej, pierwotnej ruchowej i dodatkowej ruchowej. Połączenia te niosą informację, na podstawie której zostaje dokonana korekcja rozkazu. Prawidłowe funkcjonowanie pętli skorupy jest niezbędne do wykonywania wszystkich precyzyjnych zautomatyzowanych czynności, takich jak pisanie, rysowanie, szycie itp. W odróżnieniu od pętli skorupy, pętla przechodząca przez jądro ogoniaste rozpoczyna się w korowych obszarach asocjacyjnych wyższego rzędu, jak okolica przedczołowa i asocjacyjne okolice sensoryczne (rys. 11.16). Przebiega również przez gałkę bladą oraz jądra brzuszne przednie i brzuszne boczne wzgórza, jej Okolica Okolica ruchowa przedruchową Okolica przedczołowa Rys. 11.15. Pętla skorupy. Wzgórze Skorupa 292 Okolica przedruchowa Okolica ruchowa 3t • ? Rys. 11.16. Pętla jądra ogoniastego. Gałka blada Skorupa ' L celem jednak nie jest pierwotna okolica ruchowa, lecz okolice przedczołowa, przedruchowa i ruchowa dodatkowa. W odróżnieniu od pętli skorupy pętla jądra ogoniastego nie koryguje bezpośrednio wykonania ruchu, lecz kontroluje właś- ciwą sekwencję aktów ruchowych i celowość ich wykorzystania w konkretnej sytuacji. • . ; ,,:-.; ?..-.?.?-... ,,.<-. Drugim kierunkiem działania jąder podstawnych są ośrodki układu siatko- watego zstępującego, kontrolujące napięcie mięśni kończyn. I wreszcie przez jądra podstawne przebiega pętla korygująca ruchy gałek ocznych, oddziałując na ośrodek korowy (pole 8a) tych ruchów za pośrednictwem jądra przyśrodkowego grzbietowego wzgórza. Część włókien biegnie do wzgórka pokrywy śródmóz- gowia górnego, gdzie istnieją połączenia do ośrodka mostowego ruchów gałek ocznych. Objawy uszkodzenia jąder podstawnych '?' ' Uszkodzenia jąder podstawnych są przyczyną zaburzeń charakteryzujących się ubóstwem ruchów lub odwrotnie, występowaniem ruchów mimowolnych, czyli nie poddających się świadomej kontroli chorego. Pierwsze nazywa się zespołami hipokinetycznymi, drugie - zespołami hiperkinetycznymi. Typowy zespół hipo- kinetyczny jest charakterystyczny dla choroby Parkinsona, natomiast do zespołów hiperkinetycznych zalicza się różne postacie pląsawicy. '.. r U: 293 Choroba Parkinsona Przyczyną choroby Parkinsona jest najczęściej miażdżyca naczyń krwionośnych mózgu. W zespole objawów charakterystycznych dla tej choroby dominuje wzmożone napięcie mięśniowe, drżenie mięśni z częstością 3-6/s i szczególnie dokuczliwa dla chorego niemożność zapoczątkowania ruchu zwana akinezją. Inicjacja każdego ruchu wymaga ogromnego wysiłku, a skoro ruch już raz został zapoczątkowany, brak jest mu naturalnej płynności i zmian sekwencji. Charak- terystycznym objawem choroby Parkinsona jest też ubóstwo mimiki, co nadaje twarzy wygląd maskowaty. Innym objawem jest niemożność prawidłowego wykonywania różnych ruchów jednocześnie lub następujących szybko po sobie. Sugestywnym przykładem takiego zaburzenia jest mikrografia. Pierwsze litery w zdaniu napisanym przez chorego mają prawidłową wysokość, natomiast następne są coraz mniejsze. Zaburzenia ruchowe w chorobie Parkinsona są spowodowane nieprawidłową interakcją między istotą czarną a prążkowiem. Prążkowie (jądro ogoniaste i skorupa) hamuje, za pośrednictwem neuronów GABAergicznych, czynność istoty czarnej. Z kolei istota czarna, za pośrednictwem neuronów dopaminergicznych, oddziałuje zwrotnie na prążkowie. Wpływ ten jest złożony, zarówno pobudzający, jak i hamujący, zależnie od rodzaju zaangażowanych receptorów (Dj i D2). Zniesienie tego wpływu wskutek uszkodzenia istoty czarnej może zakłócać u chorych normalną sekwencję stanu pobudzenia i hamowania w ośrodkach ruchowych, niezbędną dla płynności ruchu. Inny ważny objaw choroby Parkinsona, wzmożone napięcie mięśniowe, przypisuje się niedostatecznemu hamowaniu przez prążkowie tworu siatkowatego mostu. Znaczenie deficytu dopaminy w powstawaniu choroby Parkinsona zostało potwierdzone obserwacjami klinicznymi i wynikami eksperymentów na zwierzę- tach. Szczególnie interesujące pod tym względem okazało się wystąpienie zespołu parkinsonowskiego u czterech narkomanów po zażyciu preparatu syntetycznej heroiny, zawierającego domieszkę związku MPTP (ang. 1 -methył-4-phenyl- -l,2,5,6-tetrahydroxypyridine) (Langston i wsp., 1983). W organizmie zwierzęcym MPTP przekształca się w neurotoksynę, rodzaj „fałszywego przekaźnika", który wybiórczo uszkadza neurony dopaminergiczne. U małp, którym podano MPTP, pojawił się zespół objawów typu parkinsonowskiego w postaci ubóstwa ruchów, sztywności mięśni i drżenia kończyn. Zaburzenia te ustąpiły po zastosowniu lewodopy, prekursora dopaminy, stosowanego w leczeniu choroby Parkinsona u ludzi. ?' • - i ' -'•?>? Zespoły hiperkinetyczne Do typowych zespołów hiperkinetycznych zalicza się chorobę Huntingtona i hemibalizm. Choroba Huntingtona, zwana też pląsawicą Huntingtona, charakteryzuje się występowaniem nagłych, krótkich ruchów mimowolnych, tj. niezależnych od woli chorego, obejmujących wszystkie części ciała. Badanie mózgu po śmierci osób mających objawy tej choroby wykazywało zanik neuronów w prążkowiu. Przyczyną 294 choroby Huntingtona jest defekt genetyczny, który prowadzi do syntezy patologicz- nego białka o właściwościach neurotoksycznych. Hemibalizm powstaje w wyniku uszkodzenia jądra niskowzgórzowego. W skład tego zespołu wchodzą mimowolne ruchy przeciwległych kończyn górnej i dolnej, podobne do występujących w pląsawicy Huntingtona, ale o większym zakresie, co niekiedy nadaje in dramatyczny wygląd. W doświadczeniach na małpach stwierdzono, że przyczyną tych ruchów może być zniesienie pobudzającego wpływu jądra niskowzgórzowego na część wewnętrzną gałki bladej (Robertson i wsp, 1989). Część ta hamuje jądra brzuszne przednie wzgórza, a tym samym osłabia ich pobudzający wpływ na korę mózgu. Upośledzenie tego oddziaływania prowadzi do nadczynności korowych ośrodków ruchu, która może być jedną z przyczyn nadmiernej aktywności ruchowej. Rola jąder podstawnych w sterowaniu ruchem Obserwacje pacjentów z uszkodzeniami jąder podstawnych sugerują, że struktury te wbrew niektórym sugestiom nie wyzwalają ruchów, lecz kontrolują przebieg wyuczonej sekwencji aktów ruchowych. Zadaniem jąder podstawnych jest też hamowanie ruchów niepożądanych, torowanie zaś ruchów aktualnie wykonywanych. Część wewnętrzna gałki bladej znajduje się w stanie stałego pobudzenia, a zatem hamuje, poprzez wzgórze, korę mózgu. Gdy wzorzec jakiegoś ruchu, zakodowany w ośrodku ruchowym kory, jest pobudzony, wskutek działania pętli sprzężenia zwrotnego zmniejsza się działanie hamujące jąder podstawy na korową reprezentację tego wzorca, natomiast zwiększa się ich działanie hamujące na przedstawicielstwa wzorców innych ruchów. . •, •,, , - , W regulacji aktywności ruchowej może mieć znaczenie podwójne oddziaływa- nie kory mózgu na część wewnętrzną gałki bladej: hamujące za pośrednictwem prążkowia i pobudzające za pośrednictwem jądra niskowzgórzowego. Gdy część wewnętrzna gałki bladej jest pobudzona, zwiększa się jej hamujący wpływ na jądra brzuszne przednie wzgórza, a tym samym zmniejsza się pobudzające działanie wzgórza na korę mózgu. Następstwem tego jest zmniejszenie aktywności ruchowej. I odwrotnie, gdy część wewnętrzna gałki bladej jest zahamowana, zmniejsza się jej hamujący wpływ na jądra brzuszne przednie wzgórza, a tym samym zwiększa się pobudzające działanie wzgórza na korę mózgu. Następstwem tego jest zwiększenie aktywności ruchowej. Zakłócenie tego mechanizmu może powodować ubóstwo ruchów w chorobie Parkinsona i ich nadmiar w pląsawicy. Wyższy poziom integracji , Na wyższym poziomie integracji czynności ruchowych powstają plany działań i są opracowywane rozkazy przesyłane do mięśni. Domeną wyższego poziomu integracji jest dowolna działalność ruchowa. ; ; , i ;s/ ? Rozkazy wykonania ruchu są przekazywane do odpowiednich efektorów stosunkowo prostym kanałem. Jest nim droga piramidowa (korowo-rdzeniowa), 295 'Ii i łącząca bezpośrednio korowe ośrodki ruchu z ośrodkami ruchowymi rdzenia kręgowego. Jak wykazały badania czynności kory mózgu u ludzi za pomocą emisyjnej tomografii pozytonowej (Kawashima i wsp., 1993, 1994), w opracowy- waniu rozkazów nawet prostych ruchów dowolnych bierze udział kilka ośrodków w obu płatach czołowych. Stosując odpowiednią technikę elektroencefalogaficzną stwierdzono, że już na sekundę przed początkiem ruchu zaczyna narastać aktywność elektryczna okolic ruchowych pierwotnej i dodatkowej, która potem nasila się w trakcie wykonywania ruchu (Tarkka i Hallett, 1990). Aby wniknąć bliżej w neuronalny mechanizm ruchów dowolnych, małpom rezusom implantowano do mózgu mikroelektrody w celu śledzenia aktywności neuronów kory ruchowej w trakcie wykonywania różnych zadań ruchowych. Wykazano, że dany mięsień może otrzymywać rozkazy z wielu komórek kory 0 różnych właściwościach funkcjonalnych, a dana komórka kory może wysyłać pobudzenie do różnych mięśni. Taka organizacja sprawia, że reprezentacje sąsiednich, a nawet odległych mięśni w obrębie reprezentacji danej części ciała wzajemnie na siebie zachodzą. Czynność neuronów kory ruchowej w zależności od typu ruchu dowolnego Rozróżnia się ruchy dowolne typu dynamicznego i kinematycznego (Bizzi 1 Mussa-Ivaldi, 1995). Ruch typu dynamicznego polega na pokonywaniu oporów, omijaniu przeszkód i dostosowywaniu precyzji skurczów mięśni do wykonywanego zadania, korzysta zatem głównie z informacji proprioceptywnej ze stawów, więzadeł i mięśni. Ruch dowolny typu kinematycznego jest skierowany ku bodźcom w przestrzeni i zmierza do osiągnięcia celu, opiera się zatem głównie na informacji wzrokowej. Aktywność komórek zaangażowanych w ruchy dowolne z dominującym komponentem dynamicznym badał Evarts (1968). Doświadczenia polegały na rejestracji aktywności komórek piramidowych kory mózgu, gdy małpa zginała lub prostowała kończynę wbrew stałemu lub zmiennemu oporowi. Komórki piramidowe reagowały na subtelne elementy ruchu, takie jak pokonywanie oporu, który narastał z określoną szybkością, szybkość ruchu czy też określone położenie kończyny. Aktywność neuronów w trakcie wykonywania ruchu typu kinematycznego okazała się bardziej złożona. W doświadczeniach opisanych przez Georgopoulosa (1995) małpa siedziała przed płaszczyzną, na której w różnych miejscach ukazywała się plamka świetlna. Zwierzę musiało wykonać ruch dźwignią w kierunku tej plamki. Aktywność elektryczna badanych komórek kory ruchowej nasilała się jeszcze przed wykonaniem ruchu i utrzymywała się przez cały czas jego trwania. Reakcje poszczególnych komórek były najintensywniejsze, gdy ruch odbywał się w określonym kierunku. Na podstawie intensywności wyładowań wykreślano tzw. wektor aktywności danej komórki, czyli odcinek o kącie nachylenia odpowiadają- cym kierunkowi ruchu i długości odzwierciedlającej wielkość reakcji. Gdy małpa poruszała dźwignią ku bodźcowi, obserwowano pobudzenie pewnej populacji złożonej z kilkudziesięciu do kilkuset neuronów i stwierdzono, 296 że wektory większości tych komórek były skierowane zgodnie z kierunkiem ruchu, a wektory innych były zwrócone pod innym kątem. Na podstawie skomplikowanej analizy geometrycznej wektorów aktywności poszczególnych komórek wyznaczano sumaryczny wektor dla całej populacji. Kierunek tego wektora z dużą dokładnością pokrywał się z kierunkiem ruchu. Eksperyment ten wykazał, że nie pojedyncze neurony kory ruchowej, lecz zespoły neuronów są podstawowymi jednostkami funkcjonalnymi kodującymi ruchy dowolne. Ponieważ dana populacja wykazuje aktywność jeszcze przed początkiem ruchu, można przyjąć, że jej pobudzenie jest neuronalnym podłożem zamiaru wykonania tego ruchu. Albo inaczej - w sieci neuronów danej populacji jest zakodowana pamięć ruchu, który ma zostać wykonany. Organizacja sterowania ruchami dowolnymi .« :, = W większości eksperymentów na małpach rejestrowano aktywność komórek pierwotnej okolicy ruchowej, jednak podobne reakcje wykazują neurony innych okolic, takich jak dodatkowa okolica ruchowa, okolica przedruchowa, a nawet asocjacyjna okolica czuciowa (Crutcher i Alexander, 1990; Ashe i Georgopoulos, 1994). Różne okolice kory mogą odgrywać rolę w wyzwalaniu określonego typu ruchu - dynamicznego lub kinematycznego (Kalaska i wsp., 1990). Rozkaz wykonania nawet prostego ruchu dowolnego jest zakodowany w wielu wzajemnie współpracujących pulach neuronów w różnych obszarach okolicy czuciowo-rucho- wej kory. Oczywiście czynności złożone z wielu następujących po sobie ruchów dowolnych muszą być odpowiednio zaplanowane, a ich konkretne wykonanie właściwie zaprogramowane. W planowaniu aktywności ruchowej bierze udział okolica przedczołowa, w której jest kodowana zasadnicza treść aktów ruchowych i są opracowywane ogólne założenia planów działania. Natomiast wzorce ruchów dowolnych są przechowywane w okolicy przedruchowej. W ustalaniu planów działania i w kontroli ich realizacji ośrodki korowe współdziałają z jądrami podstawy, zwłaszcza z jądrem ogoniastym. Jądro ogoniaste otrzymuje włókna z rozległych obszarów kory mózgu, głównie z pól asocjacyjnych w płacie czołowym, lecz także w pozostałych płatach, a tym samym ma dostęp do rejestrów pamięciowych przechowywanych w tych obszarach. Na podstawie tej informacji jądro ogoniaste ustala sekwencję aktów ruchowych oraz optymalny sposób ich wykonania. Tak opracowany program jest przekazywany z jądra ogoniastego, za pośrednictwem wzgórza, do okolicy przedczołowej i przedruchowej, gdzie są ustalane programy poszczególnych ruchów dowolnych. Programy te są na bieżąco kodowane w pulach neuronalnych pierwotnej okolicy ruchowej i innych obszarach sterujących ruchem. Jakkolwiek ruchy dowolne są wyrazem świadomego działania człowieka, to jednak ulegają automatyzacji, gdy są często powtarzane, i wówczas mogą przebiegać bez udziału świadomości. W kontroli sekwencji ruchów zautomatyzowanych odgrywa rolę jądro ogoniaste. Dotyczy to chodzenia, obsługi urządzeń, kierowania samochodem, posługiwania się różnymi narzędziami, jazdy na rowerze itp. We wszystkich tych sytuacjach świadoma kontrola wykonywania tych czynności może być natychmiast przywrócona, gdy okoliczności wymagają modyfikacji ruchu. 297 Móżdżek * ?' Móżdżek znajduje się w tylnej jamie czaszki, nad mostem i rdzeniem przedłużonym. Pod względem anatomicznym składa się z robaka (vermis) i półkul móżdżku (rys. 11.17). W obrębie półkul móżdżku wyróżnia się płat przedni, płat tylny i część kłaczkowo-grudkową. Płat przedni i płat tylny uczestniczą w mechanizmach kontrolujących czynności ruchowe, natomiast część kłaczkowo-grudkową odgrywa rolę w mechanizmie utrzymania równowagi ciała. Pod względem wykonywanej czynności rozróżnia się trzy strefy móżdżku, ułożone w kierunku przyśrodkowo-bocznym: strefę środkową (obejmującą robak), strefę pośrednią i strefę boczną. W pierwszych dwóch strefach - pośredniej i bocznej, znajduje się reprezentacja poszczególnych części ciała. Mięśnie umiejscowione w pobliżu osi ciała, a więc mięśnie karku, barków, tułowia i bliższych (proksymalnych) odcinków kończyn mają przedstawicielstwa w strefie środkowej, natomiast mięśnie części dystalnych - rąk i stóp - w części pośredniej. Do tych obszarów dochodzi informacja z obwodu, tj. z receptorów w odpowiednich mięśniach, oraz z kory ruchowej, tj. z korowej reprezentacji tych mięśni. Z kolei Rys. 11.17. Budowa móżdżku; A - wygląd od strony grzbietowej; B - wygląd od strony brzusznej; C - przekrój móżdżku w płaszczyźnie strzałkowej, połączenia móżdżku z pniem mózgu; D - podział funkcjonalny móżdżku; E - reprezentacja części ciała w móżdżku. ? .. A " ' " ' ' C ' Kończyny "? ' ?'" ? '?' ? '' przednie Tułów . > środkowe D Część środkowa Część____(robak) pośrednia" t Część kłaczkowo-' -grudkowa 298 móżdżek wysyła impulsy do ośrodków ruchowych poszczególnych mięśni, również zgodnie ze wspomnianą organizacją schematu ciała. Nie wykazuje natomiast topograficznej organizacji strefa boczna. Wynika to z odmiennego charakteru jej funkcji; o ile poprzednie strefy korygują przebieg ruchów aktualnie wykonywanych (czyli będących w toku), o tyle strefa boczna koryguje, stosownie do aktualnej sytuacji, ruchy planowane lub zamierzone, a zatem wysyła odpowiednie impulsy jeszcze przed zainicjowaniem ruchu. W obrębie móżdżku wyróżnia się korę i jądra móżdżku. Kora móżdżku pełni funkcje aferentne, czyli przyjmuje informacje z obwodu i innych ośrodków o ruchach aktualnych i zamierzonych. Natomiast jądra móżdżku są systemem eferentnym - stąd wychodzą impulsy do ośrodków ruchowych korygujące ruchy zależnie od bieżącej sytuacji. . atl . .• ?,„ • -^:>: i Kora móżdżku ' ' - '' ' '•'' ' •' ' ' ? ' Kora móżdżku jest zbudowana z trzech warstw: drobinowej, komórek Purkinjego i komórek ziarnistych (rys. 11.18). Komórki Purkinjego są neuronami eferentnymi; ich aksony tworzą synapsy typu hamującego z neuronami w jądrach móżdżku. Dendryty komórek Purkinjego tworzą rozgałęzienia w warstwie drobinowej kory móżdżku. Do dendrytów tych dochodzą aksony komórek ziarnistych i tworzą z nimi synapsy pobudzające. Połączenia te są typu konwergencyjnego, tzn. kilka komórek ziarnistych uczestniczy w pobudzaniu jednej komórki Purkinjego. Pobudliwość komórek ziarnistych jest regulowana przez komórki Golgiego, pobudliwość zaś komórek Purkinjego - przez komórki koszyczkowe i gwiaździste. Oddziaływania te są oparte na ujemnych sprzężeniach zwrotnych, tzn. komórki Golgiego, koszyczkowe i gwiaździste hamują komórki, przez które zostały pobudzone. Warstwa drobinowa Komórki Purkinjego Włókno pnące Komórki: gwiaździsta koszyczkowa Rys. 11.18. Budowa kory móżdżku. Jądro oliwkowe dolne Komórki Golgiego Komórki ziarniste \ wierzchu jądro J«dro wsunięte z?»>ate z jąder mostu ? ?-!'''!) 299 Impulsy nerwowe dochodzą do móżdżku: 1) z receptorów narządu ruchu, tj. wrzecion mięśniowych, narządów ścięgnowych, torebek stawowych i więzadeł, 2) z narządów zmysłu dotyku, wzroku i słuchu, 3) z okolicy czuciowo-ruchowej kory mózgu i 4) z ośrodków ruchowych rdzenia kręgowego. W obrębie móżdżku impulsy te są przewodzone przez dwa rodzaje włókien nerwowych: włókna pnące i włókna kiciaste. Włókna pnące są aksonami neuronów znaj- dujących się w jądrze dolnym oliwki. Włókna kiciaste należą do neuronów innych jąder pośredniczących w przekazywaniu impulsów do móżdżku, jak jądra przedsionkowe, jądra mostu lub jądra siatkowate, albo też są zakończeniami dróg rdzeniowo-móżdżkowych. Celem włókien kiciastych są komórki ziarniste. Kolaterale tych włókien dochodzą do neuronów eferentnych w jądrach móżdżku. Synapsy tworzone przez włókna kiciaste są typu pobudzającego. Ma to duże znaczenie dla mechanizmu funkcjonowania móżdżku. Sygnały biegnące tymi włóknami pobudzają bowiem jednocześnie zarówno neurony eferentne w jądrach móżdżku, jak i komórki ziarniste. Pobudzenie komórek ziarnistych jest prze- kazywane dalej, do komórek Purkinjego, które z kolei hamują neurony jąder móżdżku. W ten sposób jądra móżdżku najpierw są pobudzane przez impulsy dochodzące bezpośrednio z włókien kiciastych, a wkrótce potem są hamowane przez komórki Purkinjego. bt>j W funkcjach móżdżku zaznacza się jego rozwój filogenetyczny. Najstarsza część, kłaczkowo-grudkowa, uczestniczy w utrzymaniu równowagi ciała. Części środkowa i pośrednia kontrolują prawidłowość przebiegu ruchu. Natomiast część boczna móżdżku - najnowsza - koryguje ruchy planowane jeszcze przed ich wykonaniem. Dopływ informacji do móżdżku Móżdżek jest połączony z pniem mózgu za pomocą trzech par konarów móżdżku (pedunculi cerebellares): przednich (anteriores), środkowych (medii) i tylnych (posteriores). Przez te konary przebiegają liczne drogi nerwowe do- i odmóżdżkowe. Móżdżek otrzymuje informacje o stanie narządu ruchu, o ruchu aktualnie wykonywanym, o stanie pobudzenia ośrodków ruchowych oraz o zakłóceniach równowagi ciała. ~ ?-..';' , Duża część informacji dochodzących do móżdżku pochodzi z receptorów w narządzie ruchu, a więc z wrzecion mięśniowych, ze ścięgien, więzadeł i torebek stawowych. Informują one móżdżek o stanie napięcia mięśniowego i o wzajemnym ułożeniu części kończyn. Do móżdżku docierają też impulsy z receptorów dotyku w skórze rąk i stóp. Niosą one informacje o skutkach ruchu, na przykład o kontakcie palców z przedmiotem albo stóp z podłożem. 300 Móżdżek jest też informowany o rozkładzie pobudzenia motoneuronów a w ośrodkach ruchowych rdzenia kręgowego. Pobudzenie to powstaje pod wpływem rozkazów otrzymywanych z okolicy ruchowej kory mózgu i jego rozkład, zwany kopią eferentną, odzwierciedla wzorzec pobudzeń neuronów piramidowych kory ruchowej w momencie wydania polecenia do ośrodków rdzeniowych. Na podstawie zintegrowanej informacji o kopii eferentnej, o aktualnym stanie narządu ruchu i o sytuacji w otoczeniu (otrzymanej z narządu wzroku) móżdżek może niemal „w ostatniej chwili" dokonać precyzyjnej korekty ruchu. Drogi rdzeniowo-móżdżkowe Część impulsów z rdzenia kręgowego dochodzi do móżdżku bezpośrednio, część za pośrednictwem jąder siatkowatych, jąder przedsionkowych i jądra oliwkowego dolnego. ;;? ?.^??'?•?/ i>ą\n;\:. ^..j - ;, Bezpośrednie połączenia są realizowane przez drogi rdzeniowo-móżdżkowe - tylną (grzbietową) i przednią (brzuszną). Droga rdzeniowo-móżdżkowa tylna (Flechsiga) bierze początek w zgrubieniach istoty szarej, zwanych słupami Clarke'a, znajdujących się u podstawy słupów tylnych. Do słupów Clarke'a dochodzą odgałęzienia aksonów tych samych neuronów czuciowych, które przewodzą Rys. 11.19. Główne drogi domóżdżkowe. Droga rdzeniowo- -móżdzkowa tylna (Flechsiga) Informacja z proprioceptorów o stanie narządu ruchu Informacja z interneuronów o stanie pobudzenia ośrodka ruchowego (kopia eferentną) Droga rdzeniowo- -móżdżkowa przednia (Gowersa) impulsy czucia głębokiego z proprioceptorów mięśni, ścięgien, stawów i więzadeł. Aksony komórek słupów Clarke'a biegną następnie w obrębie drogi rdzeniowo- -móżdżkowej tylnej w większości po tej samej stronie ciała i docierają do móżdżku przez konary móżdżku tylne. ?? ,, , , ? •-.<.. •?<.!. •, .. Droga rdzeniowo-móżdżkowa przednia (Gowersa) zaczyna się w części pośredniej istoty szarej rdzenia kręgowego, tj. między rogiem tylnym i przednim. Komórki dające początek tej drodze otrzymują głównie informacje o stanie pobudzenia ośrodków ruchowych (rys. 11.19). Droga rdzeniowo-móżdżkowa przednia dociera do obu półkul móżdżku przez konary móżdżku przednie. Pośrednio informacja z proprioceptorów dociera do móżdżku przez jądra siatkowate oraz jądro oliwkowe dolne. / ???-•? » • * • v? ' %"' Drogi korowo-móżdżkowe Informacja z kory mózgu osiąga móżdżek pośrednio - przez jądra mostu, jądra siatkowate i jądro oliwkowe dolne. Informacja ta pochodzi głównie z okolic ruchowej (pole 4) i przedruchowej (pole 6) i jest przekazywana do odpowiednich jąder drogami korowo-mostowymi, korowo-siatkowatymi i korowo-oliwkowymi. Móżdżek otrzymuje też impulsy z drogi wzrokowej oraz z mięśni poruszających gałką oczną. W jądrach mostu i jądrach siatkowatych znajdują się neurony, których aksony, zwane włóknami kiciastymi, dochodzą do kory móżdżku. Natomiast neurony znajdujące się w jądrze oliwkowym dolnym wysyłają do kory móżdżku włókna pnące. .Ąy Drogi odmóżdżkowe * ?? , .^..; Wszystkie drogi eferentne biorą początek w jądrach móżdżku. Dla regulacji czynności ruchowych mają znaczenie trzy jądra -jądro wierzchu (nucleus fastigii), jądro wsunięte (nucleus interpositus) i jądro zębate (nucleus dentatus). Pierwsze dwa jądra wysyłają włókna do rdzenia kręgowego. Biegną one najpierw do jąder przedsionkowych, jąder siatkowatych i do jądra czerwiennego. Tutaj rozpoczynają się drogi przedsionkowo- i siatkowo-rdzeniowa oraz droga czerwienno-rdzeniowa, które dochodzą do ośrodków ruchowych rdzenia. Za pomocą tych dróg móżdżek koryguje ruchy odbywające się aktualnie. Potwierdzają to wyniki badań elektrofiz- jologicznych, w których stwierdzono, że oba wspomniane jądra móżdżku wykazują nasiloną aktywność bioelektryczną w trakcie przebiegu ruchu. Włókna nerwowe z jądra zębatego podążają konarami przednimi móżdżku do jądra brzusznego bocznego (nucleus ventralis lateralis - VL) wzgórza, gdzie biorą początek połączenia wzgórzowo-korowe. Połączenia te dochodzą do okolicy czuciowo- -ruchowej kory, głównie do pola 4 i 6. W badaniach elektrofizjologicznych wykazano, że neurony jądra zębatego przejawiają wzmożoną aktywność bioelekt- ryczną, zanim zostanie wykonany ruch. Tą zatem drogą móżdżek modyfikuje polecenia, jakie mają być wysłane z obszaru ruchowego kory do ośrodków ruchowych rdzenia. 302 Mechanizm korekcji ruchów przez móżdżek os *« Jądra móżdżku są pobudzane przez włókna kiciaste i włókna pnące i są jednocześnie hamowane przez komórki Purkinjego. Gdy organizm aktualnie pozostaje w spoczyn- ku, pobudzenie jąder móżdżku nieco przeważa nad ich hamowaniem. Wskutek tego jądra móżdżku stale wytwarzają i wysyłają impulsy, głównie do rdzenia kręgowego. Natomiast w trakcie wykonywania czynności ruchowych, gdy włącza się regulacyjna czynność móżdżku, pobudzenie jąder móżdżku może zwiększać się lub zmniejszać. Procesy te mają podstawowe znaczenie dla korygowania przebiegu czynności ruchowych. Rozróżnia się cztery rodzaje korekcji ruchów przez móżdżek: 1) tłumienie ruchów oscylacyjnych, 2) korekcję ruchu aktualnie wykonywanego, 3) korekcję ruchu zamierzonego i 4) kontrolę ruchów szybkich (zwanych balistycznymi). Tłumienie ruchów oscylacyjnych Xi. Większość ruchów ma tendencję do przekraczania niezbędnego zakresu i do oscylacji. Tendencji tej móżdżek przeciwdziała w następujący sposób. Impulsy nerwowe powstałe w wyniku pobudzenia okolicy ruchowej kory mózgu biegną dwiema drogami. Jedną z nich jest droga korowo-rdzeniowa, którą polecenie wykonania ruchu biegnie bezpośrednio do ośrodków ruchowych rdzenia kręgowego. Drugą jest droga korowo-mostowa, dochodząca do jąder mostu. Z jąder tych impulsy nerwowe podążają do móżdżku i docierają zarówno do jądra wsuniętego, jak też do komórek ziarnistych. Pobudzenie jądra wsuniętego wyzwala serię impulsów biegnących przez jądro czerwienne do ośrodków ruchowych rdzenia kręgowego. Impulsy te, współdziałając z impulsami docierającymi tu przez drogi korowo-rdzeniowe, zwiększają stan pobudzenia tych ośrodków, a zatem przyczyniają się do nasilenia ruchu. Wkrótce potem pobudzenie komórek ziarnistych zostaje przekazane do komórek Purkinjego, a te z kolei hamują jądro wsunięte. Powoduje to nagłe przerwanie pobudzającego oddziaływania jądra wsuniętego na ośrodki rdzenia, a tym samym nagłe osłabienie ruchu w momencie, gdy spełnił on swe zadanie. Podobny mechanizm zapobiega pojawieniu się ruchów oscylacyjnych. Korekcja ruchu aktualnie wykonywanego V::.iATf ! OtSili-y.'.' Korygowanie ruchów opiera się na porównaniu zgodności aktualnych skutków ruchu z zakodowanym w korze ruchowej programem tego ruchu. Gdy wykonywanie ruchu okazuje się utrudnione z powodu pojawienia się przeszkody czy nieoczeki- wanego oporu, korze mózgu zostaje zasygnalizowana konieczność skorygowania wydanego polecenia. Otrzymawszy informację o napotkanym przez mięśnie oporze, kora ruchowa wysyła do ośrodków ruchowych rdzenia polecenie zwięk- szenia siły skurczu mięśni. Informacja niezbędna do korekcji ruchu pochodzi z mięśni i rdzenia kręgowego oraz z kory ruchowej. Źródłem informacji z rdzenia jest stan pobudzenia ośrodków ruchowych rdzenia, czyli obraz ruchu (kopia eferentna), który ma zostać wykonany. 303 Rys. 11.20. Mechanizm działania móżdżku. Móżdżek otrzymuje informacje o komendzie opracowanej w korze czuciowo-ruchowej, o stanie narządu ruchu i o rozkładzie pobudzenia w ośrodkach ruchowych. Po porównaniu tej informacji wysyła do kory mózgu polecenie skorygowania komendy. Dalsze objaśnienia w tekście. Kora czuciowo-ruchowa Kora czuciowo-ruchowa ruchu Okolica przedczołowa \ Korekcja komendy wstępne) Jądro wsunięte móżdżku Komenda Sta" wstępna narządu ^r ruchu Stan kopii eferentnej MIĘŚNIE Impulsy z mięśni i rdzenia oraz z kory mózgu „spotykają się" w części pośredniej móżdżku (rys. 11.20). Jeżeli w wyniku porównania informacji z tych źródeł okaże się, że program następnego mchu nie jest adekwatny do sytuacji, z jądra wsuniętego zostają wysłane impulsy zarówno do kory mózgu za pośrednictwem jąder brzusznego bocznego i brzusznego przedniego, jak też do rdzenia kręgowego za pośrednictwem jądra czerwiennego. W wyniku tego dochodzi do modyfikacji programu mchu w korze ruchowej oraz do uruchomienia mechanizmów rdzenio- wych zmieniających stan napięcia mięśni. Korekcja planu czynności ruchowej W korygowaniu planu czynności mchowej jest zaangażowana boczna część móżdżku i jądro zębate. Informacja o planie mchu pochodzi z okolicy przedmchowej i czuciowych okolic asocjacyjnych. Sygnał korygujący plan wychodzi z jądra zębatego i przez jądro brzuszne boczne wzgórza dochodzi do tych samych okolic asocjacyjnych kory. 304 Boczna część móżdżku narzuca też odpowiedni rytm takim szybkim czynnoś- ciom jak pisanie, mowa czy bieg. Ruchy balistyczne ' Do ruchów balistycznych zalicza się szybkie czynności ruchowe, jak pisanie na maszynie, gra na fortepianie czy skokowe ruchy gałek ocznych. Krótki czas trwania poszczególnych sekwencji tych ruchów sprawia, że nie jest możliwe korygowanie ich na podstawie informacji zwrotnej. Przypuszcza się, że ruchy te, zaprogramowane całościowo, są realizowane w sposób automatyczny, a rola móżdżku polega na usprawnianiu tego automatyzmu. , ,,•*-. •?11 •' " • • , 4: T2» Rytmika czynności fizjologicznych " "Ij* .» •" "li ^1 I.JH t I1 ! w arunki środowiska naturalnego nie są stałe. Zwierzęta muszą nie tylko precyzyjnie reagować na aktualne warunki, na przykład zwiększać tempo przemiany materii w chłodzie, a zmniejszać je podczas upału, lecz także dostosowywać swe funkcje do późniejszej pory roku, na przykład synchronizować behawior seksualny tak, by zrodzone potomstwo przyszło na świat w najkorzystniejszym dla niego czasie. Dlatego też ważnym elementem zdolności adaptacyjnych zwierząt jest rytmika funkcjonowania ich organizmów. Rodzaje rytmów biologicznych. Podstawowe pojęcia i terminologia Rytmem biologicznym nazywa się cykliczne nasilanie się i zmniejszanie wszelkich przejawów aktywności życiowej organizmów roślinnych i zwierzęcych. Rytmy biologiczne mogą być sterowane przez czynniki zewnętrzne, jak warunki oświetlenia, temperatura, wilgotność powietrza. Rytmy takie nazywa się zewnątrzpochodnymi (egzogennymi), a kontrolujące je czynniki - synchronizato- rami lub wyznacznikami rytmów14. Funkcje fizjologiczne mogą jednak za- chowywać charakterystyczną dla nich rytmikę również przy braku właściwego synchronizatora. Tego rodzaju spontaniczny rytm nazywa się wewnątrzpochod- nym (endogennym). Steruje nim wewnątrzustrojowy mechanizm zwany zegarem biologicznym. Najpowszechniej spotykanymi rytmami są rytmy słoneczne, zgodne z obrotem Ziemi wokół własnej osi. Nazywa się je rytmami okołodobowymi, ponieważ zwierzęta utrzymywane w niezmiennych warunkach oświetlenia zachowują cyk- liczność zbliżoną do dobowej, która jednak niezupełnie pokrywa się z 24 godzinami cyklu słonecznego i może wynosić od 20 do 28 godzin. U człowieka rytmice dobowej podlega sekwencja stanów czuwania i snu, podziały komórkowe, W piśmiennictwie używa się też niemieckiego terminu Zeitgeber (dosłownie: dawca czasu). 306 temperatura ciała, wydzielanie wielu hormonów, pobieranie pokarmu, stężenie glukozy i innych substancji we krwi, a także wydajność umysłowa. U niektórych zwierząt rytmy okołodobowe przebiegają zgodnie z okresem doby gwiazdowej (23 godziny 56 minut 4 sekund) lub księżycowej (24 godziny 50 minut). Synchronizatorami ich są czynniki, które zależą od położenia Słońca i Księżyca względem Ziemi, jak poziom wód oceanicznych (tzw. pływy), pole magnetyczne Ziemi, jonizacja atmosfery, ciśnienie atmosferyczne. Rytmy krótsze od 20 godzin, tzw. infradialne, dotyczą takich funkcji fizjologicznych, jak ciśnienie krwi, tętno, oddychanie, ruchy przewodu pokar- mowego oraz drobne oscylacje stężenia niektórych hormonów we krwi (np. kortyzolu, insuliny), a także faz snu. Z rytmów dłuższych od okołodobowych ważne znaczenie mają księżycowe (lunarne) rytmy miesięczne. Podlegają im czynności rozrodcze niektórych zwierząt oraz cykle miesiączkowe u kobiet. Do rytmów długookresowych należą najczęściej spotykane rytmy roczne, przeważnie egzogenne, sterowane przez czas trwania jasnej części doby (tzw. fotoperiodu). Na szacowaniu przybywania czasu oświetlenia wiosną lub jego ubywania jesienią opiera się synchronizacja rytmów rozrodczych u wielu zwierząt dzikich i udomowionych. Genetyczny mechanizm rytmiki czynności biologicznych Pierwsze badania rytmiki czynności biologicznych wykonywano na roślinach. W 1729 r. d'Ortous de Mairan zauważył, że liście heliotropu otwierają się w dzień, a zamykają w nocy nawet wtedy, gdy roślina jest utrzymywana w stałych warunkach oświetlenia i temperatury. Obserwacja ta pokazała, że cykliczne otwieranie się i zamykanie liści jest sterowane przez nieznany wówczas mechanizm, tkwiący w organizmie samej rośliny. Możliwości wyjaśnienia tego mechanizmu pojawiły się dopiero w XX wieku wraz z rozwojem genetyki molekularnej. W 1967 r. Ehert i Trucco stworzyli koncepcję, według której mechanizm dobowej rytmiki funkcji komórki jest zakodowany w tzw. chronomie, czyli zespole genów strukturalnych i kontrolującego je genu operatorowego. Na podstawie informacji zakodowanej w genach strukturalnych syntetyzowane jest białko zwane zegarowym, ponieważ jego stężenie w komórce cyklicznie zwiększa się i zmniejsza w rytmie okołodobowym. Procesy czynnościowe komórki sterowane przez to białko nasilają się tylko w odpowiedniej porze doby, w innym zaś czasie przebiegają na niskim poziomie. Późniejsze badania potwierdziły, że w komórkach roślinnych i zwierzęcych występują związki o strukturze białek, które są wytwarzane w rytmie zgodnym z rytmiką procesów życiowych organizmu, a więc spełniają kryteria „białka zegarowego". Związki takie wykryto w zielonych glonach morskich Acetabularia (Hartwig i wsp., 1985), a także w bakteriach. Podobny molekularny mechanizm sterujący rytmami dobowymi występuje w komórkach muszki owocowej (Droso- phila melanogaster). 307 Muszka owocowa przejawia łatwą do obserwacji dobową rytmikę aktywności ruchowej. Konopka i Benzer (1971) stwierdzili, że rytmika ta zależy od genu, który nazwali genem per (od łac. period). Locus tego genu znajduje się na chromosomie płciowym X. Owady z niezmutowaną (tzw. dziką) formą tego genu iper+) przejawiają dobowe wahania ruchliwości również w warunkach stałego oświetlenia, co świadczy, że oscylacje te mają charakter 24-godzinnego rytmu endogennego. Mutacje genu per powodują zakłócenia tej rytmiki w taki sposób, że muszki mutanty pef przejawiają skrócony, 19-godzinny rytm aktywności, mutanty perŁ - wydłużony rytm 29-godzinny, aktywność zaś mutantów per0 jest całkowicie arytmiczna. Oprócz aktywności ruchowej, gen per kontroluje również rozwój owada, wpływając na powstawanie kolejnych linień larwalno-poczwarkowych. Bargiello i wsp. (1984) hodowali muszki w warunkach umożliwiających ustalenie, ile dojrzałych osobników powstaje w kolejnych okresach 2-godzinnych. W ten sposób można było określić przebieg linień w czasie. W populacji muszek z „normalnym" genem per liczba linień stopniowo wzrasta w jasnej części doby, a następnie zmniejsza się w fazie ciemnej. Rytmika ta jest zachowana również wtedy, gdy owady przez cały czas pozostają w całkowitej ciemności, co znaczy, że w pewnym stopniu zależy od mechanizmu wewnątrzustrojowego. Natomiast mutanty per0 przeobrażają się w sposób acykliczny, bez przyspieszenia i spowolnienia tego procesu w zależności od pory doby. Defekt ten udało się skorygować, wprowadzając do ich genomu gen per pobrany od normalnego „rytmicznego" osobnika. Zmutowane owady przeobrażały się wówczas cy- klicznie. ;» Dalsze badania pozwoliły wykazać charakter funkcjonowania genu per. Steruje on syntezą specjalnego „białka zegarowego". Białko to, powstające w procesie translacji na rybosomach, po osiągnięciu odpowiedniego stężenia w cytoplazmie wnika do jądra komórki i hamuje dalszy proces transkrypcji, czyli powstawanie mRNA dla tegoż białka. Transkrypcja może być wznowiona dopiero wtedy, gdy białko ulegnie degradacji i jego stężenie w jądrze się zmniejszy. Mechanizm ten powoduje, na zasadzie ujemnego sprzężenia zwrotnego, os- cylacyjne wahania stężenia mRNA, który stanowi matrycę dla tego białka (Hardin, 1990). W dalszych badaniach wykazano, że w wewnątrzkomórkowym mechanizmie rytmiki domowej odgrywa rolę jeszcze inny gen, nazwany timeless {Hm), którego locus znajduje się na chromosomie autosomalnym 2 (Myers i wsp., 1995). Muszki tim°, ze zmutowanym genem tim, nie wykazują dobowej rytmiki aktywności ruchowej, choć mają prawidłowy gen per+. U normalnych muszek każdy z tych genów syntetyzuje odpowiednie białko - Per i Tim. Białko Per, powstałe w cytoplazmie, może wejść do jądra tylko wtedy, gdy zwiąże się z aktywnym białkiem Tim, również powstałym w cytoplazmie. Wówczas oba białka, znalazłszy się w jądrze, hamują proces transkrypcji, czyli powstawanie właściwego dla siebie mRNA (Reppert i Sauman, 1995; Myers i wsp., 1995). Synteza nowych cząsteczek białek Per i Tim zostaje przerwana do czasu, aż stare cząsteczki, które weszły do jądra, ulegną unieczynnieniu (rys. 12.1). 308 Rys. 12.1. Oscylacje białek zegarowych Per i Tim. Per Tim mRNA Cytoplazma Gdy muszki są trzymane w całkowitej ciemności, opisany wyżej cykliczny proces powoduje, że w kolejnych odstępach 11-12-godzinnych (czyli w ciągu tzw. subiektywnej nocy) zwiększa się stężenie białek Per i Tim, potem białka te wchodzą do jądra i w ciągu następnych 11-12 godzin (tzw. subiektywnego dnia) zmniejsza się stężenie mRNA z tym, że zmiany stężenia mRNA są opóźnione o około 6 godzin w stosunku do zmian stężenia białek. Cykl ten ma zatem charakter rytmu endogennego. W warunkach normalnej sekwencji światła i ciemności cykl ten jest regulowany przez światło, tzn. największe stężenie obu białek w cytoplazmie stwierdza się w środku rzeczywistej nocy, najmniejsze zaś w ciągu dnia. U muszek trzymanych w ciemności włączenie światła na godzinę powoduje zmianę cyklu. Gdy dzieje się to w czasie „subiektywnej nocy", podczas oświetlania zmniejsza się stężenie białka Tim w cytoplazmie i wówczas białko Per nie wchodzi do jądra. Po zgaszeniu światła wzrasta stężenie białka Tim i oba białka wnikają do jądra, lecz później, niżby to nastąpiło bez bodźca świetlnego. Oznacza to opóźnienie fazy cyklu. Bardziej złożona sytuacja zachodzi, gdy światło włącza się na godzinę podczas „subiektywnego dnia". Wówczas białka Per i Tim, znajdujące się w jądrze komórki, ulegają degradacji i już nie hamują procesu transkrypcji. Zwiększa wtedy 309 stężenie mRNA, przyspiesza się proces translacji i białka wcześniej gromadzą się w cytoplazmie. W wyniku tego dochodzi do przyspieszenia fazy cyklu (Myers i wsp., 1996; Lee i wsp., 1996). Wyniki powyższych doświadczeń pozwalają sądzić, że w podobny sposób światło synchronizuje okołodobowy cykl biochemiczny w komórkach muszki podczas naturalnej sekwencji dnia i nocy. Za główny oscylator wrażliwy na światło uważa się układ białko Tim i jego mRNA. Największe stężenie tim mRNA w komórce występuje wczesnym wieczorem, najmniejsze zaś o świcie. W takim samym rytmie, lecz z 6-godzinnym opóźnieniem, oscyluje Tim, z najwyższym poziomem w godzinach nocnych, a najniższym w ciągu dnia. Przy odpowiednim stężeniu Tim powstaje kompleks Tim-Per. Tylko w takim związku białko Per może wniknąć do jądra komórki. Podobny molekularny oscylator może sterować rytmiką dobową u zwierząt wyższych ewolucyjnie, choć jest on zapewne o wiele bardziej złożony. U myszy rolę w tym mechanizmie może odgrywać gen clock (Vitaterna i wsp., 1994). Mutację tego genu wywoływano, wstrzykując myszom mutagen - N-etylo-N-nitro- zomocznik, wskutek czego ich potomstwo wykazywało zakłócenie dobowej rytmiki aktywności ruchowej, mierzonej intensywnością obracania kołem. Neurofizjologiczny mechanizm sterowania rytmem okołodobowym Sterowanie rytmiką funkcji fizjologicznych u kręgowców opiera się na działaniu oscylatorów, czyli sieci nerwowych lub ośrodków o zmiennym nasileniu aktywności w różnych porach doby. Oscylatory te funkcjonują autonomicznie, generując rytmy wolnobiegnące, bez udziału czynnika zewnętrznego, i modyfikują, tj. nasilają i osłabiają, czynność ośrodków nerwowych, gruczołów wydzielania wewnętrznego i innych narządów. Jednak do pełnej synchronizacji tych rytmów z dobową sekwencją dnia i nocy konieczne jest działanie światła na fotoreceptory nie związane z czynnością widzenia. U kręgowców niższych główną rolę synchronizatora rytmów dobowych pełni szyszynka, anatomicznie oddzielona od układu wzrokowego. Szyszynka tych zwierząt jest nie tylko oscylatorem, lecz także narządem recepcyjnym, wrażliwym na warunki oświetlenia. U ssaków szyszynka stała się wyłącznie gruczołem wydzielania wewnętrznego, a rolę oscylatorów przejęły ośrodki mózgowe, które otrzymują informacje o warunkach oświetlenia z siatkówki oka. Siatkówka oka ssaków jest nie tylko częścią układu wzrokowego, lecz także odbiera informacje o warunkach oświetlenia, które służą synchronizacji rytmów biologicznych z dobową sekwencją dnia i nocy. Przekazywanie tych informacji z fotoreceptorów do ośrodków mózgowych odbywa się prawdopodobnie za pośrednictwem odrębnych komórek zwojowych siatkówki. Informacja o warunkach oświetlenia dociera do dwóch głównych ośrodków - jądra nadskrzyżowaniowego i ciała kolankowatego bocznego, a także do roz- proszonych obszarów w obrębie podwzgórza. 310 Jądro nadskrzyżowaniowe ^ j .? .--,,..-k , ,^ - ..,???*. ^ . ,r. U ssaków rytmiką dobową czynności fizjologicznych steruje jądro nadskrzyżowa- niowe (nucleus suprachiasmaticus) podwzgórza. Jego nazwa pochodzi od bliskiego sąsiedztwa ze skrzyżowaniem nerwów wzrokowych. Impulsy nerwowe z jądra nadskrzyżowaniowego są przekazywane do tych ośrodków podwzgórza, które regulują procesy fizjologiczne o cyklicznym przebiegu, a więc wydzielanie hormonów z wyraźnie zaznaczoną rytmiką dobową, takich jak hormony gonado- tropowe, prolaktyna czy hormon wzrostu, utrzymanie temperatury ciała, pobieranie pokarmu, wydalanie moczu. Poza tym w jądrze nadskrzyżowaniowym bierze początek długa droga do ośrodków współczulnych w odcinku piersiowym rdzenia kręgowego. Z ośrodków tych wychodzą dalsze włókna do szyszynki, gruczołu wydzielania wewnętrznego wydzielającego hormon melatoninę (rys. 12.2). Jądro nadskrzyżowaniowe pełni rolę centralnego rozrusznika, którego aktyw- ność wzrasta w jasnej fazie doby, zmniejsza się zaś w fazie ciemnej. Świadczą o tym wyniki badań z zastosowaniem różnych technik doświadczalnych. W jasnej fazie doby zaznacza się większa aktywność neuronów tego jądra niż w fazie ciemnej, stwierdzona na podstawie rejestracji potencjałów elektrycznych. Zjawisko to utrzymuje się po przecięciu połączeń jądra nadskrzyżowaniowego z innymi strukturami, w tym też z siatkówką (Inouye i Kawamura, 1982). Można więc sądzić, że wahania czynności neuronów są wyrazem endogennego rytmu za- chodzącego w sieci nerwowej tego jądra. Neurony jądra nadskrzyżowaniowego absorbują więcej radioaktywnej 2-deoksyglukozy, jeśli związek ten wstrzyknięto szczurom w jasnej fazie, absorbują go zaś mniej w ciemnej fazie doby (Schwarz Rys. 12.2. Neurofizjologiczny mechanizm rytmiki dobowej. Melatonina _- Szyszynka | do ośrodków sterujących: - pobieraniem pokarmu -wydzielaniem hormonów -termoregulacją - rozrodem Skrzyżowanie nerwów wzrokowych Zwoje 1] wspótczulne ((#vr Rdzeń kręgowy 311 i Gainer, 1977). Coraz więcej danych wskazuje na to, że warunki oświetlenia działają za pośrednictwem mechanizmu molekularnego. Na przykład u szczurów wystawionych na działanie światła obserwowano zwiększone wytwarzanie białka Fos w komórkach jądra nadskrzyżowaniowego (Aronin i wsp., 1990), co świadczy o tym, że światło nasila procesy biochemiczne w tym jądrze. Komórki jądra nadskrzyżowaniowego wykazują rytmiczne wahania aktywności również w skrawkach podwzgórza hodowanych w sztucznym środowisku poza ustrojem zwierzęcia, co przemawia za tym, że jądro to jest rozrusznikiem rytmu endogennego. Właściwość ta powoduje, że czynności fizjologiczne podlegające rytmice okołodobowej zachowują charakterystyczny oscylacyjny przebieg również u zwierząt trzymanych w stałej ciemności. Rytm ten, podobnie jak opisana wyżej rytmika aktywności ruchowej u muszki owocowej, ma podłoże genetyczne. Wykazano to w następującym eksperymencie. Wygodnym sposobem badania rytmiki dobowej u ssaków jest stały pomiar aktywności ruchowej, polegającej na obracaniu przez zwierzę umieszczonego w klatce walca. Obroty są analizowane przez komputer. Klatka jest oświetlona sztucznym światłem, najczęściej przez 12 godzin w ciągu doby (fazę tę oznacza. się literą L, od ang. light - jasny), natomiast przez pozostałych 12 godzin panuje ciemność (faza D, od ang. dark - ciemny), dlatego te warunki oświetlenia oznacza się symbolem LD, często z zaznaczeniem czasu trwania każdej z tych faz (np. LD 12: 12, gdy obie fazy są równe). Zwierzęta aktywne nocą, jak szczury czy chomiki, obracają intensywnie walcem w ciemnej fazie doby (D), a wykonują tylko sporadyczne obroty w fazie jasnej (L). Ten wzorzec zachowania utrzymuje się również wtedy, gdy po kilku dobach oświetlenia według schematu LD 12:12 zapanuje całkowita ciemność (DD). Okresy aktywności zwierząt przeplatają się wówczas z okresami spoczynku mimo braku zewnętrznego synchronizatora, zgodnie z endogennym rytmem okołodobowym (zwykle nieco dłuższym od 24 godzin). Znana jest jednak zmutowana linia genetyczna chomików, u których w całkowitej ciemności (DD) fazy wzmożonej i zmniejszonej aktywności powtarzają się w krótszym rytmie, co 20 godzin. Dobowa rytmika aktywności ruchowej, zarówno sterowana światłem, jak też endogenna, jest zniesiona po uszkodzeniu jądra nadskrzyżowaniowego. Endogenną rytmikę udało się przywrócić, wszczepiając do mózgu chomika fragment płodowej tkanki mózgowej zawierającej jądro nadskrzyżowaniowe. Czas trwania tak restytuowanego cyklu trwał około 24 godzin, gdy dawcą był płód linii normalnej, a około 20 godzin, gdy przeszczep pochodził od płodu linii zmutowanej. Nie miało natomiast znaczenia, do której linii należało zwierzę otrzymujące przeszczep (Ralph i wsp., 1990). Synchronizacja rytmów dobowych Najważniejszym synchronizatorem rytmów okołodobowych jest sekwencja światła i ciemności. Przy występowaniu takiej sekwencji czy to w warunkach naturalnych, czy doświadczalnych sterowane przez światło rytmy są rytmami egzogennymi; ich maksima i minima pokrywają się dokładnie z fazami cyklu świetlnego. 312 Zarówno w warunkach stałego oświetlenia (LL), jak i stałego braku światła (DD) rytm egzogenny jest zastępowany przez swobodnie biegnący (spon- taniczny) rytm endogenny. Rytm ten może wówczas wydłużać się lub skracać względem odpowiadającego mu rytmu egzogennego. W przebiegu rytmu en- dogennego Aschoff (1960) dostrzegł pewne prawidłowości, które ujął w trzy reguły: 1. W warunkach stałego oświetlenia (LL) rytm swobodnie biegnący ulega skróceniu u zwierząt aktywnych w dzień, natomiast wydłuża się u zwierząt aktywnych w nocy. 2. W warunkach stałej ciemności (DD) rytm swobodnie biegnący, odwrotnie, ulega wydłużeniu u zwierząt aktywnych w dzień, natomiast skraca się u zwierząt aktywnych w nocy. 3. W warunkach stałego oświetlenia (LL) faza, w której organizm jest bardziej aktywny, wydłuża się u zwierząt „dziennych", natomiast skraca się u zwierząt „nocnych". Rytm o swobodnym przebiegu, który w warunkach kilkudobowej całkowitej ciemności uległ znacznemu przesunięciu względem właściwego mu rytmu egzo- gennego, ulega szybko normalizacji w obecności synchronizatora. Wykazano, że nawet krótkotrwałe błyski światła stosowane w warunkach stałej ciemności powodują przesunięcie faz tego rytmu. Zjawisko to zostało wykorzystane u ludzi w leczeniu światłem (fototerapii) zaburzeń snu. < Oprócz światła synchronizatorem rytmu okołodobowego może być temperatura otoczenia, dostępność pokarmu lub czynnik socjalny. Na przykład u ptaka izolowanego od otoczenia wykazano, że swobodnie biegnący rytm aktywności ulegał synchronizacji z 24-godzinnym cyklem dobowym, gdy w odpowiedniej fazie cyklu odtwarzano z taśmy magnetofonowej pieśń ptaka tego samego gatunku (Aschoff, 1980). Ważne znaczenie z praktycznego punktu widzenia mają badania nad przystosowaniem się zwierząt do nagłych zmian dobowego cyklu świetlnego. Chomikowi przebywającemu w warunkach sztucznego oświetlenia typu LD 12: 12 przyspieszono o 8 godzin początek każdej fazy cyklu. Zwiększona aktywność ruchowa zwierzęcia mierzona obracaniem walca początkowo przypada- ła na fazę ciemną starego cyklu i częściowo zachodziła na fazę jasną nowego cyklu, potem stopniowo się przesuwała, tak że dopiero po 10 dobach stała się w pełni zgodna z nową fazą ciemną. Jeżeli jednak bezpośrednio po „zmianie czasu" na początku pierwszej (przyspieszonej) fazy ciemnej przeniesiono zwierzę na 2 godziny do innej klatki, wyposażonej w podobny walec, chomik natychmiast przystępował do obracania nim, a potem, gdy wrócił do starej klatki, od razu przejawiał aktywność ruchową zgodną z nowym cyklem świetlnym (Mrosovsky i Salmon, 1987). Przedstawione wyżej wyniki wskazują, że okołodobowa rytmika czynności fizjologicznych u ssaków, podobnie jak u owadów, a nawet u roślin, podlega dwom mechanizmom - endogennemu i egzogennemu. Mechanizm endogenny, zależny od wewnątrzustrojowego „zegara biologicznego", ma pewną autonomię, tzn. może 313 wyznaczać cykliczność rytmów swobodnie biegnących. Choć w normalnych warunkach mechanizm endogenny jest podporządkowany zewnętrznemu syn- chronizatorowi, jednak znaczny stopień autonomii zapewnia mu oporność na nagłe zmiany faz światła i ciemności (Mistlberger i Rusak, 1994). . . , -. Okołodobowa rytmika czynności fizjologicznych i psychicznych u człowieka Jak wykazały badania na szczurach, czynności fizjologiczne płodu są syn- chronizowane przez wpływy organizmu matki i podobna zależność występuje prawdopodobnie również, przynajmniej pod koniec ciąży, u płodu ludzkiego. U dorosłego człowieka rytmice dobowej podlegają czynności zarówno fizjologiczne, jak i psychiczne. l!1 Rytmika czuwania i snu Dobowa sekwencja stanu czuwania i snu wykształca się stosunkowo późno po urodzeniu. Pierwsze cechy tej rytmiki zaznaczają się dopiero w trzecim lub czwartym miesiącu życia. W ciągu doby występuje wtedy cztery lub pięć okresów snu, przy czym dwie trzecie czasu przeznaczonego na sen przypada na porę nocną. Sen nocny ustala się w pełni u dziecka półrocznego. Podobnie jak u zwierząt, rozrusznikiem sterującym sekwencją czuwania i snu jest u człowieka jądro nadskrzyżowaniowe podwzgórza. Jak wykazały badania na ochotnikach, cykliczność czynności fizjologicznych utrzymuje się również u ludzi całkowicie izolowanych od warunków zewnętrznych. Steruje nią wówczas mechanizm endogenny w rytmie średnio 25-godzinnym. W warunkach normalnych wewnątrzustrojowy „zegar biologiczny" jest korygowany przez zewnętrzne synchronizatory. Choć za główny synchronizator dobowej aktywności życiowej człowieka uważa się środowisko społeczne, ostatnie badania wskazują, że nie mniej ważną rolę, jak u zwierząt, odgrywa sekwencja światła i ciemności. Dobowym wahaniom podlega nie tylko sekwencja czuwania i snu, lecz także zdolność zmiany tych stanów, a więc łatwość zasypiania i skłonność do budzenia się. Rytmika czynności fizjologicznych Oprócz stanów czuwania i snu rytmice dobowej podlega u człowieka temperatura ciała, czynność przewodu pokarmowego, czynność układu krążenia, oddychanie, wydalanie elektrolitów w moczu, napięcie układu wegetatywnego (w dzień przeważa układ współczulny, w nocy przywspółczulny), wydzielanie hormonów kory nadnerczy i tarczycy, prolaktyny, hormonu wzrostu, melatoniny i insuliny (Kryger i wsp., 1994). Rysunek 12.3 pokazuje najważniejsze czynności organizmu człowieka pod- legające wahaniom w ciągu doby. Temperatura ciała, najniższa w godzinach rannych, stopniowo wzrasta osiągając szczyt wieczorem, po czym obniża się nocą. 314 °c 37- 36- Temperatura J Rys. 12.3. Rytmika niektórych czynności fizjologicznych u człowieka. i,'.- (ig/100ml 15-1 Kortyzol 0- ng/ml 15-ł 0- Hormon wzrostu i i i i i i i i r 6 12 18 24 6 12 18 24 6 Godziny Stężenie we krwi kortyzolu - hormonu kory nadnerczy, jest największe wczesnym rankiem, przed obudzeniem się, potem się zmniejsza, osiągając najniższy poziom wieczorem. Poziom melatoniny w płynach ustrojowych jest kilkakrotnie wyższy w dzień niż w nocy. Wydzielanie potasu z moczem jest większe w dzień niż w nocy. W sterowaniu niektórymi z wymienionych czynności prawdopodobnie biorą udział różne rozruszniki, częściowo zależne od centralnego rozrusznika w jądrze nadskrzyżowaniowym. Na przykład rytmiką wydzielania kortyzolu steruje rozrusz- nik umiejscowiony prawdopodobnie w korze nadnerczy. Z kolei wydzielanie hormonu wzrostu jest skorelowane z fazą snu. Poza tym w wydzielaniu niektórych hormonów zaznacza się cykliczność krótsza od dobowej (tzw. infradialna). W przypadku kortyzolu są do drobne oscylacje na tle głównego rytmu dobowego. Z kolei stężenie insuliny zwiększa się i zmniejsza w związku z pobieraniem pokarmu. Rytmika czynności psychicznych '! ' . •? ! -•-< "-r!,, Spośród czynności psychicznych rytmice dobowej podlega poziom czujności, nastrój i wydolność umysłowa. Poziom czujności określa sam badany według wizualnej skali analogowej. Krańcowym stanem z lewej strony skali jest trudna do przezwyciężenia senność (0% czujności), z prawej - pełna rześkość (100% czujności). Tak mierzony poziom czujności jest stosunkowo niski rano po obudzeniu się, potem wzrasta, osiąga szczyt między godziną 12.00 a 14.00, a następnie znów obniża się ku wieczorowi. Wahań poziomu czujności nie należy mylić z dobowymi wahaniami skłonności do snu. Ta ostatnia cecha, wraz ze stopniem deprywacji snu, wyraża stopień łatwości zaśnięcia w różnych porach doby (patrz s. 345). 315 Dobowa rytmika nastroju jest słabo wyrażona w warunkach normalnych, aczkolwiek u niektórych osób stwierdzono, że samopoczucie, nie najlepsze po obudzeniu się, poprawia się około południa, gdy zwiększa się poziom czujności i motywacji. Natomiast przy nagłej zmianie faz rytmu dobowego z reguły rano występuje stan obniżonego nastroju. Monk (1994) izolował od bodźców otoczenia mężczyzn w średnim wieku, z zachowaniem normalnej dobowej rytmiki oświetlenia i ciemności. Po kilku dniach, nie informując o tym badanych, przyspieszył o 6 godzin fazy rytmu dobowego. Wówczas, między godziną 6.00 a 8.00 nowego czasu, u badanych pojawiał się stan, który kwalifikowali oni jako uczucie smutku. Nastrój badanych poprawiał się w godzinach wieczornych. Poglądy na dobowy rytm wydajności psychicznej są kontrowersyjne. Gdy zaczęto badać to zagadnienie metodami obiektywnymi, uzyskiwano różne krzywe w zależności od stosowanych testów. Na przykład zadanie polegające na wy- szukiwaniu określonej litery w pokazywanym badanemu tekście było wykonywane stosunkowo wolno wcześnie rano, natomiast znacznie lepiej około południa. Odwrotnie, test polegający na zapamiętywaniu fragmentu prozy badani wykonywali najlepiej w godzinach rannych. Dlatego sądzi się, że różne czynności psychiczne podlegają specyficznej rytmice, zależnej od odrębnych oscylatorów neuronalnych. Odrębne oscylatory regulują też rytmikę niektórych czynności fizjologicznych. U człowieka o regularnym trybie życia wszystkie te oscylatory działają w sposób skoordynowany, co składa się na tzw. synchronizację wewnętrzą rytmów około- dobowych. Do desynchronizacji tych rytmów dochodzi najczęściej przy przesunięciu faz snu, czy to w wyniku pracy zmianowej, czy też wskutek tzw. choroby transatlantyckiej. Choroba transatlantycka (jet lag) Chorobą transatlantycką nazywa się zespół objawów psychicznych, które pojawiają się po podróży lotniczej w kierunku powodującym przekroczenie co najmniej trzech stref czasowych. Choroba transatlantycka zależy od trzech czynników: desynchronizacji zewnętrznej, desynchronizacji wewnętrznej i zaburzeń snu spowodowanych brakiem właściwego współdziałania w czasie między różnymi narządami i układami organizmu (Graeber, 1994). Desynchronizacja zewnętrzna polega na dysocjacji między wskazaniami „zegara wewnętrznego", właściwymi dla strefy czasowej początku podróży, a zewnętrznymi synchronizatorami (światło/ciemność, temperatura otoczenia, czynniki socjalne) rytmów biologicznych w nowym miejscu pobytu. Innymi słowy, gdy lecąc na zachód cofamy wskazówki zegarka, nasz „wewnętrzny zegar" wyprzedza zewnętrzny czas lokalny. Gdy przybyłego ogarnia senność, „tubylcy" jeszcze pracują. I odwrotnie, gdy lecąc na wschód przesuwamy wskazówki zegarka do przodu, nasz „wewnętrzny zegar" jest opóźniony względem czasu lokalnego. Gdy gospodarze kładą się spać, przybyły gość jeszcze nie odczuwa potrzeby snu (rys. 12.4). ? ; !f o Istotą desynchronizacji wewnętrznej jest rozkojarzenie okołodobowej rytmiki różnych funkcji organizmu, takich jak wydzielanie hormonów, trawienie, wydalanie, regulacja krążenia krwi itp. Normalnie czynności te pozostają we wzajemnej 316 Rys. 12.4. Choroba transatlantycka. Podróż na zachód Spal Podróż dobrze w domu Musi opóźnić fazę Podróż na wschód St f. }i Spał Podróż Musi ^ dobrze przyspieszyć fazę w domu ...................... Skłonność do snu podróżnego Skłonność do snu mieszkańców kraju docelowego harmonii i są zsynchronizowane z czynnikami zewnętrznymi, natomiast w chorobie transatlantyckiej ich maksima i minima są rozkojarzone i nie odpowiadają aktualnym potrzebom organizmu. Zaburzenia snu, będące konsekwencją dwóch pierwszych czynników, stanowią znaczną dolegliwość, która utrudnia przybyszowi włączenie się w rytm aktywności miejscowego społeczeństwa. Choroba transatlantycka utrzymuje się zwykle przez kilka dni i stwarza poważny problem dla podróżujących dyplomatów, naukowców i ludzi interesu. Człowiek ma pewną zdolność przystosowania się do zmian czasu, która w wyniku treningu wzrasta u osób często podróżujących, na przykład u załóg samolotów. Możliwości te zmniejszają się po 50. roku życia. Obserwuje się także różnice indywidualne. Znaczenie ma również kierunek podróży. Bardziej „fizjologiczne" są podróże w kierunku zachodnim, ponieważ wówczas adaptacja do nowej strefy czasowej początkowo wymaga wydłużenia endogennego rytmu okołodobowego, a więc zgodnie z właściwym człowiekowi swobodnie biegnącym średnio 25-go- dzinnym cyklem. Inaczej jest z podróżą na wschód - endogenny rytm musi wtedy wbrew naturalnej tendencji ulec skróceniu. Podobnie bardziej dolegliwe jest „przestawienie" się z czasu zimowego na letni niż odwrotnie. 317 Przeciwdziałanie chorobie transatlantyckiej jest ważnym, dotychczas nie rozwiązanym zagadnieniem. Za korzystne uważa się natychmiastowe przejście na rytm aktywności obowiązujący w miejscu docelowym. Przy podróży na wschód zaleca się po przybyciu do celu dwugodzinny sen, przerwany budzikiem, a następnie czuwanie z powstrzymaniem się od drzemek, aż do pory snu według nowego czasu. Ostatnio stało się rozpowszechnione stosowanie melatoniny, choć fala początkowego entuzjazmu wydaje się opadać. Schemat terapii tym hormonem zależy od kierunku podróży - przy podróżach na zachód zaleca się kilkudniową kurację po przybyciu do celu, natomiast przy podróżach na wschód należy zacząć przyjmować melatoninę na kilka dni przed podróżą. Rozważa się też możliwość resynchronizacji rytmu dobowego za pomocą światła (fototerapii), postępowanie to jest jednak dopiero w sferze projektów i trudno sobie wyobrazić zastosowanie tej metody na szerszą skalę u ogółu podróżujących. Rola melatoniny w rytmice czynności fizjologicznych Szyszynka jest gruczołem wydzielania wewnętrznego i pod względem anatomicz- nym należy do nadwzgórza. Rola szyszynki w regulacji rytmów biologicznych i mechanizm jej funkcjonowania różnią się znacznie w zależności od stopnia rozwoju ewolucyjnego danego gatunku. U kręgowców niższych szyszynka, podobnie jak siatkówka oka, zawiera fotoreceptory i stąd została nazwana „trzecim okiem". U ryb i płazów światło dociera do szyszynki przez cienką kość czaszki. U gadów i ptaków szyszynka w pewnym stopniu zachowała reaktywność na światło, stała się jednak również gruczołem wydzielania wewnętrznego. Ta rola szyszynki uległa dalszemu udoskonaleniu u ssaków. Chociaż u ssaków szyszynka nie odbiera bezpośrednio bodźców świetlnych, jej czynność jest w dalszym ciągu regulowana przez warunki oświetlenia. Regulacja ta odbywa się za pośrednictwem omówionego wyżej jądra nadskrzyżowaniowego. Informacja z tego jądra osiąga szyszynkę po przebyciu długiej trzyetapowej drogi, biegnącej przez rdzeń kręgowy. Pierwszy etap prowadzi do ośrodków współczulnych w górnych (przednich) segmentach odcinka piersiowego rdzenia. W ośrodkach tych biorą początek włókna przedzwojowe podążające do zwoju szyjnego górnego. Trzecim etapem są włókna zazwojowe, które po wyjściu z tego zwoju wchodzą do czaszki i docierają do szyszynki. U większości gatunków zwierząt na zakończeniach tych włókien uwalnia się przekaźnik noradrenalina, który działa na receptory P-adrenergiczne w błonie komórek szyszynki (tzw. pinealocytów) i powoduje uwolnienie z nich hormonu melatoniny. Proces ten zachodzi wówczas, gdy na zewnątrz panuje ciemność, jest natomiast hamowany pod wpływem światła. Dlatego w ciemności stężenie melatoniny we krwi bywa 10 razy większe niż podczas pełnego oświetlenia. Dobowa rytmika wydzielania melatoniny odgrywa rolę w regulacji stanów snu i czuwania. Mechanizm tej regulacji nie jest dokładnie znany. Prawdopodobnie stężenie tego hormonu w płynach ustrojowych moduluje stan pobudzenia ośrodków snu w pniu mózgu. Oprócz rytmiki dobowej, wydzielanie melatoniny podlega 318 rytmice sezonowej, związanej ze zmienną długością nocy w cyklu rocznym. Wahania sezonowe stężenia mełatoniny odgrywają rolę w sterowaniu czynnościami rozrodczymi u zwierząt o rocznej cykłiczności aktywności seksualnej i rozrodczej. Przykładem takiego zwierzęcia jest chomik syryjski. Rozród u chomika przypada na miesiące letnie, jest natomiast zablokowany zimą, gdy długie noce i ciemność sprzyjają nasilonemu wydzielaniu mełatoniny. Przypuszcza się, że hamowanie rozrodu przez melatoninę jest głównie związane z jej hamującym działaniem na uwalnianie hormonów gonadotropowych w przysadce mózgowej. U człowieka wydzielanie mełatoniny różni się w zależności od okresu życia. Amplituda rytmu melatoninowego, tzn. różnica między maksymalnym stężeniem tego hormonu we krwi nocą i minimalnym stężeniem w ciągu dnia, wzrasta aż do okresu pokwitania, a następnie zmniejsza się z wiekiem. Może to mieć znaczenie dla regulacji neurohormonalnej w różnych okresach życia człowieka. Uważa się, że przyczyną zaburzeń snu u starców może być niski poziom mełatoniny w ciągu nocy. '• •^><>tl > T, "».V , "? \i--i. I ,<--*• . ii I , J ?<••?;» i i ', to ^ kil Czuwanie i sen •?u, .'i W połowie XX wieku ugruntował się pogląd, że dwoma przeciwstawnymi stanami funkcjonalnymi mózgu - czuwaniem i snem - sterują wyspecjalizowane ośrodki mózgowe. Zainteresowano się wówczas bliżej tworem siatkowatym (formatio reticularis). W 1949 r. Moruzzi i Magoun wykazali, że elektryczne drażnienie tworu siatkowatego u kota powoduje zmiany w elektroencefalogramie takie same, jak zadziałanie bodźca zewnętrznego (np. akustycznego). Odkrycie to zapoczątkowało badania, których uwieńczeniem było poznanie mózgowego podłoża procesów czuwania, snu i świadomości. Badanie czynności czuwającego mózgu metodą elektroencefalografii Technika elektroencefalograficzna (EEG) polega na odbieraniu potencjałów elektrycznych z dużych struktur mózgowych. Jeżeli neurony tych struktur wytwarzają potencjały w sposób nieskoordynowany, powstają z nich fale EEG o dużej częstotliwości, lecz małej amplitudzie, zwane falami szybkimi. Taką czynność EEG nazwano zdesynchronizowaną. Jeżeli czynność neuronów jest koordynowana przez określony nadrzędny ośrodek lub sieć nerwową w taki sposób, że elektrododatnie i elektroujemne wyładowania poszczególnych komórek odbywają się w tym samym czasie, wówczas zsumowane potencjały mają małą częstotliwość, lecz dużą amplitudę. Taka czynność EEG nazywa się zsyn- chronizowaną, a charakterystyczne dla niej fale - falami wolnymi (rys. 13.1). Fale wolne EEG występują u zwierząt podczas snu, a podczas czuwania towarzyszą stanom odprężenia, na przykład drzemce. Jednak gdy drzemiący pies lub kot usłyszy jakiś dźwięk, porusza się i obraca głowę w kierunku tego bodźca. Na uzyskanym wówczas elektroencefalogramie zauważylibyśmy, że występujące podczas drzemki fale wolne zanikają i zamiast nich pojawiają się fale szybkie o niskiej amplitudzie. Przejście od fal wolnych do fal szybkich nazywa się desynchronizacją EEG. Jeżeli zwierzę, któremu przerwano odpoczynek, ponownie układa się do drzemki, fale szybkie zanikają i powracają fale wolne. Przejście od 320 Rys. 13.1. Desynchronizacja i synchronizacja czynności bioelektrycznej mózgu królika. Desynchronizacja EEG Synchronizacja EEG 100 Wrzeciono Wrzeciono fal szybkich do fal wolnych nazywa się synchronizacją EEG. Obudzenie się zwierzęcia pod wpływem bodźca i towarzyszącą temu zachowaniu desynchronizację EEG nazywa się reakcją wzbudzenia lub wzbudzeniem. Gdy bodziec jest słaby, może nie wywołać widocznej zmiany w zachowaniu zwierzęcia, powoduje natomiast desynchronizację EEG. Stan taki nazywa się elektroencefalograficzną reakcją wzbudzenia. Natomiast gdy przy większej intensywności bodźca oprócz desyn- chronizacji EEG w zachowaniu zwierzęcia pojawiają się oznaki pobudzenia, stan taki nazywa się behawioralną reakcją wzbudzenia. Elektroencefalograficzną i behawioralną reakcję wzbudzenia taką samą, jaka pojawia się pod wpływem bodźców naturalnych, Moruzzi i Magoun obserwowali podczas drażnienia prądem elektrycznym tworu siatkowatego. Odwrotnie, niewielkie uszkodzenie tworu siatkowatego powoduje u kotów stan głębokiej śpiączki. Podobne zaburzenie, wyrażające się utratą świadomości, występuje w przypadkach uszkodzeń tej struktury u ludzi. Z badań tych wyciągnięto wniosek, że czynność fizjologiczna tworu siatkowatego polega na utrzymywaniu mózgu w stanie czuwania. Twór siatkowaty i układ nieswoisty. Nieswoiste działanie na korę mózgu ^_______ - ; ? ' - . *i *,- ' ~ * * Układ siatkowaty oddziałuje zarówno w kierunku wstępującym - na korę mózgu, jak też w kierunku zstępującym - na rdzeń kręgowy. Działanie zstępujące odgrywa ważną rolę w regulacji napięcia mięśniowego. Działanie wstępujące, omawiane w tym rozdziale, służy utrzymaniu odpowiedniego tonusu ośrodków mózgowych, zwłaszcza kory mózgu. W pierwszym okresie badań mechanizm funkcjonowania tworu siatkowatego wyobrażano sobie następująco: impulsy nerwowe wywołane pobudzeniem recep- torów biegną w układzie nerwowym niejako dwoma torami. Głównym celem impulsów są ośrodki czuciowe (sensoryczne), swoiste dla poszczególnych rodzajów (modalności) czucia (wzroku, słuchu, węchu, czucia skórnego, głębokiego itp.). Część impulsów opuszcza właściwą dla danej modalności drogę czuciową i dociera do tworu siatkowatego; W odróżnieniu od swoistych układów sensorycznych, twór siatkowaty jest układem nieswoistym, ponieważ odbiera informacje z różnego rodzaju receptorów i oddziałuje na rozległe obszary kory mózgu. Podczas gdy swoiste układy sensoryczne są materialnym podłożem percepcji zjawisk otaczają- 321 lii cego nas świata, zadaniem tworu siatkowatego jest utrzymywanie różnych ośrodków mózgowych w stanie odpowiedniej gotowości funkcjonalnejy Każdy zatem bodziec pobudzający receptory oprócz swoistego działania sensorycznego pobudza też układ nieswoisty. (jSwoiste i nieswoiste działanie bodźców można uwidocznić, odbierając z powierzchni czaszki potencjały wywołane. Bodźce słuchowe, wzrokowe, dotykowe i bólowe wywołują zmianę czynności bioelektrycznej właściwej okolicy sensorycz- nej kory mózgu, zwaną potencjałem pierwotnym. Oprócz potencjału pierwotnego każdy dostatecznie silny bodziec wywołuje jeszcze potencjał wtórny, który pojawia się po znacznie dłuższym okresie latencjft Można go odebrać z rozległych obszarów kory poza okolicą sensoryczną swoistą dla danego bodźca (rys. 13.2). CĄby pojawił się potencjał wtórny, musi najpierw zostać pobudzony twór siatkowaty, a potem pobudzenie to, za pośrednictwem nieswoistych połączeń tworu siatkowatego z korą, rozprzestrzenia się na całą korę mózgu. W toku badań nad mechanizmami czuwania i snu stwierdzono, że oprócz tworu siatkowatego w regulacji tych stanów mają udział również inne struktury mózgu, takie jakitylna część podwzgórza, niektóre jądra wzgórza i ośrodki w tylnej części pnia móżgu7 Struktury te wraz z tworem siatkowatym tworzą system ośrodków o podobnej funkcji, zwany układem siatkowatym. \ Ostatnio do układu siatkowatego zaliczono ośrodki w pniu mózgu należące właściwie do układu limbicznego i uczestniczące w regulacji czynności popędowo-emocjonalnych. Z ośrodków tych wychodzą drogi charakteryzujące się jednolitym pod względem Potencjał pierwotny Potencjał wtórny Rys. 13.2. Potencjał pierwotny i wtórny. U 'I I ! . "'." '. v. g: .i. 322 Rys. 13.3. Struktury tworu siatkowatego. WZGÓRZE PODWZGÓRZE ? Środkowa' część wzgórza Tylna część podwzgórza Twór siatkowaty śródmózgowia v ( \ nakrywki ŚRÓD- Jądro siatkowate MÓZGOWIE m \ Jądro siatkowate MQsT mostu tylne " Miejsce sinawe Twór siatkowaty mostu /-> \lądra szwu i, i RDZEŃ PRZEDŁUŻONY neurochemicznym charakterem transmisji synaptycznej. Rolę przekaźnika w ich synapsach odgrywa acetylocholina, noradrenalina, dopamina i 5-hydroksytryp- tamina. Do ośrodków tych należy miejsce sinawe (locus coeruleus) - początek włókien nóradrenergicznych, jądra szwu (nuclei raphes) - miejsce wyjścia dróg serotoninergicznych, oraz istota czarna (substantia nigra), należąca do układu dopaminergicznego. W wyzwalaniu reakcji wzbudzenia uczestniczy także jądro olbrzymiokomórkowe (nucleus gigantocellularis), skąd pobudzenie rozprzestrzenia się na inne części układu siatkowatego za pośrednictwem dróg chołinergicznych. Mimo nieswoistego charakteru oddziaływań twór siatkowaty nie jest strukturą jednorodną, ponieważ różne jego obszary pełnią niejednakowe funkcje, a działanie wywołujące reakcję wzbudzenia jest domeną części mostowej i śródmózgowiowej tworu siatkowatego (rys. 13.3). Szczególną pozycję wśród ośrodków tworu siatkowatego zajmuje jego część znajdująca się w obrębie środkowej części wzgórza. Obszar ten zawiera zarówno neurony uczestniczące w wyzwalaniu reakcji wzbudzenia, jak też sieci nerwowe hamujące czynność kory mózgu. W warunkach doświadczalnych elementy te pobudzano selektywnie za pomocą impulsów elektrycznych o różnej częstotliwości i wywoływano reakcję wzbudzenia albo przeciwnie - stan snu. Czynności układu siatkowatego Podsfawowym zadaniem układu siatkowatego jest utrzymywanie mózgu w stanie czuwania, w którym funkcjonują procesy świadomości umożliwiające interakcję organizmu z otoczeniem. Dzięki świadomości otrzymujemy zintegrowany obraz 323 świata zewnętrznego, własnego ciała i procesów myślowych, zależny od percepcji bodźców zewnętrznych i wewnętrznych. Do percepcji bodźców niezbędne jest wzbudzające działanie tworu siatkowatego na ośrodki sensoryczne. Stanem przeciwnym do czuwania jest sen, w którym świadomość jest przejściowo zniesiona, a niekontrolowane doznania, wykorzystujące wewnątrzmózgowe me- chanizmy percepcyjne, występują w postaci marzeń sennych. Czuwanie, choć zależne od nieswoistego oddziaływania układu siatko- watego, nie jest stanem jednolitym. Podwyższony poziom czuwania, wyrażający się reakcją wzbudzenia na biologicznie ważne bodźce środowiska, jest niezbędny do realizacji takich zadań, jak pobieranie pokarmu, poszukiwanie partnera seksualnego czy ucieczka przed niebezpieczeństwem. Ponieważ poprawia się wówczas także percepcja bodźców, stan ten nazywany jest czujnością. Z kolei obniżony poziom czuwania umożliwia odpoczynek i przejście w stan snu. Pobudzenie mechanizmów percepcji przez układ siatkowaty może być ukierun- kowane na odbiór tylko określonego rodzaju informacji. Stan taki nazywa się uwagą. Mówiąc o roli układu siatkowatego w świadomości, trzeba mieć na uwadze niejednorodność tego procesu. Antonio Damasio (2000) rozróżnia świadomość pierwotną, zależną od ośrodków w pniu mózgu, niezbędną dla prostej łączności organizmu ze środowiskiem, oraz świadomość wyższego rzędu, umożliwiającą myślenie i rozumowanie, a więc związaną z osobowością człowieka. W sterowaniu tymi czynnościami psychicznymi uczestniczą ośrodki kory mózgu. • . . Wys. 13.4. Dopływ informacji do tworu siatkowatego. Wstęga trójdzielna NERW TRÓJDZIELNY (obszar głowy) '? i 3 /\ i, Droga ^ \ rdzeniowo- , / RDZEŃ KRĘGOWY (obszar tułowia i kończyn) 324 Dopływ impulsów do układu siatkowatego - Źródłem impulsów pobudzających układ siatkowaty są receptory czucia somatycz- nego~(dotyku, temperatury, bólu i czucia głębokiego). Impulsy z tych receptorów są przewodzone drogami czuciowymi, które biegną przez pień mózgu w bliskim sąsiedztwie tworu siatkowatego i oddają do niego bocznice (kolaterale). Jednakże większe znaczenie w pobudzaniu układu siatkowatego mają impulsy dochodzące bezpośrednio z rdzenia kręgowego drogą rdzeniowo-siatkową i drogą rdzeniowo- -śródmózgowiową. Pierwsza dochodzi do części mostowej i opuszkowej, druga do części śródmózgowiowej tworu siatkowatego (rys. 13.4). Silne pobudzenie układu siatkowatego powodują impulsy pochodzące z obszaru głowy i przekazywane do mostu za pośrednictwem nerwu trójdzielnego. Jest to przyczyną orzeźwiającego efektu polania twarzy zimną wodą. Do układu siatko- watego dochodzą też informacje z narządu słuchu, wzroku i węchu, a także wnętrza ciała i innych ośrodków mózgowych, na przykład utrzymujących tem- peraturę ciała) Ta ostatnia informacja powoduje, że ochłodzenie ciała podczas snu budzi człowieka i uniemożliwia ponowne zaśnięcie. Zróżnicowane oddziaływania układu siatkowatego Początkowo panował pogląd, że układ siatkowaty oddziałuje na korę mózgu w sposób całkowicie nieswoisty. Istniały wprawdzie dane, że działanie układu siatkowatego może dotyczyć ograniczonego obszaru kory, dlatego wstępne pobudzenie ośrodka czuciowego przez układ siatkowaty przyczynia się do lepszej percepcji związanych z tym ośrodkiem bodźców, na przykład wzrokowych, słuchowych (Hebb, 1955). Jednak oparta na tych obserwacjach tzw. unitarna teoria działania układu siatkowate- go nie wyjaśniała powszechnie znanego faktu, że intensywność reakcji wzbudzenia nie zawsze zależy tylko od intensywności działających na organizm bodźców. Pokann pokazany głodnemu zwierzęciu wywołuje znacznie większe wzbudzenie niż silne bodźce o nikłym znaczeniu biologicznym. Podobnie większe wzbudzenie wywołuje bodziec pojawiający się po raz pierwszy niż bodziec uprzednio wielokrot- nie stosowanyl Pobudzenie układu siatkowatego ma zatem związek z motywacją (np. poziomem głodurstrachu), z uczeniem się czy też ze stopniem nowości bodźca/ W miarę poznawania tych zjawisk stawało się oczywiste, że oprócz nieswois- tego oddziaływania przez jądra wzgórza na całą korę układ siatkowaty oddziałuje również na obszary kory w sposób zróżnicowany. Działane to wywiera za pośrednictwem dróg o różnym neurochemicznym podłożu transmisji synaptycznej, tj. noradrenergicznych, dopaminergicznych, serotoninergicznych i cholinergicznych.j Jądra, w których biorą początek te drogi, znajdują się w moście i śródmózgowiu, w bliskim sąsiedztwie tworu siatkowatego, mogą więc stąd łatwo otrzymywać pobudzenie. Drogi o różnym charakterze transmisji synaptycznej docierają do tych samych obszarów kory mózgu, a zatem charakter oddziaływania układu siatko- watego na korę nie jest stały, lecz może się różnić w zależności od rodzaju aktualnie zaangażowanego układu neurotransmisyjnego (rys. 13.5). 325 Rys. 13.5. Oddziaływania układu siatkowatego na korę mózgu. Kora mózgu , Nieswoiste zdziałanie wzbudzające f , i. ,.-:'.. Działanie za pośrednictwem układu: noradrenergicznego dopaminergicznego serotoninergicznego Działanie hamujące środkowej części wzgórza Środkowa część wzgórza Twór siatkowaty śródmózgowia . Miejsce sinawe Jądra szwu 11 Drogi noradrenergiczne -9 no. J? Hjłównym ośrodkiem noradrenergicznym jest miejsce sinawe {locus_?oęruleus), nazywane jądrem A^ \ według klasyfikacji badaczy szwedzkich. Aksony po opuszczeniu tego jądra tworzą pęczki noradrenergiczne brzuszny i grzbietowy, które skupiają się w obrębie podwzgórza i wchodzą w skład pęczka przyśrodkowego przodomózgowiai Przypuszcza się, że w reakcji wzbudzenia uczestniczą głównie aksony, które początkowo biegną w pęczku noradrenergicznym grzbietowym, a po dojściu do kory mózgu unerwiają rozległe jej obszary. Gdy u zwierząt doświadczalnych noradrenalina zostanie podana miejscowo do obszaru sensorycznego kory, zmniejsza się spontaniczna aktywność neuronów tego <. obszaru (tzw. szum). Jednocześnie normalnie przebiega reakcja tych neuronów na ^t- sygnały fizjologiczne, tj. na impulsy dochodzące z receptorów, na przykład v' słuchowych czy wzrokowych (Kasamatu i Heggelund, 1982). Mówiąc językiem technicznym - zwiększa się wówczas stosunek właściwego sygnału do przypad- kowego szumu, a taki stan jest właśnie korzystny dla procesu uwagi. Znaczenie układu noradrenergicznego dla procesów uwagi badano za pomocą odpowiednich testów behawioralnych. Carli i wsp. (1983) stosowali klatkę, której jedna ściana miała kształt półkola, aby szczur mógł jednocześnie obserwować znajdujące się w niej 5 otworów. Gdy w jednym otworze nagle na 0,5 sekundy rozbłysło światło i szczur włożył głowę to tego otworu w czasie zapalenia światła lub w ciągu 5 sekund po jego zgaszeniu, był nagradzany porcją pokarmu, po którą musiał się udać do karmnika w drugiej części klatki. Po upływie 5 sekund od wykonania reakcji, w następnym, losowo wybranym otworze znowu rozbłyskało światło. Szczur 326 musiał zatem uważnie obserwować zakrzywioną ścianę klatki, aby w odpowiednim czasie włożyć głowę do właściwego, zasygnalizowanego światłem otworu. U części szczurów uszkodzono układ noradrenergiczny przez mikroiniekcje w okolicę grzbietowego pęczka noradrenergicznego toksycznego „fałszywego przekaźnika" - 6-hydroksydopaminy15. Uszkodzenie nie upośledzało wykonywania wyuczonej reakcji, nawet gdy zmniejszono intensywność światła błyskającego w otworze. Gdy w celu odwrócenia uwagi zwierzęcia przed oświetleniem otworu włączano szum (jako bodziec dystrakcyjny, odwracający uwagę), szczury z uszko- dzonym układem noradrenergicznym popełniały błędy, wybierając niewłaściwy otwór. Zastosowanie bodźca dystrakcyjnego u szczurów kontrolnych nie miało wpływu na wykonywanie zadania. Podobne badania przeprowadzano również na ludziach. W celu czasowego zablokowania układu noradrenergicznego badanemu wstrzykiwano dożylnie klonidy- nę16. Po iniekcji badani gorzej wykonywali testy angażujące uwagę, na przykład trudniej wykrywali podaną wcześniej sekwencję liczb w zbiorach pokazywanych w czasie właściwego testu. W innym, bardziej finezyjnym eksperymencie wykazano, że przy braku działania układu noradrenergicznego ulega modyfikacji proces odwracania uwagi od bodźca nieaktualnego. Clark i wsp. (1989) zastosowali test Posnera (1980) polegający na tym, że badany siedzi nieruchomo przed ekranem, fiksując wzrok na punkcie w obrębie środkowej części pola widzenia, a właściwy bodziec (plamka świetlna) jest wyświetlany w części obwodowej po lewej albo po prawej stronie. Po dostrzeżeniu bodźca badany musi jak najszybciej nacisnąć palcem klawisz. O mającym nastąpić ukazaniu się bodźca badany był informowany sygnałem wstępnym, wyświetlanym przez sekundę przed właściwym bodźcem. Wykonanie reakcji gasiło zarówno właściwy bodziec, jak i zwiastujący go sygnał wstępny. Sygnał wstępny (cue) odgrywał w tym teście istotną rolę. Znak „plus", czyli sygnał neutralny, oznajmiał, że wkrótce ukaże się właściwy bodziec, nie wskazywał jednak jego miejsca: Pole widzenia - Część lewa Środek Część prawa . !-: ' sygnał bodziec tu... + ...albo tu neutralny Sygnał w postaci strzałki określał także stronę ekranu, po której należało spodziewać się bodźca. Jeśli strzałka wskazywała właściwy kierunek: • 15 Fałszywe przekaźniki są związkami podobnymi do prawdziwych przekaźników, jednak mają tak zmodyfikowaną strukturę chemiczną, że nie przekazują informacji między neuronami, natomiast są, jak normalne przekaźniki, wychwytywane przez zakończenia synaptyczne. Zastosowana tu 6-hydroksy- tryptamina jest związkiem silnie toksycznym dla zakończeń synaptycznych uwalniających aminy katecholowe. Uszkodzone przez toksynę zakończenia są zdolne do wytwarzania i uwalniania do szczeliny jlynapjycznej normalnego przekaźnika - w tym przypadku noradrenaliny. ? Klonidyna aktywuje presynaptyczne receptory adrenergiczne a2. Działanie to powoduje zmniejszanie uwalniania noradrenaliny przez zakończenia synaptyczne. Lek ten jest stosowany m.in. w leczeniu nadciśnienia tętniczego, j 327 Część lewa Pole widzenia Środek Część prawa sygnał tu uwaga... —> ??. • ...i tu bodziec ważny była sygnałem ważnym (yalid cue). Gdy zaś informowała błędnie o kierunku: Część lewa tu uwaga... Pole widzenia Środek sygnał Część prawa ...a tu bodziec nieważny była sygnałem nieważnym (invałid cue). Każdy z tych trzech sygnałów stosowano losowo w jednej trzeciej wszystkich prób. U osób nie otrzymujących leku czas reakcji zależał od rodzaju sygnału wstępnego. W porównaniu z sygnałem neutralnym, sygnał ważny powodował skrócenie, a nieważny wydłużenie czasu reakcji. Otrzymując ważny sygnał wstępny, badany od razu dostrzegał bodziec w miejscu, na które przed chwilą zwrócił uwagę; czas reakcji był więc krótszy niż po zastosowaniu sygnału neutralnego. Natomiast po dostrzeżeniu sygnału nieważnego badany musiał oderwać uwagę od nieważnego miejsca i przenieść ją na miejsce właściwe. U osób, które otrzymały klonidynę, obserwowano jednakowe wydłużenie czasu reakcji zarówno gdy stosowano sygnał obojętny, jak i wtedy, gdy stosowano sygnał ważny. Interpretowano to jako efekt ogólnie uspokajającego działania klonidyny, a nie jako upośledzenie uwagi. Natomiast wydłużenie czasu reakcji było nieznaczne w przypadku sygnału nieważnego, a zatem różnica w porównaniu z sygnałem obojętnym była mniejsza niż bez stosowania klonidyny. Wynik tego eksperymentu wskazuje, że układ noradrenergiczny może subtelnie sterować uwagą, zwiększając siłę jej zaangażowania i utrudniając oderwanie jej od przedmiotu aktualnego zainteresowania, nawet gdy przedmiot ten nie zawiera istotnej informacji. Drogi dopaminergiczne - ' ] ' Układ dopaminergiczny składa się z kilku części, o różnym znaczeniu funkcjonal- nym (patrz s. 395). Dwie jego części - układ mezolimbiczny i mezokortykalny, które rozpoczynają się w polu brzusznym nakrywki (jądro A10), sterują czynnościami popędowo-emocjonalnymi i z tego względu są zaliczane do układu limbicznego.3 Ich współdziałanie z układem siatkowatym powoduje, że bodźce o niewielkim^ natężeniu, lecz ważne biologicznie, wywołują żywą reakcję wzbudzenia.VUkład mezostriatalny (częściej zwany nigrostriatalnym) odgrywa rolę w kontroli czynności ruchowych. Rozpoczyna się w istocie czarnej {substantia nigra, jądro A9) i w jądrze A8 w obrębie tworu siatkowatego śródmózgowia, biegnie zaś do ciała prążkowanego^) 328 (corpus striatum). Niektórzy badacze wysuwali pogląd, że układ nigrostriatalny może, również, podobnie jak układ noradrenergiczny, sterować mechanizmami uwagLjNa przykład blokada receptorów dopaminergicznych za pomocą droperidolu móćlynkowała proces uwagi u ludzi w podobny sposób, jak omówiona wyżej depresja układu noradrenergicznego za pomocą klonidyny (Clark i wsp. 1986). Głównie jednak współdziałanie układu nigrostriatalnego z układem siatkowatym zapewnia odpowiedni poziom pobudzenia ośrodków ruchowych, niezbędny do inicjacji ruchu. Brown i Robbins (1991) w precyzyjnie zaplanowanym doświadczeniu na szczurach wykazali, że układ nigrostriatalny może dostarczać niezbędnego pobudzenia do zapoczątkowania ruchu. W jednej ze ścian klatki znajdowały się trzy otwory. W pierwszej wersji doświadczenia uczono szczura wkładać głowę do środkowego otworu, po czym w obu otworach bocznych zapalało się widoczne dla zwierzęcia światło o dużej lub małej intensywności. Następnie światło gasło i rozlegał się ton. W odpowiedzi na ton szczur musiał wyjąć głowę z otworu środkowego, a następnie włożyć ją do otworu lewego, gdy zapalone było światło jaskrawe, do prawego zaś, gdy zapalone było światło przyciem- nione. W drugiej wersji szczur, włożywszy głowę do otworu środkowego, musiał czekać na ton, równocześnie z którym zapalało się światło, jaskrawe lub przyciemnione. Następnie wyłączano ton i światło. Szczur, jak w pierwszej wersji, musiał wyjąć głowę z otworu środkowego i włożyć ją, zależnie od rodzaju światła, do otworu lewego lub prawego. Prawidłowo wykonana reakcja była nagradzana pokarmem. Czas, po którym szczur wyjmował głowę z otworu środkowego, nazwano czasem reakcji. Był on krótszy w wersji pierwszej, gdy szczur od początku wiedział, jakiego światła miał oczekiwać. Czas, po którym szczur następnie wkładał głowę do otworu bocznego, nazwano czasem ruchu. U szczurów wykonano trwałe uszkodzenie funkcji jądra ogoniastego, wstrzykując do tej struktury fałszywy przekaźnik 6-hydroksydopaminę17. Zabieg ten spowodował wydłużenie czasu reakcji w obu wersjach zadania, ale tylko wtedy, gdy szczur musiał włożyć głowę do otworu po stronie przeciwnej względem strony uszkodzenia. Na przykład gdy u szczura uszkodzono lewe jądro ogoniaste, wydłużony był jego czas reakcji na światło przyciemnione (sygnalizujące prawy otwór). Ten sam szczur wykazywał normalny czas reakcji na światło jaskrawe (sygnalizujące lewy otwór). Czas ruchu (tj. czas, po którym szczur wkładał głowę do któregokolwiek z bocznych otworów) nie był zmieniony po zabiegu. Upośledzona była zatem inicjacja tego ruchu, który był sterowany przez uszkodzone jądro ogoniaste, a nie przebieg samego ruchu. Podobne zaburzenia znane są u chorych na chorobę Parkinsona. Pacjenci badani za pomocą różnych testów znacznie gorzej wykonywali zadania wymagające koordynacji ruchów albo określonej ich sekwencji niż proste ruchy, z niewielkim udziałem planowania działań (Benecke i wsp., 1986, 1987; Sheridan i wsp., 1987). I 17 Ze względu na znaczne stężenie dopaminy w jądrze ogoniastym, przy znikomym stężeniu noradrenaliny, praktycznie jedynym skutkiem iniekcji 6-hydroksydopaminy było uszkodzenie zakończeń dopaminergicznych, a tym samym wyłączenie po jednej stronie czynności układu nigrostriatalnego. 329 p > Ponieważ testy te wskazywały na upośledzenie inicjacji ruchów, ich wynik wyjaśniano brakiem pobudzającego wpływu układu dopaminergicznego na ośrodki ruchowe. Wpływ taki jest niezbędny, aby człowiek mógł przystąpić do działania zgodnie z założonym planem. Układ nigrostriatalny może jednak odgrywać rolę w mechanizmie uwagi niekoniecznie związanej z inicjacją ruchu. Brown i Marsden (1988) stosowali dwie wersje testu Stroopa. Chorym na chorobę Parkinsona pokazywali wyraz czerwony, napisany zielonymi literami, i wyraz zielony, napisany czerwonymi literami. Badany otrzymywał instrukcję, czy miał odczytać napisaną nazwę koloru, czy też podać kolor, jakim wyraz był napisany. Instrukcję tę kilkakrotnie zmieniano w czasie testu. W pierwszej wersji testu na ekranie komputera ukazywała się informacja, według jakiego kryterium należało odtworzyć znaczenie bodźca. Zadanie to okazało się jednakowo łatwe dla chorych i zdrowych. W drugiej wersji badany był powiadamiany o aktualnym kryterium i musiał pamiętać je aż do kolejnej zmiany. W tym wariancie testu chorzy popełniali znacznie więcej błędów w porównaniu z dobraną grupą kontrolną. Autorzy interpretują ten wynik jako upośledzenie wewnętrznych mechanizmów uwagi; zaburzenie to nie występuje, gdy badany korzysta z informacji zewnętrznej. ł Drogi cholinergiczne i serotoninergiczne Do rozległych obszarów kory mózgu dochodzą włókna cholinergiczne z jądra podstawnego (Meynerta). Układ cholinergiczny mózgu odgrywa ważną rolę w mechanizmach pamięci]Qędnak są dane wskazujące na jego znaczenie również w procesie uwagi. Uszkodzenie neuronów cholinergicznych spowodowało dramatyczne upośledzenie rozwiązywania zadania, w którym szczur musiał obserwować ścianę z pięcioma otworami i włożyć głowę do właściwego otworu zasygnalizowanego światłem (Robbins i wsp., 1989). Zakłócenie uwagi okazało się nawet większe niż w opisanym wyżej podobnym eksperymencie po uszkodzeniu transmisji noradrenergicznej (Carli i wsp., 1983). Zaburzenia uwagi wykazano także u chorych na chorobę Alzheimera. Wiąże się to z upośledzeniem aktywności układu cholinergicznego, o czym świadczy fakt, że rozwiązywanie zadania poprawiało się po zastowaniu leku hamującego acetylocholinoesterazę. Ponieważ enzym ten rozkłada acetylocholinę, zablo- kowanie go preparatem farmakologicznym prowadzi do zwiększenia ilości tego przekaźnika w synapsach cholinergicznych (Sahakian i wsp., 1993). (^Neurony dające początek drogom serotoninergicznym rozpoczynają się w jądrach szwu (nuclei raphes). Drogi wstępujące wychodzące z tych jąder docierają do rozległych obszarów kory mózgu) i podkorowych ośrodków układu limbicznego. Doświadczenia na szczurach wykazały, że uszkodzenie synaps serotoninergicznych w mózgu za pomocą swoistych neurotoksyn powoduje upośledzenie wygaszania czynności niecelowych biologicznie. Układowi serotoninergicznemu przypisuje się rolę modulującą aktywność innych układów neurotransmisyjriych) (Soubrie, 1986). 330 Diagnostyka stanów czuwania i snu .}?'!' Powszechnie stosowaną metodą oceny stanów czuwania i snu u zwierząt i ludzi jest elektroencefalografia (EEG). Potencjały elektryczne generowane przez mózg odbiera się u ludzi za pomocą elektrod, najczęściej przyciskanych lub przyklejanych do skóry głowy, natomiast zwierzęta doświadczalne poddaje się w pełnej narkozie zabiegowi polegającemu na umieszczeniu na stałe elektrod w kości czaszki i w głębi mózgu. Oprócz EEG rejestruje się ruchy gałek ocznych, ruchy oddechowe, napięcie mięśniowe, a także inne czynności fizjologiczne. ,,. ;r.,, < Elektroencefalograficzne korelaty czuwania u zwierząt l:iii|W ' s ' W elektroencefalogramie (EEG) odprowadzanym z nowej kory (neocortex) czuwającego zwierzęcia (kota, królika lub szczura) w stanie pewnego pobudzenia występują szybkie oscylacje (powyżej 25 Hz) o niskiej amplitudzie, odpowiadające obserwowanym u człowieka falom beta. Taki zapis EEG nazywa się zdesynchro- nizowanym. Desynchronizacja EEG jest szczególnie nasilona w sytuacjach, gdy zwierzę bada nowe otoczenie, nasłuchuje albo wpatruje się, gdy odbiera bodźce Rys. 13.6. Rodzaje fal EEG u królika w zależności od stanu fizjologicznego. W stanie wzbudzenia widoczna desynchronizacja EEG odbieranego z kory nowej i fale theta w zapisie z hipokampa. Podczas snu występują fale delta. Wzbudzenie Kora nowa Hipokamp , Zasypianie Koranowa Hipokamp S*n Koranowa -ii ? i 100llV 331 sygnalizujące podanie pokarmu, zwiastujące niebezpieczeństwo, albo kiedy działają na nie bodźce o charakterze awersyjnym. I odwrotnie, gdy zwierzę odpoczywa i nieruchomieje, szybkie fale EEG ulegają zwolnieniu. Pojawiają się wówczas wyładowania o charakterze wrzecion, podobne do spotykanych u człowieka podczas płytkiego snu. Wyładowania te, podobnie jak fale alfa u człowieka, wyrażają stan obniżonego poziomu czujności. Sporadycznie występują wtedy również fale wolne (rys. 13.6). Odmienne cechy wykazuje czynność bioelektryczna hipokampa, który filoge- netycznie jest starą formacją korową. W czasie reakcji wzbudzenia pojawiają się w tej strukturze regularne fale theta o wysokiej amplitudzie (ok. 200 |J.V) i małej częstotliwości (5-7 Hz). Jest to zatem typowa synchroniczna aktywność EEG, która jednak nie zwiastuje snu, lecz przeciwnie - wskazuje na stan wysokiego poziomu czujności. Elektroencefalograficzne korelaty czuwania u człowieka Czuwanie u człowieka charakteryzuje się występowaniem dwóch rodzajów fal EEG - alfa i beta. Fale beta, o niskiej amplitudzie i częstotliwości powyżej 25 Hz, są rodzajem zdesynchronizowanej aktywności bioelektrycznej. Występują w przed- niej części czaszki, a w stanach pobudzenia psychicznego również w okolicy potylicznej. Fale alfa charakteryzują się niską częstotliwością (8-13 Hz). Ich amplituda jest zmienna, wynosi średnio 50 |J.V; często okresowo narasta i się zmniejsza. Fale alfa są szczególnym rodzajem synchronizacji EEG, niespotykanym u zwierząt. Występują w okolicy potylicznej tylko w stanie odprężenia psychicz- nego, nie pojawiają się natomiast podczas snu. Fale te można najlepiej zaobser- wować u człowieka leżącego z rozluźnionymi mięśniami, zamkniętymi oczami Rys. 13.7. Fale EEG u człowieka w różnych stanach fizjologicznych (wg Guytona i Hulla, 1996, za zgodą W. B. Saunders Company). Farę alfa Czuwanie - odprężenie psychiczne Fale beta Czuwanie - reakcja wzbudzenia Okres III snu NREM T 3 I 50 uV Fale delta 332 i odprężonego psychicznie. Przy otwartych oczach lub podczas wykonywania pracy umysłowej (np. działań arytmetycznych) fale alfa zanikają i są zastępowane przez fale beta (rys. 13.7). Ponieważ fale alfa występują wyłącznie u człowieka, ich pochodzenie jest trudne do ustalenia. Wyglądem przypominają wrzeciona, przypuszcza się więc, że ich rozrusznik, podobnie jak rozrusznik wrzecion, mieści się w środkowej okolicy wzgórza. Nie wiadomo jednak, dlaczego w odróżnieniu od wrzecion fale alfa są generowane przez czuwający mózg, a nie występują podczas snu. Wewnątrzmózgowy system sterujący czuwaniem ' i rola bodźców zewnętrznych ?' "Ł , Z codziennego życia wiadomo, że izolacja od bodźców zewnętrznych ułatwia zaśnięcie, natomiast nadmiar bodźców czy też znaczne oziębienie ciała utrudnia sen. Stąd powstało przypuszczenie, że stan czuwania jest wynikiem stałego pobudzania układu siatkowatego przez bodźce pochodzące z zewnątrz lub ze środowiska wewnętrznego organizmu i brak tych bodźców nieuchronnie prowadzi do snu. Hipotezę tę wydawały się potwierdzać dawne eksperymenty z przecinaniem pnia mózgu u kota. W 1935 r. Bremer opisał preparat, który nazwał cerveau isole (izolowany mózg). Preparat izolowanego mózgu otrzymuje się, przecinając śródmózgowie między wzgórkami pokrywy śródmózgowia przednimi i tylnymi. Powyżej linii cięcia pozostają ośrodki układu limbicznego (podwzgórze, ciało migdałowate, przegroda), kora mózgu i górna część tworu siatkowatego wraz ze wzgórzem. Odcięty jest natomiast dopływ impulsów z całego obszaru ciała, a więc dotykowych, termicznych, czucia głębokiego, bólowych, a także informacji słuchowej. Chociaż do mózgu dochodzą jedynie połączenia z siatkówki i narządu węchu, zwierzę nie reaguje na bodźce wzrokowe i węchowe, ponieważ znajduje się w stanie głębokiej śpiączki. Stan ten charakteryzuje się stałą synchronizacją czynności EEG (rys. 13.8). W latach trzydziestych XX wieku znany był też inny preparat, uzyskiwany przez wykonanie cięcia między mózgowiem a rdzeniem kręgowym, zwany encephale isole (izolowane mózgowie). Preparat ten ma odcięty dopływ impulsów z receptorów w obrębie tułowia i kończyn, natomiast odbiera bodźce z obszaru głowy, widzi, słyszy, odczuwa zapachy i ma zachowane czucie smaku. Preparat ma zachowaną normalną sekwencję snu i czuwania (zarówno pod względem behawioralnym, jak i elektroencefalograficznym) i reaguje na dostępne dla niego bodźce. Oprócz izolowanego mózgu i izolowanego mózgowia znany jest jeszcze trzeci preparat, zwany pretrygeminalnym. Został on uzyskany przez badaczy włoskich (Batini i wsp., 1959), którzy przecinali u kotów pień mózgu przez środek mostu w taki sposób, że linia cięcia przebiegała tuż ku przodowi od miejsca wejścia nerwu trójdzielnego (łac. nervus trigeminus, stąd nazwa preparatu). Preparat pretrygeminalny jest pozbawiony dopływu takich samych bodźców, jak preparat izolowanego mózgu, innymi słowy - doznaje identycznej deprywacji sensorycznej, 333 Rys. 13.8. Preparaty izolowanego mózgu, izolowanego mózgowia i charakterystyczny dla nich obraz czynności EEG. WZGÓRZE EEG Jądra wzgórza („ośrodek synchronizacji") Izolowany mózg Wzgórki pokrywy EEG MMWMWW Preparat pretrygeminalny Jądro siatkowate mostu przednie („ośrodek desynchronizacji") \ EEG f-\ Jądro siatkowate DifWMM Nerw trójdzielny EEG - elektroencefalogram zdesynchronizowany jego właściwości są jednak zupełnie odmienne. Preparat ten wykazuje stale utrzymujące się cechy wzbudzenia w postaci desynchronizacji czynności bioelekt- rycznej mózgu (fal EEG), a także - choć w ograniczonym zakresie - reaguje na bodźce wzrokowe, można zatem sądzić, że znajduje się w stanie czuwania. A zatem do utrzymania mózgu w tym stanie okazały się zbędne impulsy, normalnie aktywujące układ siatkowaty. Precyzyjnie wykonane doświadczenia z przecinaniem mostu na różnych poziomach doprowadziły do stwierdzenia, że dla stanu czuwania konieczne jest, aby ku przodowi od płaszczyzny cięcia znalazło się nieuszkodzone jądro siatkowate mostu przednie. W związku z tym zostało ono nazwane „ośrodkiem desynchronizacji EEG". Stosując odpowiednie zabiegi pielęgnacyjne i sztuczne karmienie, udaje się utrzymać preparat pretrygeminalny przy życiu przez wiele tygodni po zabiegu. Staje się on wtedy unikalnym modelem do badania procesów czuwania w mózgu odciętym od większości bodźców otoczenia. W preparacie tym, choć w ograniczo- nym zakresie, udawało się wytwarzać odruchy warunkowe (Żernicki, 1974). Doświadczenia z przecinaniem pnia mózgu dowodzą, że w pewnym stopniu czuwanie zależy od mechanizmów wewnątrzmózgowych, funkcjonujących niejako autonomicznie, tzn. bez „podsycania" ich przez impulsy z zewnątrz. Autonomia ta jest u normalnego zwierzęcia zamaskowana wskutek hamowania „ośrodka desyn- 334 chronizacji" przez ośrodki w tylnej części pnia mózgu, głównie przez jądro siatkowate opuszki. Prawdopodobnie do zniwelowania tego oddziaływania koniecz- ne jest nieswoiste pobudzenie układu siatkowatego przez impulsy z receptorów. Sen Sen charakteryzuje się czasową utratą łączności mózgu z otoczeniem. Sygnały z zewnątrz dochodzą wprawdzie do ośrodkowego układu nerwowego i nawet niekiedy wywołują proste odruchy, nie są jednak świadomie odczuwane. W badaniach na kotach wykazano, że podczas snu zmniejsza się liczba impulsów dochodzących z receptorów do ośrodków sensorycznych kory mózgu (Sterrade, 1994). W czasie snu organizm jest również pozbawiony możliwości skoordynowanego oddziaływania na otoczenie. Stąd sen można uważać za stan fizjologicznej deaferentacji i deeferentacji. Często sen człowieka jest definiowany jako stan czasowej utraty świadomości. Definicja ta jest słuszna z pewnym zastrzeżeniem. Podczas snu występują bowiem świadome akty w postaci marzeń sennych, ich charakter jednak jest całkiem odmienny od doznań w czasie czuwania. Przełomem w poglądach na mechanizm snu było stwierdzenie w 1930 r. przez Hessa (1954), że drażnienie prądem elektrycznym środkowej okolicy wzgórza u kotów powoduje zasypianie. W wyniku późniejszych badań ugruntował się pogląd, że snem kieruje złożony system ośrodków rozmieszczonych w różnych częściach pnia mózgu. Innym ważnym odkryciem było stwierdzenie, że podczas snu okresowo pojawiają się szybkie ruchy gałek ocznych (Aserinsky i Kleitman, 1953), szczególnie wyraźne u dzieci. Późniejsze badania, zapoczątkowane przez Dementa i Kleitmana (1957), doprowadziły do rozróżnienia dwóch faz snu -jednej bez szybkich ruchów gałek ocznych i z występowaniem fal wolnych w elektroencefalogramie i drugiej - snu z szybkimi ruchami gałek ocznych, charakteryzującej się - paradoksalnie - desynchronizacją EEG jak podczas czuwania (Dement, 1958). Fazy te odpowiednio nazwano snem wolnofalowym (NREM albo non-REM) i snem REM. Rejestracja szybkich ruchów gałek ocznych jest stosowana oprócz EEG jako rutynowa metoda wykrywania snu REM u zwierząt i ludzi. Czynność EEG podczas snu u zwierząt Przejście od czuwania do snu charakteryzuje się najpierw zwolnieniem zdesyn- chonizowanej aktywności EEG, a następnie pojawieniem się cech synchronizacji EEG. Bezpośrednio po zaśnięciu, gdy sen jest jeszcze płytki, synchronizacja EEG występuje w postaci wrzecion, a w miarę pogłębiania się snu przechodzi w fale wolne delta. Wrzecionami nazywa się oscylacje, których amplituda stopniowo narasta i po osiągnięciu maksimum (niekiedy powyżej 100 |jV) stopniowo zmniejsza się do stanu wyjściowego. Wygląd takiego zespołu oscylacji w zapisie EEG do pewnego stopnia przypomina wrzeciono tkackie. Każde pojedyncze wrzeciono trwa 1-3 sekundy, częstotliwość fal w obrębie wrzeciona wynosi od 335 Rys. 13.9. Sen wolnofalowy i sen REM u kota (wg Jouveta, 1962, zmodyfikowany). CZUWANIE SEN WOLNOFALOWY SEN REM Koranowa Hipokamp Śródmózgowie Most 100 (iV Gałki oczne TT 7 do 14 Hz. Fale delta na początku snu występują równocześnie z wrzecionami, a podczas snu głębokiego dominują w całym zapisie. Za fale delta uważa się oscy- lacje o częstotliwości 1-4 Hz i amplitudzie dochodzącej u zwierząt do 200 |xV. Fale o częstotliwości poniżej 1 Hz zostały ostatnio wydzielone jako czynność wolna, ze względu na ich odrębny mechanizm neuronalny (rys. 13.9). Okresowo podczas snu pojawiają się epizody, w których czynność EEG ulega desynchronizacji i u zwierzęcia można zaobserwować szybkie ruchy gałek ocznych. Jeżeli zwierzę ma elektrody implantowane do hipokampa, obserwuje się nasiloną aktywność fal theta, podobną do zapisu, jaki występuje podczas reakcji wzbudzenia, dlatego tę fazę snu, obecnie określaną jako sen REM, początkowo nazywano snem paradoksalnym. Fazy i okresy snu u człowieka Podobnie jak u zwierząt, również u człowieka występują dwie fazy snu, jedna charakteryzująca się narastaniem fal wolnych w EEG, druga odznaczająca się szybkimi ruchami gałek ocznych, jednak ich właściwości są bardziej złożone. W obrębie fazy z falami wolnymi wyróżnia się cztery okresy, w których stopniowo nasila się synchronizacja EEG i zwiększa się głębokość snu (rys. 13.10). W okresie I, przejściowym między czuwaniem i snem, obserwuje się dezorganizację rytmu beta, który staje się nieregularny. Nie ma także fal alfa. Wskutek tego ogólny wygląd EEG jest „płaski". W okresie II we wszystkich odprowadzeniach występuje rytm zsynchronizo- wany w postaci wrzecion. Wśród wrzecion spotyka się niekiedy tzw. zespoły K, utworzone przez iglicę (czyli krótki potencjał wysokoamplitudowy) i następującą po niej pojedynczą falę wolną. Zapis EEG w okresie III zawiera oprócz wrzecion fale delta, których liczba stopniowo się zwiększa, tak że w okresie IV aktywność ta obejmuje cały zapis. 336 Rys. 13.10. Cechy EEG snu NREM i REM u człowieka. Widoczne jest nasilanie się synchronizacji EEG w miarę pogłębiania się snu NREM od okresu II do IV. W czasie snu REM pojawiły się szybkie ruchy gałek ocznych. W okresie II snu NREM pojawił się zespół K (wg Carskadon i Dementa, 1994, za zgodą W. B. Saunders Company). Okresy Sen NREM "^A^y^^ ZespółK AhJt/Al^A|MVVV^ Wrzeciono Fale delta IV Sen REM Ruchy gałek ocznych 100 10s Pojawiają się wówczas także jeszcze wolniejsze oscylacje, o częstotliwości poniżej 1 Hz. Okres IV zwanym jest też snem delta, ze względu na niemal wyłączne utrzymywanie się tych fal w EEG. Okres I jest stanem przejściowym od czuwania do snu. Śpiącego można wówczas obudzić, wypowiadając łagodnie jego imię. Nie działają w ten sposób inne słowa, zwłaszcza nie mające ważnego znaczenia. W badaniach kontrolowanych stwierdzono, że ochotnicy uczestniczący w eksperymencie nie pamiętają materiału opanowanego tuż przed początkiem tego testu, gdy zostali obudzeni po 10 minutach od zaśnięcia, potrafią go natomiast odtworzyć, jeśli spali 30 sekund. Można więc sądzić, że bodźce działające na człowieka bezpośrednio przed zaśnięciem nie są trwale zapamiętywane. W okresie II sen pogłębia się, choć człowiek może wówczas się poruszać i zmieniać położenie ciała. Największą głębokością, zwłaszcza u dzieci, odznacza się okres IV. Ponieważ w pełni wyrażona sychronizacja EEG i znaczna głębokość snu występuje dopiero w okresach ni i IV, te tylko okresy można uważać za właściwy sen wolnofalowy. Aby uniknąć nieporozumień terminologicznych, u człowieka przyjęto rozróżniać sen non-REM (NREM), bez szybkich ruchów gałek ocznych, obejmujący okresy I-IV, oraz sen REM. 337 Tabela 13.1. Fazy i okresy snu u człowieka Faza snu Elektroence- falogram % czasu trwania snu '" • ' Zachowanie Sen NREM Okres I Dezorganizacja rytmu beta 2-5 Płytki sen, reagowanie na własne imię II Fale wolne, zespoły K 45-55 Pogłębianie się snu, ruchy ciała, zmiana położenia III Wrzeciona, fale delta 3-8 Sen głęboki IV Fale delta 10-15 Sen bardzo głęboki Sen REM Podobny jak w okresie I snu REM 20-25 Szybkie ruchy gałek ocznych Zmniejszenie napięcia mięśniowego Erekcja prącia Obudzenie w czasie snu Podobny jak podczas czuwania <5 Jak podczas czuwania Niekiedy niepamięć zdarzeń Poza charakterystycznym zapisem EEG sen NREM charakteryzuje się zmniejszeniem napięcia mięśniowego, obniżeniem ciśnienia tętniczego, zmniej- szeniem częstości skurczów serca i częstości oddechów. Zmniejsza się podstawowa przemiana materii i ilość krwi przepływającej przez mózg (co świadczy o spowol- nieniu procesów metabolicznych w mózgu). Obniża się temperatura ciała. Typowy sen u dorosłego człowieka składa się z pięciu sekwencji snu NREM i REM, trwających średnio 90-110 minut, z czego 20-30 minut przypada na fazę REM. Sen delta występuje w fazie NREM pierwszej i drugiej sekwencji i może go nie być w następnych sekwencjach. Po fazie REM ostatniej sekwencji człowiek się budzi (Carskadon i Dement, 1994). Właściwości i czas trwania faz i okresów snu u człowieka przedstawia tabela 13.1. Sen REM Po pewnym czasie trwania snu NREM pojawia się faza snu REM, w której aktywność EEG jest zdesynchronizowana, a u zwierząt w hipokampie występuje regularny rytm theta. Z mostu, ciała kolankowatego bocznego i okolicy wzrokowej kory mózgu rejestruje się wówczas charakterystyczne pojedyncze wyładowania zwane iglicami PGO (ponto-geniculo-occipitate spilles). U człowieka okres ten następuje po okresie IV snu NREM i charakteryzuje się nagłym zanikiem fal delta. Zapis EEG ma wówczas cechy podobne do zapisu, jaki występuje podczas czuwania lub przejścia od czuwania do snu płytkiego. Iglice PGO można u człowieka uwidocznić, stosując specjalną technikę uśredniania czynności EEG (Callaway i wsp., 1987). u. Ponieważ elektroencefalograficzne cechy snu REM stosunkowo niewiele się różnią od cech czuwania, występowanie tej fazy ocenia się na podstawie występowania szybkich ruchów gałek ocznych. W celu uwidocznienia tych ruchów u zwierząt rejestruje się wraz z EEG potencjały wytwarzane przez mięśnie gałki 338 ocznej, a u człowieka przykleja się do powieki miniaturowy czujnik piezoelekt- ryczny. Sygnały elektryczne z czujnika są wprowadzane na wejście jednego z kanałów elektroencefalografii. Oprócz ruchów gałek ocznych rejestruje się czynność elektryczną jnięśni (elektromiogram - EMG), u zwierząt najczęściej mięśni karku. Amplituda wyładowań elektrycznych w EMG odzwierciedla napięcie mięśniowe. Napięcie mięśni karku jest największe (i amplituda EMG najwyższa) w stanie czuwania, gdy zwierzę unosi głowę. Podczas snu z falami wolnymi w EEG, gdy zwierzę leży z głową ułożoną na posłaniu, napięcie mięśni karku jest zmniejszone i amplituda EMG jest niższa niż podczas czuwania. Natomiast podczas snu REM w mięśniach nie stwierdza się praktycznie żadnej aktywności elektrycznej. Podobnie jest zniesione napięcie mięśni u człowieka, aczkolwiek występują izolowane skurcze mięśni kończyn i twarzy i - oczywiście - mięśni gałek ocznych. Podczas snu REM dochodzi do nasilenia niektórych czynności fizjologicz- nych - przyspiesza się czynność serca, wzrasta ciśnienie tętnicze krwi, oddech jest przyspieszony i nieregularny. Występują epizody erekcji członka. Ciekawym zjawiskiem jest wyłączenie ośrodkowych mechanizmów termoregulacyjnych, tak że organizm stałocieplny na krótko przekształca się w organizm zmiennocieplny. Obniżenie temperatury ciała budzi człowieka. Podłoże neuroanatomiczne snu REM Jouvet (1962) odkrył, że ośrodki sterujące snem REM znajdują się w moście. Wkrótce potem stwierdzono, że uszkodzenie grzbietowo-bocznej części mostu obejmujące miejsce sinawe znosi sen REM u kotów, i stąd powstał pogląd, że jądro to, zawierające neurony noradrenergiczne, jest głównym ośrodkiem tej fazy snu. Późniejsze badania doprowadziły do modyfikacji tego poglądu. Gdy penetrowano obszary mostu za pomocą mikroelektrod, stwierdzono, że aktywność neuronów noradrenergicznych miejsca sinawego nie nasila się, lecz odwrotnie, zmniejsza się w czasie snu REM. Natomiast zwiększa się wtedy aktywność neuronów w sąsiedz- twie miejsca sinawego (Saito i wsp., 1977; Sakai, 1980). W toku badań wykonywanych w różnych laboratoriach zwrócono uwagę, że w czasie snu REM szczególnie aktywne są duże neurony, rozproszone w mostowej części tworu siatkowatego (McCarley i Hobson, 1971). Na zakończeniach aksonów tych neuronów uwalnia się acetylocholina. Potem okazało się, że w sterowaniu snem REM odgrywają rolę tylko neurony cholinergiczne zlokalizowane głównie w okolicy grzbietowo-bocznej mostu, inne natomiast, umieszczone w części przy środkowej, odpowiadającej jądru olbrzymiokomórkowemu (nucleus giganto- cellularis), są aktywne podczas czuwania, zwłaszcza gdy zwierzę się porusza (Siegel i McGinty, 1977). Można zatem stwierdzić, że w moście znajdują się neurony cholinergiczne o różnym znaczeniu czynnościowym - jedne uczestniczą w mechanizmie czuwania, inne zaś w mechanizmie snu REM. Za pomocą technik elektrofizjologicznych wykazano, że cholinergiczne neurony grzbietowo-bocznej części mostu wykazują wzmożoną aktywność tuż 339 I przed pojawieniem się każdej kolejnej iglicy PGO - drugiego charakterystycznego objawu snu REM. I odwrotnie, zmniejsza się wówczas pobudzenie neuronów noradrenergicznych miejsca sinawego (Sakai, 1980). Z mostowego generatora iglic PGO pobudzenie przenosi się do ciał kolankowatych bocznych, a następnie do okolicy wzrokowej w płacie potylicznym kory mózgu. Trzeci objaw snu REM - zmniejszenie napięcia mięśniowego, zależy od ośrodka zlokalizowanego w sąsiedztwie miejsca sinawego, nazywanego przez neuroanatomów locus subcoeruleus, a przez innych okołosinawym jądrem alfa (Sakai, 1980). Od tego ośrodka odchodzą drogi zstępujące do ośrodków ruchowych rdzenia kręgowego. Ich celem są neurony pośredniczące (intemeurony), hamujące czynność neuronów ruchowych (motoneuronów). Hamowanie to jest przyczyną zmniejszenia napięcia mięśni i zniesienia ruchów w czasie snu REM (rys. 13.11). Uszkodzenie jądra okołosinawego u kotów powoduje, że w czasie snu REM Rys. 13.11. Ośrodki snu. Twór siatkowaty Wzajemnie zwrotne oddziaływania hamujące SenNREM PRZEDŁUŻONY Jądro siatkowate mostu przednie CZUWANIE Sen REM Neurony cholinergiczne mostu Wytwarzanie iglic PGO Jądro bfcołosinawe Hamowanie napięcia mięśniowego podczas snu REM Hamowanie motoneuronów a podczas snu REM Pobudzenie motoneuronów a podczas czuwania RDZEŃ KRĘGOWY + pobudzenie — hamowanie Mięsień napięty Mięsień wiotki 340 zwierzęta wykazują nie zmniejszoną, lecz odwrotnie, wzmożoną aktywność ruchową, polegającą na przebieraniu kończynami jak podczas chodzenia (Jouvet i Delorme, 1965). Podobny objaw niekiedy występuje u ludzi w przebiegu chorób zwyrodnieniowych, naczyniowych i nowotworowych, upośledzających czynność tworu siatkowatego pnia mózgu (Montplaisir i wsp., 1994). Chory podczas snu REM wykonuje gwałtowne ruchy kończynami i często wówczas śni, że jest atakowany i musi uciekać przed niebezpieczeństwem. Mechanizmy synchronizacji i desynchronizacji EEG Synchronizacja i desynchronizacja czynności bioelektrycznej kory mózgu odzwier- ciedla pobudzenie i hamowanie ośrodków tworu siatkowatego pnia mózgu i wzgórza. Znajomość mechanizmu powstawania fal EEG jest zatem ważna dla zrozumienia neurofizjologicznego podłoża stanów snu i czuwania, zależnych od czynności tych ośrodków. Pochodzenie fal wolnych podczas snu Wrzeciona snu płytkiego są wynikiem działania oscylatora w jądrze siatkowatym wzgórza. Jądro to znajduje się w części bocznej wzgórza i niejako otacza jądra części środkowej tej struktury. U zwierzęcia, u którego przecięto wszystkie połączenia jądra siatkowatego z innymi strukturami, wrzeciona nie występują. Natomiast neurony tak izolowanego jądra siatkowatego wytwarzają rytmicznie potencjały o częstotliwości charakterystycznej dla wrzecion. Podobne oscylacje stwierdzono także we fragmencie jądra siatkowatego utrzymywanego in vitro (tj. poza ustrojem). Pobudzenie z sieci nerwowej jądra siatkowatego przenosi się na jądra części środkowej wzgórza. Neurony tej okolicy pobudzają rozległe obszary kory. Z kolei neurony kory zwrotnie oddziałują na neurony części środkowej wzgórza i na neurony jądra siatkowatego. W ten sposób oscylator jądra siatkowatego jest anatomicznie i funkcjonalnie sprzężony z pętlą wzgórzowo-korową. Fale EEG odbierane rutynową techniką bezpośrednio odzwierciedlają aktywność neuronów kory, a pośrednio - całej pętli. Aby wystąpiły wrzeciona, neurony części środkowej wzgórza muszą się znajdować w stanie nieznacznej hiperpolaryzacji. Periodyczne zwiększanie i zmniejszanie się amplitudy oscylacji zależy od zjawiska rekrutacji, czyli zwiększania się i zmniejszania liczby aktywowanych neuronów (rys. 13.12). Przy zwiększonym poziomie hiperpolaryzacji neuronów części środkowej wzgórza wrzeciona zanikają, a w ich miejsce pojawiają się fale delta. Występowanie fal delta w całej korze jest koordynowane, podobnie jak generowanie wrzecion, przez jądro siatkowate wzgórza. Można zatem przypuszczać, że w miarę pogłębiania się snu, stopniowo zwiększa się hiperpolaryzacja neuronów części środkowej wzgórza. Natomiast depolaryzacja tych neuronów blokuje powstawanie fal wolnych (Steriade i wsp., 1993). 341 łłys. 13.12. Powstawanie fal EEG. Synchronizacja EEG Fale delta f\Ą/\/\ Wrzeciona Pętla wzgórzowo- -korowa Desynchronizacja EEG Jądro siatkowate Pobudzanie oscylacji Jądra śródblaszkowe Jądro / środkowo- -pośrodkowe Jądra przednie Jądro siatkowate Blaszka rdzenna wewnętrzna Hamowanie oscylacji z tworu siatkowatego śródmózgowia Blokowanie wolnych oscylacji. Desynchronizacja EEG i >......» . - , Pobudzenie układu siatkowatego prowadzi do aktywacji jego jąder, z których wychodzą drogi podążające do rozległych struktur przodomózgowia, w tym do części środkowej wzgórza i kory mózgu. Na zakończeniach tych dróg uwalnia się kilka przekaźników, z których dla desynchronizacji EEG największe znaczenie mają noradrenalina, 5-hydroksytryptamina, acetylocholina i kwas glutaminowy. Przekaźniki te powodują in vitro depolaryzację neuronów części środkowej wzgórza i hamują wolne oscylacje typu wrzecion i fal delta w jej obrębie i obrębie kory mózgu. W EEG wyraża się to zanikiem fal wolnych i zastąpieniem ich rytmami szybkimi o częstotliwości 20-80 Hz. Mechanizm powstawania szybkich oscylacji nie jest bliżej znany. Ich źródłem są prawdopodobnie impulsy powstające w różnych strukturach układu siatkowatego. Zdesynchronizowana aktywność EEG jest wyrazem dwóch różnych stanów fizjologicznych mózgu - czuwania i snu REM. Według Hobsona i Stickgolda (1995) w powstawaniu desynchronizacji EEG podczas czuwania główną rolę odgrywa noradrenalina, powstająca w neuronach miejsca sinawego, i 5-hydroksy- tryptamina, powstająca w jądrach szwu. Natomiast podczas snu REM, gdy są zahamowane neurony noradrenergiczne i serotoninergiczne, przeważa wpływ neuronów cholinergicznych. 342 Marzenia senne :- - >v- ?... '- Subiektywnym atrybutem snu człowieka są marzenia senne. Od zarania dziejów interesowano się tym zjawiskiem i starano się zrozumieć jego znaczenie. Za pioniera obiektywnego podejścia do marzeń sennych można uważać Arystotelesa, który uznawał je za przejawy czynności psychicznej śpiącego człowieka. Uważał, że mogą być one wynikiem słabego podrażnienia narządów ciała, a zatem mogą sygnalizować chorobę. Warto podkreślić, że już w starożytności dostrzegano niejednorodność tego zjawiska. I tak, Artemidor z Daldis dzieli sny na bezpośrednio odtwarzające doznania otrzymywane w stanie czuwania (teraz wiemy, że takie marzenia występują podczas okresu IV snu NREM) oraz sny odnoszące się do przyszłości, często o charakterze symbolicznym, których treść odpowiada marze- niom sennym występującym podczas snu REM. Systematyczne i naukowo udokumentowane badania nad marzeniami sennymi zaczęto prowadzić dopiero w XIX wieku, gdy zjawiskiem tym zajęli się filozofowie i psychologowie. Marzeniami sennymi interesowali się Freud (1900) i Jung, jednak kładli oni nacisk na komponent subiektywny marzeń sennych i w interpertacji tych zjawisk nawiązywali do wyznawanych przez siebie poglądów na organizację czynności psychicznych człowieka. Dlatego na podstawie wyników tych badań nie można ustalić związku marzeń sennych z czynnością ośrodków mózgowych. Nowoczesne badania nad biologicznym podłożem marzeń sennych stały się możliwe wraz z rozwojem nowoczesnych metod klasyfikacji snu, opartych na skomputeryzowanej technice elektroencefalograficznej i aktograficznej. Obserwacje są prowadzone u ochotników w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych, a ostatnio także w domu, we własnym łóżku badanego. W początkowym okresie tych badań osoba badana, z elektrodami umieszczonymi na głowie, przesypiała noc w łóżku umieszczonym w pracowni elektroencefalograficznej. W tym czasie badający stale śledził zapis EEG i w momencie pojawienia się interesującej go fazy snu budził swego pacjenta, pytając go o treść przeżytego marzenia. Przez pewien czas sądzono, że marzenia senne występują tylko podczas snu REM. Później okazało się, że pojawiają się także podczas snu NREM, zwłaszcza w okresie IV (sen delta). Rozbieżności między wynikami uzyskanymi w różnych laboratoriach kładziono na karb sposobu prowadzenia obserwacji. Podkreślano, że niecodzienne warunki życia w laboratorium różnią się od warunków, w jakich badany zwykł sypiać we własnym łóżku, bez krępującego kasku na głowie, a zatem sen „laboratoryjny" jest tylko odległym analogiem naturalnego snu „domowego". Mamelak i Hobson (1989) skonstruowali urządzenie analizujące sen w nor- malnych warunkach bytowania. W toku wstępnych obserwacji badacze ci stwier- dzili, że w przejściach między czuwaniem, snem NREM i snem REM śpiący człowiek wykonuje charakterystyczne ruchy, a także zmienia ułożenie ciała. Sama tylko rejestracja tych ruchów, znacznie łatwiejsza od ciągłego zapisu EEG, wystarcza do adekwatnej oceny faz snu. Urządzenie do badania snu składa się z czujników wrażliwych na ruchy ciała, ruchy oddechowe i ruchy gałek ocznych. Informacja z czujników jest analizowana przez mikroprocesor i przekazywana do rejestrów pamięci, której pojemność jest obliczona na 30 całonocnych rejestracji. 343 f Jednocześnie badanemu poleca się głośno relacjonować, natychmiast po przebu- dzeniu się, treść przeżytego marzenia sennego. Treść relacji zostaje zapisana na taśmie magnetofonowej. Badany budzi się spontanicznie albo jest budzony przez komputer zgodnie z zaprogramowanym schematem, aby zarejestrować treść marzenia sennego, jakie przeżył w określonej fazie snu. Badania wykonane tą metodą potwierdziły, że marzenia senne występują zarówno w okresie IV snu NREM, jak i podczas snu REM, różnią się jednak pod względem treści. Marzenia w czasie snu NREM są pod względem realności przeżyć podobne do doznań w czasie czuwania i często stanowią ich kontynuację. Natomiast marzenia senne występujące podczas snu REM charakteryzuje nierealna, zmienna i zazwyczaj dziwaczna treść. Można sądzić, że sny o niezwykłej treści, opisane i nazwane przez Junga archetypowymi, występowały właśnie w tej fazie. Aby ustalić neurobiologiczne podłoże marzeń sennych, badacze nawiązują do wyników badań na zwierzętach, w których wykazano aktywność różnych struktur i układów neuroprzekażnikowych mózgu podczas czuwania, snu NREM i snu REM (McCarley i Hobson, 1977; Hobson i Stickgold, 1995). Zwrócono uwagę, że iglice PGO, wykryte najpierw u kota i początkowo uważane za specyficzny atrybut snu u tego gatunku, występują także podczas snu REM u człowieka i mogą być wyrazem wzmożonej czynności podkorowych i korowych ośrodków wzroku. Z tego powodu w marzeniach sennych dominują doznania wzrokowe. Źródłem pobudzenia układu wzrokowego nie są jednak, jak w stanie czuwania, impulsy nerwowe pochodzące z siatkówki, lecz impulsy nerwowe powstające w neuronach mostu i docierające drogami cholinergicznymi do ciała kolankowatego bocznego i do ośrodków wzrokowych kory mózgu. Impulsy te aktywują ślady pamięciowe zakodowane w asocjacyjnych obszarach kory wzrokowej. Jednocześnie wskutek zmniejszenia aktywności układu noradrenergicznego i serotoninergicznego podczas snu REM ustaje modulujący wpływ noradrenaliny i 5-hydroksytryptaminy na czynność ośrodków kory, charakterystyczny dla stanu czuwania, dlatego zakodowana w nich informacja jest odtwarzana chaotycznie, a powstające wtedy doznania są nie tylko nierealne w treści, lecz także dziwaczne pod względem wzajemnych powiązań. Oprócz dominujących doznań wzrokowych treścią marzeń sennych bywają werbalne i niewerbalne efekty akustyczne. Stwierdzono je u ponad 60% badanych. Do typowych przeżyć należy też uczucie latania, spadania i szybkiego przemiesz- czania się w przestrzeni (McCarley i Hoffman, 1981). Zjawiska te świadczą o tym, że podczas snu REM są pobudzone ośrodki sensoryczne różnych modalności zmysłowych. i;rr? .•,-_< wr- „< ?' ??»,-: ::;??;,••;?:?;-:. ?: ;???• ' ???'?-.ry'??, ? Na szczególną uwagę zasługuje odczucie w marzeniach sennych aktywności ruchowej. Odczucie to częściej dotyczy ruchów kończyn dolnych i chodzenia niż ruchów manipulacyjnych kończyn górnych. Porównanie doznań badanych z wyni- kami eksperymentów na zwierzętach pozwala sądzić, że podczas snu REM u człowieka są pobudzone ośrodki ruchowe (McCarley, 1994). Jednak tę fazę snu charakteryzuje bezruch i zmniejszenie napięcia mięśniowego z powodu hamującego działania tworu siatkowatego mostu na ośrodki ruchowe rdzenia kręgowego. To dlatego gdy treścią marzenia sennego jest niebezpieczna sytuacja, która nakazuje śpiącemu ucieczkę, nogi wydają się bezwładne i odmawiają posłuszeństwa. 344 Właściwości czuwania i snu u zwierząt Okresowa sekwencja czuwania i snu jest właściwością wszystkich kręgowców stałocieplnych. U niektórych ssaków, na przykład u królików, podobnie jak u człowieka we wczesnym okresie po urodzeniu, sen jest policykliczny, tzn. pojawia się na przemian z czuwaniem wielokrotnie w ciągu doby. U większości zwierząt okresy czuwania i snu podlegają rytmice dobowej, sterowanej przez światło. Przyjmuje się, że sen REM pojawił się u ptaków i ssaków wraz ze zdolnością utrzymania stałej temperatury ciała. Choć zmiennocieplne kręgowce również wykazują okresy zmniejszonej aktywności wraz z całkowitym znieruchomieniem, to jednak stan ten nie spełnia wyżej podanych elektroencefalograficznych kryteriów snu. Niektórzy badacze jednak dopatrują się występowania snu wolnofalowego (ale nie snu REM) u gadów. U ptaków występują dwie odmiany stanu czuwania: aktywna i spokojna. Forma aktywna odpowiada stanowi czuwania u ssłaków. Forma spokojna charak- teryzuje się znieruchomieniem i zmniejszoną wrażliwością na bodźce (a więc pod względem behawioralnym przypomina stan snu), nie wykazuje jednak charakterys- tycznych dla snu fal wolnych. Prawdopodobnie występowanie tej formy ułatwia zaistnienie „prawdziwego" snu wolnofalowego. Sen wolnofalowy zajmuje u ptaków ponad 90% całego czasu snu, natomiast mniej niż 10% przypada na sen aktywny (odpowiednik snu REM ssaków). Osobliwością ptaków jest występowanie snu jednopółkulowego. Ptak ma wówczas, inaczej niż inne zwierzęta, zamknięte tylko jedno oko. Przeciwległa względem tego oka półkula mózgu wytwarza fale EEG charakterystyczne dla snu wolnofalowego, natomiast druga półkula - fale typowe dla stanu czuwania. Niekiedy obserwuje się naprzemienny sen i czuwanie raz jednej, raz drugiej półkuli (Amlaner jr i Bali, 1994). Czas trwania snu u ssaków różni się w zależności od gatunku. Spośród zwierząt domowych najwięcej czasu na sen (12-13 godzin w ciągu doby) przeznacza kot. Nieco krócej, 10 godzin na dobę, sypia pies. Zwierzęta te ustępują jednak pod tym względem oposom i nietoperzom (18-19 godzin). Mało snu potrzebują żyrafy i konie (2-3 godziny). Sen REM zajmuje u ssaków średnio 21% ogólnego czasu snu, najmniej u wiewórki (11%), najwięcej u jeża (35%) (Zeppelin, 1994). Potrzeba snu a skłonność do snu Badania na ludziach z wymuszoną bezsennością wykazały, że czas snu na- stępującego po przedłużonym okresie czuwania jest krótszy, niżby to wynikało z ogólnego deficytu snu. Najbardziej spektakularnym przykładem jest człowiek, który po rekordowym okresie 264 godzin permanentnej bezsenności spał tylko 14,4 godziny (Gulevich i wsp., 1966). U ludzi pozbawionych snu obserwowano wahania poziomu czujności, a nie, jak można by oczekiwać, stałe jego obniżenie. I wreszcie stwierdzono, że ludzie, którzy znaleźli się w innej strefie czasowej i są zatrudnieni 345 ftys. 13.13. Rytmika dobowa skłonności do snu. Potrzeba Po nieprzespanej nocy Oscylacje skłonności do snu 6 12 18 24 6 12 18 24 6 12 18 24 6 Godziny w systemie pracy zmianowej, śpią krócej i przynajmniej na początku nie wyrównują w pełni powstałego deficytu snu, choć krótszy czas trwania snu może być w pewnym stopniu rekompensowany jego większą głębokością. Wszystkie te obserwacje nasuwają kilka wniosków. Po pierwsze, czas snu nie odzwierciedla bezpośrednio stopnia biologicznej potrzeby snu. Po drugie, uczucie senności przeplata się w ciągu dnia z okresami zwiększonego poziomu czujności, co pozwala sądzić, że stany te podlegają rytmice dobowej. Trzeci, najważniejszy może wniosek, to założenie, że aby sen spełnił swą funkcję regeneracyjną, musi przypadać na odpowiednią porę doby (rys. 13.13). Początkowe teorie o regeneracyjnej roli snu REM nie znalazły potwierdzenia. Obecnie większość badaczy jest zgodna, że głębokość snu jest największa w IV okresie snu NREM, zwanym snem delta. Świadczy o tym rozkład poszczególnych faz i okresów snu w ciągu nocy. Wkrótce po zaśnięciu pojawiają się okresy III i IV snu NREM, natomiast w drugiej połowie nocy przeważa okres II, a nawet I, przeplatane z epizodami snu REM. Sen następujący po przedłużonym okresie czuwania zawiera więcej niż normalnie fal wolnych delta, natomiast sen REM nie zmienia się lub wydłuża się stosunkowo nieznacznie. I odwrotnie, jeśli badany w ciągu dnia „uciął" sobie drzemkę poobiednią, jego późniejszy sen nocny zawiera mniej fal wolnych delta. I wreszcie o regeneracyjnej roli snu delta świadczą wyniki badań z wybiórczym pozbawianiem ludzi tego okresu. Badany spał w laboratorium pod stałą kontrolą elektroencefalograficzną. Gdy tylko w zapisie EEG ukazywały się fale delta, eksperymentator, działając na badanego bodźcami dotykowymi lub akustycznymi, powodował zanik tych fal, a tym samym spłycenie snu. W ciągu następnej nocy, gdy nie zakłócano przebiegu snu, pojawiało się więcej niż normalnie fal delta. Podobne wybiórcze pozbawianie badanych snu REM nie nasilało, przynajmniej w tak znacznym stopniu, występowania tej fazy w ciągu następnej nocy. Chcąc wyjaśnić powyższe obserwacje Borbely (1982) wysunął teorię, że sen zależy od dwóch odrębnych mechanizmów - od czynnika homeostatycznego, czyli potrzeby snu, oraz od tzw. skłonności do snu. Potrzeba snu jako odchylenie od swoistego rodzaju homeostazy nie podlega rytmice dobowej, lecz narasta w miarę trwania czasu czuwania. Natomiast skłonność do snu, regulowana przez „zegar biologiczny", wykazuje oscylacje dobowe: jest najmniejsza w ciągu dnia, zaczyna narastać wieczorem i osiąga szczyt nad ranem. Normalny sen nocny przypada zatem na okres, gdy odpowiedni poziom potrzeby snu nakłada się na odpowiedni 346 poziom skłonności do snu. Człowiek układający się do snu rano po nieprzespanej nocy śpi o wiele za krótko w stosunku do obiektywnej potrzeby, ponieważ czas snu przypada wówczas na okres niewielkiej skłonności do snu. Do rozkojarzenia czynników sterujących snem dochodzi także wtedy, gdy człowiek znajdzie się w innej strefie czasowej. Wtedy skłonność do snu oscyluje jeszcze zgodnie z rytmiką właściwą miejscu zamieszkania i rozmija się z potrzebą snu, powstałą w czasie związanym z wymogami nowego środowiska. I Biologiczna rola snu Sen należy do podstawowych potrzeb biologicznych. Pozbawianie snu jest znoszone przez zwierzęta znacznie gorzej niż głodzenie, a także tym gorzej, im młodszy jest osobnik. Badania przeprowadzone na ochotnikach wykazały, że już po 24-godzin- nym nieprzerwanym czuwaniu dochodzi do zakłóceń funkcjonowania procesów psychicznych. Po deprywacji trwającej 48 godzin rozwijają się zaburzenia percepcji, które niekiedy przybierają postać halucynacji, pojawia się depresja, a niekiedy agresywność. Powszechnie uważa się, że sen jest formą odpoczynku dla neuronów zaangażowanych w procesy uczenia się i myślenia, jednak istota snu mimo intensywnych badań dotychczas nie jest znana. Według poglądów etologów potrzeba snu inicjuje popęd, a ten z kolei uruchamia zachowania poprzedzające sen. Zachowania te (w terminologii etologicz- nej nazwane apetencyjnymi) zmierzają do zapewnienia zwierzęciu odpowiednich warunków (właściwe podłoże, temperatura, ograniczenie dopływu bodźców zewnętrznych), a także bezpieczeństwa (jak zapewnienie kryjówki). U dzieci potrzeba snu często manifestuje się, odwrotnie niż u dorosłych, pobudzeniem. Natomiast sam sen jest uważany za działanie spełniające, prowadzące do zaspokojenia specyficznej potrzeby. Świadczy o tym odświeżające działanie krótkotrwałej drzemki w warunkach wymagających długotrwałej czujności, na przykład u kierowców po jeździe na długiej trasie. Znaczenie snu REM nie jest jasne. Według niektórych poglądów w tej fazie snu dochodzi do konsolidacji śladów pamięciowych. Przyjmuje się, że w sieciach nerwowych mózgu odłączonego od wpływów świata zewnętrznego krążą wówczas nieustannie impulsy, co usprawnia czynność synaps. Rozrusznikiem dla tych rytmicznych pobudzeń może być generator iglic PGO w moście. Proces ten może się przyczyniać do wzmacniania i stabilizacji połączeń między neuronami, nabywanych w toku uczenia się podczas czuwania (Kavanau, 1995). Zaburzenia wynikające z przesunięcia faz snu i czuwania Jeżeli godziny snu i czuwania ulegają przesunięciu względem standardu (za który przyjmuje się sen trwający od godziny 23.00 do godziny 7.00), może wystąpić przyspieszenie lub opóźnienie występowania tych stanów. Powstałe wtedy zabu- rzenia nazwano odpowiednio zespołami przyspieszonej i opóźnionej fazy snu. 347 W pierwszym przypadku człowiek układa się do snu wcześniej niż inni, na przykład około godziny 21.00, i budzi się około godziny 5.00. W drugim przypadku nie może zasnąć przed godziną 1.00-2.00, co kompensuje snem do godziny 9.00-10.00 rano. Za przyczynę tych zaburzeń uważa się desynchronizację pracy wewnątrzustrojowego „zegara biologicznego" względem zewnętrzych syg- nałów czasu. Jeżeli przesunięcie faz snu i czuwania odpowiada rozkładowi zajęć danej osoby, wówczas na ogół nie powoduje ujemnych następstw. Inaczej jest, gdy człowiek, który zasnął dopiero nad ranem, musi w pełnej sprawności psychicznej zjawić się w pracy o godzinie 8.00. W takich sytuacjach resynchronizacja rytmiki dobowej snu z wymogami życia codziennego staje się ważnym problemem medycznym. W leczeniu przesunięć faz snu i czuwania dąży się do zmiany cyklu pracy głównego synchronizatora rytmów okołodobowych, jakim jest jądro nadskrzyżo- waniowe podwzgórza. Do zasługujących na uwagę sposobów postępowania należy chronoterapia i leczenie światłem (fototerapia). Chory z zespołem opóźnionej fazy snu powinien kłaść się do łóżka codziennie o trzy godziny później, wydłużając tym samym sztucznie dobę do 27 godzin, a więc kolejno o godzinie 1.00, 4.00, 7.00 itd., aż osiągnie pożądaną godzinę rozpoczynania snu (22.00-23.00). Od tej chwili poleca mu się rygorystycznie przestrzegać nowego czasu snu, również w dniach wolnych od pracy. Postępowanie to jest mniej skuteczne w zespole przyspieszonej fazy snu. ;.,:..:??? . ?.???< >'.?<••< .< , Do celów fototerapii skonstruowano różne rodzaje lamp, emitujących światło o intensywności od 2500 do 10000 luksów, umieszczanych przed oczami pacjenta. W zespole opóźnionej fazy snu zabiegi fototerapeutyczne powinny być stosowane we wczesnych godzinach rannych, natomiast w zespole przyspieszonej fazy snu - wczesnym popołudniem (Terman, 1994). Dane kliniczne na temat skuteczności tego leczenia są jednak jeszcze nieliczne. Sezonowe obniżenie nastroju (depresja sezonowa) jest dolegliwością pojawia- jącą się zimą i wczesną wiosną, głównie w szerokościach geograficznych o długich nocach zimowych. Wraz z depresją często występuje zespół opóźnionej fazy snu. Korzystne efekty uzyskiwano, stosując leczenie światłem we wczesnych godzinach rannych (np. światło o natężeniu 2500 luksów stosowane przez 2 godziny dziennie albo światło o natężeniu 10000 luksów stosowane przez 30 minut). 14. Regulacja homeostazy wewnątrzustrojowej Organizmy dążą do utrzymywania swych procesów życiowych na pewnym optymalnym poziomie. Stan taki zapewniają im zarówno własne mechanizmy fizjologiczne, jak też właściwości środowiska fizycznego i biologicznego: dostępność pokarmu i wody, posiadanie terytorium, mieszkania, ochrona przed niebezpieczeństwem, możliwości rozrodu. Znaczniejsze odchylenia od optimum wyzwalają reakcje fizjologiczne lub behawioralne, zmierzające do przywrócenia pożądanych parametrów czynności organizmu, na przykład temperatury wnętrza ciała. Niekiedy wiąże się to ze zmianą miejsca pobytu w poszukiwaniu źródeł pokarmu czy lepszych warunków klimatycznych albo z nową organizacją życia w grupie. Tak rozumianą stałość warunków bytowania organizmu nazwano homeostazą. ? - Homeostaza wewnątrzustrojowa W ogólnobiologicznym pojęciu homeostazy mieści się jej węższy zakres - tendencja organizmów wielokomórkowych do utrzymania stałości swego środowi- ska wewnętrznego. Ze środowiskiem zewnętrznym stykają się tylko niektóre komórki, na przykład powłok i błon śluzowych, natomiast komórki umieszczone w głębi ciała mają własne środowisko, zwane środowiskiem wewnętrznym ustroju. Środowisko to jest utworzone przez płyn zwany zewnątrzkomórkowym, ponieważ znajduje się na zewnątrz komórek. Do płynu zewnątrzkomórkowego należy płyn tkankowy, bezpośrednio otaczający komórki narządów, którego właściwości są najprecyzyjniej utrzymywane na odpowiednim poziomie, oraz krew, która jest nośnikiem tlenu, substancji odżywczych i produktów przemiany materii między komórkami organizmu a środowiskiem zewnętrznym. Jej skład może w pewnych granicach zmieniać się w różnych stanach fizjologicznych. Właściwe środowisko komórek organizmu - płyn tkankowy - jest w sensie biocybernetycznym układem otwartym, o względnie stabilnych parametrach fizycznych i chemicznych, który, za pośrednictwem krwi, wymienia z otoczeniem składniki niezbędne do życia. 349 j^K_ Pojęcie środowiska wewnętrznego organizmu, w znaczym stopniu niezależnego od otoczenia, stworzył Claude Bernard, Walter Cannon zaś nazwał stałość tego środowiska homeostazą (1932). Na tak rozumianą homeostazę, czyli na homeostazę wewnątrzustrojową, składa się stały odczyn chemiczny (pH), stałe stężenie osmotyczne płynów ustrojowych, podlegające niewielkim wahaniom stężenie glukozy i niektórych jonów (np. jonów wapnia) we krwi, względnie stabilna temperatura wewnętrzna ciała u zwierząt stałocieplnych i utrzymywana w dość wąskim zakresie wahań objętość krwi. Z biegiem czasu, podobnie jak ogólnie w naukach biologicznych, również w fizjologii pojęcie homeostazy rozszerzono na wiele innych czynności ustroju, podlegających regulacji ilościowej. W ten sposób powstało pojęcie homeostazy energetycznej, polegającej na zrównoważeniu przyjmowanej i wydatkowanej energii i utrzymywaniu się, u dorosłego osobnika, ciężaru ciała na stałym poziomie. Na podstawie pierwotnej koncepcji homeostazy powstało pojęcie punktu \ nastawczego (set-poini), czyli aktualnie optymalnego poziomu regulacji danego parametru środowiska wewnętrznego w zależności od rodzaju wykonywanych czynności. Na przykład inny jest punkt nastawczy termoregulacji w czasie snu, a inny w czasie wykonywania intensywnego wysiłku fizycznego. Mechanizmy regulacji homeostazy wewnątrzustrojowej Aby homeostaza była utrzymywana na odpowiednim poziomie: 1) musi istnieć mechanizm wykrywający niewielkie odchylenia od optimum, 2) muszą zostać uruchomione reakcje, zwane homeostatycznymi, prowadzące do wyrównania powstałego odchylenia i 3) reakcje te muszą zostać przerwane, gdy odchylenie od homeostazy zostanie usunięte. Odchylenia od homeostazy są wykrywane przez czujniki (receptory, detektory) umieszczone w różnych narządach organizmu. Informacja pochodząca z różnych czujników jest integrowana w ośrodkach mózgowych, z których następnie są wysyłane komendy do narządów wykonawczych. Bodźcami uruchamiającymi reakcje homeostatyczne mogą być czynniki nerwowe (pobudzenie receptorów) lub humoralne (nadmiar lub brak właściwej substancji chemicznej w płynie zewnątrzkomórkowym). Do pobudzenia receptorów ciepła lub zimna dochodzi w wyniku działania na organizm wysokiej lub niskiej temperatury otoczenia. Przykładem czynnika humoralnego jest zmniejszenie stężenia glukozy we krwi. Sama reakcja homeostatyczna może przebiegać, angażując układ nerwowy wegetatywny, układ ruchowy lub mechanizm hormonalny. Reakcją wegetatywną jest rozszerzenie naczyń krwionośnych skóry i pobudzenie gruczołów potowych w odpowiedzi na podwyższoną temperaturę otoczenia, reakcją ruchową - przemieszczenie się do chłodniejszego miejsca. Mechanizm hormonalny utrzymuje, w stosunkowo wąskim zakresie, stężenie glukozy we krwi. Ponieważ wytwarzanie i wydzielanie większości hormonów zależy od układu nerwowego, utrzymanie homeostazy przeważnie jest skutkiem działania mechanizmów neurohormonalnych. Reakcjami homeostatycznymi sterują ośrodki mózgowe, wśród których ważna rola przypada podwzgórzu. W podwzgórzu znajdują się detektory wykrywające 350 stężenie składników pokarmowych we krwi, temperaturę krwi oraz stężenie osmotyczne osocza. Docierają tu informacje o objętości krwi, o wypełnieniu przewodu pokarmowego, o rezerwach tkanki tłuszczowej. Z kolei podwzgórze steruje wydzielaniem wielu hormonów i czynnością układu wegetatywnego, czyli uruchamia neurohormonalne reakcje homeostatyczne. < Regulacja homeostazy wewnątrzustrojowej przez hormony Pierwotnie za hormony uważano biologiczne aktywne związki wytwarzane przez gruczoły wydzielania wewnętrznego (wewnątrzwydzielnicze, dokrewne, bezprze- wodowe) i uwalniane z nich bezpośrednio do krwi. Nazwa „hormon" pochodzi od greckiego imiesłowu óp|uć5v, hormon - pobudzający. W istocie bowiem działanie hormonów sprowadza się do pobudzania (ale też i hamowania) różnych procesów fizjologicznych w komórkach, tkankach i narządach. Hormony są wydzielane nie tylko przez gruczoły sensu stricto, lecz także przez komórki rozproszone w innych narządach (jak renina w narządach przy- kłębuszkowych w nerkach). Hormony docierają do swych miejsc działania nie tylko drogą krwi, lecz również przez płyn mózgowo-rdzeniowy czy rozprze- strzeniając się w płynie tkankowym. Dlatego obecnie za hormon uważa się substancję wytwarzaną przez komórkę, regulującą czynność innej, a nawet tej samej komórki. - " - ?-?...'.) Powstawanie i wydzielanie hormonów Pod względem budowy chemicznej rozróżnia się hormony steroidowe, hormony pochodzące od aminokwasu tyrozyny oraz hormony o strukturze peptydowej. Hormony steroidowe, o strukturze podobnej do cholesterolu, powstają w korze nadnerczy i w gruczołach płciowych. Pochodnymi aminokwasu tyrozyny są hormony tarczycy - tyroksyna i trijodotyronina, oraz hormony części rdzennej nadnerczy - adrenalina i noradrenalina. Pozostałe hormony są peptydami o różnej długości cząsteczki. Bodźcem do uwolnienia hormonu z komórki może być sygnał nerwowy, inny hormon lub - w przypadku hormonów tkankowych - lokalna zmiana chemiczna w tkance. Niektóre hormony uwalniają się natychmiast po zadziałaniu bodźca i rozwijają pełne działanie w ciągu niewielu sekund, szybko jednak są rozkładane przez enzymy. Natomiast szczególnie powolnym działaniem odznaczają się hormony tarczycy. Są one przechowywane w tarczycy niekiedy przez kilka miesięcy, a uwolnione - rozwijają pełne działanie po kilku godzinach, a nawet dniach. Raz pobudzony, gruczoł wydzielania wewnętrznego ma tendencję do wy- twarzania hormonu jeszcze po ustaniu działania bodźca. Nadmiernemu uwalnianiu hormonu przeciwdziała mechanizm oparty na ujemnym sprzężeniu zwrotnym. Na przykład hormon adrenokortykotropowy stymuluje uwalnianie glikokortyko- steroidów z kory nadnerczy. Reakcja ta jest zwrotnie hamowana przez kortyko- steroidy działające na przysadkę. i i 351 Mechanizm działania hormonów na narządy », : f: •?; : > Hormony uwalniane do krwi osiągają odległe narządy docelowe w bardzo małym stężeniu. Mogą wywierać efekt fizjologiczny tylko dlatego, że komórki tych narządów są wyposażone w wysoce czułe receptory, swoiście wrażliwe na dany hormon. Receptory hormonów steroidowych znajdują się we wnętrzu komórki. Działanie tych hormonów przebiega w kilku etapach. Hormon najpierw wnika do cytoplazmy komórki, gdzie wiąże się ze swoistym białkiem receptorowym. Następnie kompleks hormon-receptor jest transportowany do jądra komórki, wiąże się ze swoistymi miejscami w łańcuchach DNA i wyzwala proces transkrypcji swoistych fragmentów DNA. Utworzony w tym procesie mRNA przechodzi do cytoplazmy i uruchamia syntezę swoistego białka, stymulującego procesy metaboliczne w komórce (rys. 14.1). ...?...,.:.,...'. Mechanizmy działania hormonów. Hormon steroidowy Hormon peptydowy Trijodotyronina Receptory wewnątrz- jądrowe hormonu \ Kompleks receptor- -hormon Miejscem działania hormonów tarczycy (tyroksyny i trijodotyroniny) jest DNA. Hormony te wchodzą do jądra komórki i stymulują ekspresję genów syntetyzujących białka o charakterze enzymów. Enzymy te są katalizatorami reakcji chemicznych, które nasilają procesy przemiany materii w komórce. Ze względu na długotrwały związek hormonów tarczycy z receptorem ich działanie w komórce utrzymuje się przez wiele tygodni. Receptory pozostałych hormonów znajdują się w błonie komórek. Przeważnie są to receptory metabotropowe, a zatem do pobudzenia procesów biochemicznych w komórce dochodzi w wyniku działania przekaźników wtórnych. Hormony przysadki Szczególną rolę w utrzymaniu homeostazy wewnątrzustrojowej odgrywa przysadka. Jej czynność wydzielnicza jest precyzyjnie regulowana przez podwzgórze na podstawie informacji otrzymanych zarówno z narządów i tkanek, a więc ze 352 ?S? dis bzobj sjbmosojm biu^zobu siudSjsBN sMozjoSzMpod Xuouuoq sis fefe uAZDBU 3IUSB{AV qoAj OQ qo?lBMOSOJAY U/faOBU 03IS BU 3IS BfBI foMO5[pojsod iosojsoiuAm op 3ofezpoqoop szoiujdł biu^zob^ qoXusouoiMj5j u nuisjsAs o§3U[Bp3ds feooraod bz Sis BM.Aqpo p[pBsXzid op BZJO§ZMod z Mououiioq f3MO5[pOJSOd pSOJSOIU^M 3iqSiqO M 9IUBIU|BMn BS T 3IS BpBMnSSZj ( zMpod qoBOsfoiui ip/iuzoi AV BfBJSMOd pjpBSAzjd BJB^d O§3IUp9Zjd PSOUUAZO 3OBftqn§3J raiBuouuoq submAzbu fapsazo bs 3iuoaqo o§ajBip i Op pAZDIJBZ BUZOUI 3J D[IUU/(ZO 3uMo3X5J3S p[JOUIO5[ 9UOJS3X5[O BU 3IUBJBIZp 3JSIOMS I iau5[ feSojp pfpBS^zjd op 3is Biuszsouazjd 'BiUBMBjsMod qosods bu npsjSzM az - /wouoraioq anrepizpjCw Bfnureq aaopi aj b 'raiXoBfBnqBAvn foiuMBp 'p[pBsXzjd Mououuoq aiirepizp^M B(Bzpnqod -nzjo§ZMpod av aofefBłSMod 3fouBjsqns 3um^ -oiq zazjd 3UBAV0jn§3j jsaf pipBS/{zjd BjB^d oSaiupazjd Mouorajoq zazjd pipes^zad Bjujd oSaiupazjd bu siu bj - 3ModojjopBUO§ Xuouuoq BMp i XoB(Bzpnqod) AAVodoj}oai?| '(^z^aop^u 3JO5[ bu uouuoq &is bzoi{bz Xdnj§ fo; oa oSauzjjauMa psouuXzo 30fefBzpnqod qXzo 'aModojj mz} Xuouuoq BU uoutioq zbjo Avououuoq 3iuBptzp/(M mojozotuS 5[3jouio5i zbjo ' I tlJSOJZM UOUUOq z XuozjoAY}n jsaf pjpBsAzad rapazjd jbjj rapazjd op zszjd '(uininątpunfui) ~ysks\ i 'pipBSy(zjd BMOfOzotuS psdzo o '(sijvjdqni suvd) BMoznS psazo 5is biuzoj/(a\ BOOUIOd BZ BZJoSzMpOd (VUVip9lU VllU3UllUd) M0MJ3U B|UBMOZy(ZJD[S po I 3M 3IS 3fnpfBUZ axq§jqo MO5JBSS tl 3IU3Z0BUZ 3ZSJ[3IAV 3IUZDBUZ BUI XjOJ5[ 'B3piMX){Z0 tl ^MOjpBZOZS 'TUpSJSOd }B{d BJ3lZp3Zjd 3J X;By ?(SlSfa{dOC[fa{OMdU) BMOAU3U B5[pBSXzjd ^UBM^ZBU }S3f 0§3}B{p 'f3M0MJ3U p[UB5p z §is BfiMzoj yCu^j jBfd \sis(o\doddx{oudpv) BMOjozoniS B5[pBsXzjd zsj jssf Xubas.z i f3MO5[uo|qBu ppiB5p z izpoqood tupszjd jb^j oSsu^ł i oSsrapszid XuozDiuBJ§po 3IUZbjXm qDOMp z Sis 5[3JOUIO5[ 3IUBMOUOp5[Unj BftlJ[gKpO i Avououiioq uisMjorapsjsod bz qtq oxup3jsodz3q 'p[pBsXzjd Xuouuoq 0S3UZfl5UAV3Z B^SIMOpOIS 3Z Z3J 5[Bf 'nUIZIUB§JO O§3UZJJ9UAV3M Rys. 14.2. Hormony przysadki; POMC - proopiomelanokortyna. Hormon uwalniający... ...hormony gonado- pnnw7r(SD7C ...hormon tropowe PODWZGORZE wzrostu (QnRH ...tyreo- Somato- (GRH) _ tropinę C statyna (SRIF) Skrzyżowanie nerwów wzrokowych Czynnik hamujący uwalnianie prolaktyny(PIF) Estrogeny <^r Progesteron^ NADNERCZA Glikokortykosteroidy MACICA Wazopresyna NERKI Narządy Insulinopodobny czynnik wzrostu I (IGF I) w naczynia wrotne, które biegną wzdłuż szypuły do przysadki i w obrębie przedniego płata ponownie rozgałęziają się na sieć naczyń włosowatych. Większość hormonów podwzgorza po dotarciu do przysadki powoduje uwolnienie do tej sieci odpowiednich hormonów. Naczynia włosowate po przejściu przez przysadkę ponownie łączą się w żyły, którymi uwolnione hormony dostają się do krwiobiegu. Hormon adrenokortykotropowy i kora nadnerczy Hormon adrenokortykotropowy (kortykotropina, adrenocorticotropin hormone - ACTH) uwalnia się w wyniku zadziałania na komórki przysadki podwzgorzowego hormonu uwalniającego kortykotropinę (corticotropin releasing hormone - CRH). Neurony wytwarzające ten hormon znajdują się w jądrze przy komorowym (nucleus paraventricularis) podwzgorza, a ściślej - w jego części przy środkowej. Część ta 354 jest zbudowana z neuronów o małych rozmiarach, dlatego też jest nazywana drobnokomórkową. Miejscem działania ACTH jest kora nadnerczy. Nadnercza są parzystym gruczołem wydzielania wewnętrznego, umieszczonym w sąsiedztwie górnych biegunów nerek. Każde nadnercze zawiera dwa odrębne gruczoły - część rdzenną i część korową. Część rdzenna nadnerczy pod wględem funkcjonalnym należy do układu współczulnego, ponieważ wytwarza adrenalinę. Pod względem działania fizjologicznego hormony kory nadnerczy można podzielić na trzy grupy: glikokortykosteroidy (glikokortykoidy), mineralokortykosteroidy (mineralokortykoidy) oraz androgeny. Glikokortykosteroidy wpływają na syntezę węglowodanów, mineralokortykosteroidy uczestniczą w regulacji gospodarki solami mineralnymi, androgeny zaś wywierają działanie podobne do męskiego hormonu płciowego testosteronu. Głównym mineralokortykosteroidem jest aldosteron. Wszystkie hormony kory nadnerczy pod względem chemicznym są steroidami. Głównym miejscem działania ACTH w korze nadnerczy są komórki wytwarzające glikokortykosteroidy, natomiast stosunkowo słabiej wpływa ACTH na uwalnianie aldosteronu. Oś podwzgórzowo-przysadkowo-nadnerczowa. ' Glikokortykosteroidy '" Pojęcie osi podwzgórzowo-przysadkowo-nadnerczowej obejmuje następujący łańcuch oddziaływań: uwolnienie w podwzgórzu hormonu uwalniającego kortyko- tropinę -» uwolnienie ACTH w przysadce -» uwolnienie glikokortykosteroidów w nadnerczach. Oś ta odgrywa ważną rolę w adaptacji organizmu do środowiska, zwłaszcza w reagowaniu na bodźce stresowe, a więc ma znaczenie w utrzymaniu homeostazy wewnątrzustrojowej. Do biologicznie aktywnych glikortykosteroidów należy kortyzol (hydrokor- tyzon) i kortykosteron. Hormony te są wydzielane w różnej proporcji zależnie od gatunku zwierzęcia. U myszy, szczurów i królików praktycznie jedynym hormonem jest kortykosteron, u psów i kotów stwierdza się kilkakrotnie więcej kortyzolu niż kortykosteronu. U człowieka głównym glikokortykosteroidem jest kortyzol. Stosunek kortyzolu do kortykosteronu bywa różny u osobników tego samego gatunku, a także może się zmieniać pod wpływem różnych bodźców stresowych (Lissak i Endroczi, 1965). Glikokortykosteroidy wywierają wpływ na gospodarkę węglowodanową, białkową i tłuszczową. Ich główne działania są następujące: 1. Stymulują powstawanie glukozy ze źródeł innych niż węglowodany, głównie z aminokwasów. W wyniku tego procesu, zwanego glukoneogenezą, zwiększa się stężenie glukozy we krwi, a część glukozy zostaje zmagazynowana w wątrobie w postaci glikogenu. 2. Ułatwiają rozpad białek w tkankach i uwalnianie aminokwasów. Aminokwasy te są następnie wykorzystywane przez wątrobę do syntezy własnych białek albo są przekształcane w glukozę. . 3. Umożliwiają korzystanie z energii zawartej w tłuszczach przez uwalnianie kwasów tłuszczowych i pobudzanie ich utleniania. 355 \ Rys. 14.3. Hormony powstające z proopiomelanokortyny; ACTH - hormon adrenokortykotropowy; a-MSH - hormon a-melanotropowy; CLIP - podobny do .; r ., kortykotropiny peptyd płata pośredniego przysadki (ang. corticotropin-like inłermediate lobe peptide). Proopiomelanokortyna a-MSH CLIP y-lipotroplna p-endorfina Wydzielanie glikokortykosteroidow przez nadnercza znacznie wzrasta w stanie stresu. Zgodnie z poglądem Hansa Selyego, reakcja ta ma znaczenie adaptacyjne, ponieważ dostosowuje procesy przemiany materii w organizmie do wymogów aktualnej sytuacji. Reakcję stresową wywołują czynniki różnego rodzaju i po- chodzenia, takie jak uraz mechaniczny, infekcje, niska lub wysoka temperatura otoczenia, operacje chirurgiczne, a także silne przeżycia emocjonalne. U zwierząt taka reakcja występuje pod wpływem stresorow doświadczalnych, jak pływanie lub unieruchomienie. Hormony uwalniane wraz z ACTH Prekursorem ACTH jest proopiomelanokortyna. W komórkach przedniego płata przysadki z proopiomelanokortyny powstaje, oprócz ACTH, peptyd o dużej cząsteczce - P-lipotropina. p-Lipotropina ulega rozpadowi, w wyniku którego powstają mniejsze związki, w tym P-endorfina. U niektórych zwierząt rozpad P-lipotropiny odbywa się w płacie pośrednim przysadki. Powstają wówczas znaczne ilości p-endorfiny. Z proopiomelanokortyny powstaje jeszcze hormon a-melanotropowy, o budowie podobnej do ACTH, powodujący ciemne ubarwienie skóry u płazów, a u ssaków uczestniczący w regulacji pobierania pokarmu (rys. 14.3). Hormon wzrostu Wydzielanie hormonu wzrostu przez przysadkę zależy od dwóch przeciwstawnie działających hormonów podwzgórza: hormonu uwalniającego hormon wzrostu (growth hormone releasing hormone - GH-RH), zwanego somatoliberyną, i hor- monu hamującego, zwanego somatostatyną. Zgodnie z nazwą, hormon wzrostu ma znaczenie dla wzrastania organizmu, jego działanie trwa jednak przez całe życie i u dorosłego człowieka polega na regulacji różnych funkcji metabolicznych, głównie gospodarki węglowodanowej i białkowej. Hormon wzrostu współdziała z somatomedynami - związkami stymulującymi proces wzrastania kości. Działanie hormonu wzrostu na komórki organizmu wspomaga somatomedyna C, częściej nazywana insulinopodobnym czynnikiem wzrostu I (insuline-like growth factor I - IGF-I), ponieważ, podobnie 356 jak insulina, ułatwia przechodzenie glukozy przez błony komórkowe. Stężenie hormonu wzrostu we krwi wzrasta w stanach niedożywienia, w wyniku urazu, podczas wysiłku fizycznego, a także podczas snu. Niektórzy badacze przypisują temu hormonowi rolę w regulacji stanów czuwania i snu. Prolaktyna Prolaktyna jest uwalniana stale przez przysadkę, nawet bez działania właściwe- go hormonu podwzgórza. Natomiast hamuje jej uwalnianie hormon wytwarza- ny przez neurony dopaminergiczne jądra łukowatego (nucleus arcuatus) pod- wzgórza. Czynnikiem (hormonem) hamującym uwalnianie prolaktyny jest zatem dopamina. Głównym działaniem prolaktyny jest pobudzanie wydzielania mleka przez gruczoł sutkowy. Bodźcem do wydzielania prolaktyny jest wówczas ssanie brodawki piersiowej przez noworodka. U samic szczurów prolaktyna uwalnia się pod wpływem zapachu potomstwa (Grosvenor, 1965). Działanie prolaktyny nie ogranicza się do gruczołu sutkowego, zwłaszcza że hormon ten występuje również w organizmie męskim i u zwierząt nie karmiących potomstwa mlekiem. U gatunków ryb migrujących między wodami słodkimi i słonymi prolaktyna jest niezbędna do dostosowania się gospodarki elektrolitowej do zmiennych warunków środowiska. U ssaków prolaktyna uwalnia się pod wpływem bodźców i sytuacji stresowych. Szczególnie duże stężenie prolaktyny we krwi obserwowano u skoczków spadochronowych (Sachar, 1980). Rola prolaktyny w tych stanach organizmu nie jest jednak znana. Hormony tarczycy ,.,.;,,., VsU> ,;v/,,., ry ,it,^..-,-: . , < ,, , , , W organizmie ssaków tarczyca wytwarza dwa aktywne związki - tyroksynę i trijodotyroninę. Do uwolnienia tych hormonów dochodzi po zadziałaniu na komórki tarczycy hormonu tyreotropowego (tyreotropiny), uwalnianego w przednim płacie przysadki. Z kolei tyreotropina jest uwalniana pod wpływem swoistego hormonu uwalniającego tyreotropinę, wytwarzanego w podwzgórzu (thyrotropin releasing hormone - TRH). Tarczyca jest zbudowana z dużych pęcherzyków wypełnionych substancją zwaną koloidem. Głównym składnikiem koloidu jest białko tyreoglobulina. Hormony tarczycy powstają w wyniku przyłączenia jodu do aminokwasu tyrozyny, znajdującego się w tyreoglobulinie. Cząsteczka tyroksyny zawiera cztery, a cząs- teczka trijodotyroniny, uważanej za właściwy biologicznie aktywny związek, trzy atomy jodu. Tyroksyna może wywierać działanie po odłączeniu jednego atomu jodu i przekształceniu się w trijodotyroninę. Czynność tarczycy jest regulowana za pomocą dwóch pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego (rys. 14.4). Funkcjonowanie jednej pętli polega na tym, że hormony tarczycy, a bezpośrednio trijodotyronina, hamują uwalnianie tyreotropiny z przysadki i tym samym zmniejszają oddziaływanie przysadki na tarczycę. Drugie hamujące działanie hormonów tarczycy jest skierowane na podwzgórze. Zmniejsza ono uwalnianie hormonu podwzgórza, pobudzającego wydzielanie tyreotropiny przez przysadkę. Dzięki istnieniu obu tych oddziaływań hamujących, stężenie 357 i. Rys. 14.4. Pętle sprzężenia zwrotnego regulujące wydzielanie hormonów. PODWZGÓRZE Trijodo* tyronina Tyreotropina' Glikokortykosteroidy '+' ą ACTH NADNERCZA hormonów tarczycy we krwi jest utrzymywane na stałym poziomie, niezbędnym do właściwej regulacji procesów biochemicznych w komórkach narządów. Hormony tarczycy działają na receptory wewnątrz jądra komórki i pobudzają ekspresję genów, które zawierają kod wielu białek funkcjonalnych. Na podstawie tego kodu są syntetyzowane enzymy nasilające procesy przemiany materii w komórkach organizmu. Bodźcem silnie wzmagającym czynność tarczycy jest niska temperatura otoczenia. Dochodzi wtedy do zwiększonego uwalniania hormonu podwzgórza, pobudzającego wydzielanie tyreotropiny przez przysadkę mózgu. ; Poza wpływem na przemianę materii hormony tarczycy odgrywają ważną rolę w funkcjonowaniu układu nerwowego. Nadczynność tarczycy, wraz z nasileniem przemiany materii niekiedy przekraczającym 30%, objawia się wzmożoną pobud- liwością nerwową, stanami lękowymi, bezsennością i uczuciem zmęczenia. Z kolei niedoczynność tarczycy w okresie płodowym i we wczesnym dzieciństwie prowadzi do głębokiego zaburzenia rozwoju umysłowego typu kretynizmu. Może to być spowodowane wrodzonym defektem wydzielania hormonów tarczycy albo niedo- borem jodu w pokarmie. .'..::.-.?-'. Hormony tylnego płata przysadki Płat tylny przysadki ze względu na swą budowę może być uważany za część podwzgórza. Są w nim uwalniane bezpośrednio do krwi dwa hormony o budowie peptydowej, wytwarzane przez neurony jądra nadwzrokowego (nucleus supraop- 358 ticus) i duże neurony części bocznej jądra przykomorowego (nucleus paravent- ricularis) podwzgórza - oksytocyna i wazopresyna (hormon antydiuretyczny). Sam płat tylny przysadki nie zawiera komórek wydzielniczych, a jedynie zakończenia aksonów tych neuronów. Uwalnianie gotowych hormonów przez komórki nerwowe do krwiobiegu nazywa się neurosekrecją, a neurony wytwarzające takie hormony - komórkami neurosekrecyjnymi. Regulacja homeostazy wewnątrzustrojowej przez układ wegetatywny Część układu nerwowego, która reguluje czynność narządów wewnętrznych i procesy przemiany materii w tkankach, jest nazywana układem wegetatywnym albo autonomicznym. Układ wegetatywny składa się z układu współczulnego, (sympatycznego) i układu przywspółczulnego (parasympatycznego). Ośrodki obu tych układów znajdują się w pniu mózgu i rdzeniu kręgowym. Z ośrodków tych wychodzą włókna eferentne, które biegną bezpośrednio do unerwianych narzą- dów albo do zwojów wegetatywnych. Ponadto do układu współczulnego należy rdzeń nadnerczy. Ważną składową układu wegetatywnego są neurony aferentne (czuciowe), przewodzące impulsy czucia trzewnego z narządów wewnętrznych do ośrodków wegetatywnych. Informacje te mają znaczenie dla regulacji czynności narządów za pomocą pobudzających i hamujących odruchów wegetaty- wnych. Budowa układu współczulnego Ośrodki układu współczulnego znajdują się w słupach bocznych rdzenia kręgowego począwszy od 8. segmentu szyjnego aż do 2. lub 3. segmentu krzyżowego. Aksony współczulnych neuronów eferentnych wychodzą z rdzenia przez korzenie przednie i jako włókna przedzwojowe dochodzą do zwojów współczulnych po obu stronach kręgosłupa, zwanych zwojami kręgowymi. Zwoje te są ze sobą połączone gałęziami międzyzwojowymi, tworząc w ten sposób parzysty pień współczulny (rys. 14.5). U człowieka w pniu współczulnym występują przeciętnie 3 zwoje szyjne (górny, środkowy i dolny), 10-12 zwojów piersiowych, 3-4 zwoje lędźwiowe, 2-6 zwojów krzyżowych i jeden nieparzysty zwój guziczny, wspólny dla prawego i lewego pnia współczulnego. Szczególną budową wyróżnia się górna część splotu współczulnego. Zwój szyjny dolny zwykle łączy się z górnym zwojem piersiowym w duży zwój gwiaździsty (ganglion stellatum). Niektóre włókna przedzwojowe tworzą synapsy z neuronami w tychże zwojach kręgowych, inne biegną dalej, do splotów autonomicznych głównych, albo do dalszych splotów położonych bliżej unerwianych narządów. Do splotów dochodzą też włókna przywspółczulne. W obrębie splotów znajdują się zwoje, w których są usytuowane neurony unerwiające narządy. Aksony neuronów, które 359 Rys. 14.5. Budowa układu wegetatywnego. Pień Akomodacja oka Szerokość źrenic Gruczoły ślinowe !\ Oskrzela ./I gwiaździsty / j Serce Żołądek Wątroba Drogi żółciowe Rdzeń nadnerczy Nerki Jelita Jelito grube Pęcherz moczowy Narządy Włókna W płciowe współczulne • - — przy współczulne opuszczają zwoje współczulne i biegną do narządów wykonawczych, nazywa się włóknami zazwojowymi (rys. 14.6, por. też rys. 3.12). Największym splotem autonomicznym w obrębie klatki piersiowej jest splot sercowy. W jamie brzusznej wyróżnia się pod względem wielkości splot trzewny, splot podbrzuszny górny i splot podbrzuszny dolny. Niemniej ważną częścią układu współczulnego są neurony aferentne (doprowadzające), przenoszące informacje o stanie narządów wewnętrznych, które są istotą tzw. czucia trzewnego. Ciała komórkowe (perykariony) tych neuronów znajdują się w zwojach rdzeniowych. Wypustki obwodowe tych neuronów biegną do receptorów w narządach wewnętrznych i ścianach naczyń krwionośnych. Wypustki centralne natomiast wchodzą do rdzenia przez korzenie tylne i docierają do słupów bocznych, gdzie tworzą synapsy z neuronami eferentnymi. 360 Rys. 14.6. Sploty i zwoje współczulne. i. . .w- Zwój rdzeniowy Korzeń grzbietowy Róg brzuszny Róg boczny Gałąź łącząca biała Zwoje I I kręgowe Zwój splotu v współczulnego \ {*< ' r -.U' i"/. Narządy Zwój śródścienny Włókna przedzwojowe Włókna zazwojowe Narządy Włókna czuciowe Budowa układu przywspołczulnego W odróżnieniu od zwojów wspołczulnych, zwoje przywspółczulne znajdują się nie w pobliżu ośrodkowego układu nerwowego, lecz w pobliżu, a nawet w ścianach narządów docelowych. Ośrodki przywspółczulne znajdują się w pniu mózgu i w części krzyżowej rdzenia kręgowego, dlatego rozróżnia się część głowową i część rdzeniową układu przywspołczulnego. Do części głowowej należy jądro Westphala-Edingera - ośrodek odruchu źrenicznego i akomodacyjnego oka, jądra ślinowe oraz jądro nerwu błędnego. Nerw błędny jest największym nerwem 361 przywspółczulnym, unerwia wszystkie narządy klatki piersiowej i większość narządów jamy brzusznej. Część rdzeniowa układu przywspółczulnego, której ośrodki znajdują się w segmentach od 2. do 4. części krzyżowej rdzenia kręgowego, unerwia końcową część przewodu pokarmowego, pęcherz moczowy i narządy płciowe. Przekaźnictwo synaptyczne w układzie wegetatywnym Przekazywanie pobudzenia w układzie wegetatywnym zachodzi przy udziale acetylocholiny i dwóch amin katecholowych - noradrenaliny i adrenaliny. Acety- locholina uwalnia się na zakończeniach wszystkich włókien przedzwojowych w zwojach współczulnych i przywspółczulnych oraz w rdzeniu nadnerczy, a także na wszystkich zakończeniach przywspółczulnych włókien zazwojowych. Na zakończeniach współczulnych włókien zazwojowych uwalnia się przeważ- nie noradrenalina, nie jest to jednak regułą, gdyż na zakończeniach włókien współczulnych unerwiających gruczoły potowe uwalnia się acetylocholina, a w na- czyniach krwionośnych mięśni szkieletowych występują dwa rodzaje zakończeń współczulnych. Na jednych uwalnia się noradrenalina, która powoduje zwężenie unerwianych przez te zakończenia naczyń, na innych natomiast acetylocholina, która rozszerza naczynia. Do układu współczulnego należy też rdzeń nadnerczy, wytwarzający głównie adrenalinę. Dlatego zależnie od rodzaju przekaźnika uwalnianego na zakończeniach włókien zazwojowych wprowadzono inny podział układu wegetatywnego - na układ adrenergiczny i cholinergiczny, które tylko częściowo są odpowiednikami układu współczulnego i przywspółczulnego. Działanie układu wegetatywnego na narządy Jak pokazano w tabeli 14.1, niektóre narządy są unerwione zarówno przez układ współczulny, jak i przywspółczulny. Wówczas działanie tych układów na dany narząd jest przeciwstawne. Często jednak narząd jest unerwiony tylko przez jeden układ, współczulny albo przywspółczulny, i wtedy czynność narządu zależy od stanu napięcia tego układu. Rozróżnia się pięć głównych celów działania układu wegetatywnego: 1) gruczoły, 2) mięśnie gładkie, 3) układ przewodzący serca, 4) mięsień sercowy i 5) procesy metaboliczne w tkankach. Gruczoły są zazwyczaj unerwione przez włókna współczulne i przywspół- czulne, często jednak układ współczulny działa pośrednio, regulując światło naczyń krwionośnych, a tym samym ukrwienie gruczołu. Do zmniejszenia wytwarzania wydzieliny przez gruczoł może zatem dochodzić nie wskutek zahamowania czynności jego komórek, lecz w wyniku zwężenia naczyń krwio- nośnych. if Na mięśnie gładkie narządów wewnętrznych układ wegetatywny często działa w sposób przeciwstawny; na przykład mięśnie gładkie oskrzeli kurczą się w wyniku pobudzenia układu przywspółczulnego, rozkurczają zaś pod wpływem pobudzenia układu współczulnego. Niektóre mięśnie są pobudzane tylko przez 362 Tabela 14.1. Działania układu współczulnego i przywspółczulnego Narząd lub czynność Układ współczulny Układ przywspółczulny Źrenice Rozszerza Zwęża Mięsień rzęskowy oka Lekko hamuje, a przez to zmniejsza wypukłość soczewki Pobudza, a przez to zwiększa wypukłość soczewki Serce Przyspiesza czynność, zwiększa siłę skurczu Zwalnia czynność .,;,!. Oskrzela Rozszerza Zwęża Naczynia krwionośne mięśni i skóry Zważa (przez włókna adrenergiczne) Rozszerza (przez włókna cholinergiczne) Jelito Zwalnia perystaltykę Przyspiesza perystaltykę Gruczoły potowe Pobudza czynność gruczołów potowych w okolicy pachy Pobudza wydzielanie potu w obrębie dłoni (brak znaczenia termoregulacyjnego) Gruczoły ślinowe Pobudza wydzielanie śliny Wątroba Powoduje rozpad glikogenu i uwolnienie glukozy do krwi Podstawowa przemiana materii Nasila jeden układ, nie są natomiast hamowane przez drugi układ. Na przykład układ współczulny pobudza mięsień rozszerzający źrenicę, a układ przywspółczulny - mięsień zwieracz źrenicy. Do uzyskania dwóch przeciwstawnych efektów działania obu układów - rozszerzenia i zwężenia źrenic, są więc wykorzystywane różne mięśnie. Obie części układu wegetatywnego wywierają przeciwstawny wpływ na układ przewodzący serca: układ współczulny przyspiesza, a przywspółczulny zwalnia częstość skurczów serca. Natomiast siła skurczów serca jest regulowana tylko przez stan napięcia układu współczulnego. Podobnie, jedynie układ współczulny wpływa na procesy metaboliczne w tkankach. . . . -' - Receptory adrenergiczne . Układ adrenergiczny oddziałuje na narządy zarówno drogą nerwową, jak i za pośrednictwem krwi. Oddziaływanie drogą nerwową odbywa się za pośrednictwem noradrenaliny, która uwalnia się na zakończeniach adrenergicznych włókien nerwowych w narządach. Krew natomiast rozprowadza po całym organizmie głównie adrenalinę uwolnioną w rdzeniu nadnerczy. Obie aminy katecholowe działają na swoiste miejsca w błonie komórek narządów wykonawczych, zwane" receptorami adrenergicznymi. Rozróżnia się dwie główne klasy tych receptorów - a i p, wśród których występują jeszcze podklasy. Receptory a są bardziej wrażliwe na noradrenalinę, a receptory p - na adrenalinę. Powoduje to, że skutki pobudzenia 363 układu współczulnego mogą się różnić w zależności od przewagi noradrenaliny lub adrenaliny. Napięcie (tonus) układu wegetatywnego Oba układy - współczulny i przywspółczulny - znajdują się w stanie stałego pobudzenia, które nazywa się odpowiednio napięciem (tonusem) współczulnym i napięciem (tonusem) przywspółczulnym. W wyniku napięcia (tonusu) współczul- nego tętniczki są stale częściowo skurczone, tak że ich szerokość wynosi około połowy szerokości maksymalnej. Gdy napięcie układu współczulnego się zmniejsza, tętniczki rozszerzają się i odwrotnie - gdy wzrasta tonus współczulny, tętniczki się kurczą. Podobnie, w wyniku zwiększenia lub zmniejszenia napięcia przywspół- czulnego, ulegają przyspieszeniu lub zwolnieniu ruchy przewodu pokarmowego. Przykłady te wskazują, że regulacja czynności narządów wewnętrznych może się odbywać poprzez zmiany napięcia (tonusu) tylko jednego układu. Oczywiście, gdy narząd jest unerwiony przez oba układy, zmniejszenie napięcia układu współczul- nego powoduje względną przewagę układu przywspółczulnego i odwrotnie. . Regulacja czynności układu krążenia Rola układu wegetatywnego w utrzymaniu homeostazy wewnątrzustrojowej uwidacznia się szczególnie wyraźnie w jego oddziaływaniu na czynność serca i naczyń krwionośnych. Układ krążenia nie tylko dostarcza do narządów potrzebne do ich funkcjonowania składniki i odprowadza produkty przemiany materii, lecz także uczestniczy w wielu reakcjach homeostatycznych, w tym utrzymujących równowagę wodno-elektrolitową organizmu i stałą temperaturę ciała. Dzięki regulacji czynności serca i skurczu naczyń krwionośnych przez układ wegetatywny możliwe jest optymalne dostosowanie czynności organizmu do aktualnych zadań, takich jak zwiększona aktywność ruchowa, obrona przed niebezpieczeństwem czy też odpoczynek i sen. Unerwienie wegetatywne serca Mięsień sercowy jest utworzony z sieci włókien mięśniowych poprzecznie prążkowanych. Do rytmicznych skurczów pobudza go automatycznie działający układ przewodzący. Nadrzędną częścią tego układu jest węzeł zatokowy, umiejs- cowiony w ścianie prawego przedsionka serca. Wytwarzane w tym węźle impulsy rozprzestrzeniają się w obrębie mięśnia przedsionków i są przewodzone dalej, do węzła przedsionkowo-komorowego na granicy między przedsionkami i komorami serca. W węźle tym biorą początek włókna, które doprowadzają impulsy do wszystkich części mięśnia komór. i; i < ^r' v«- 'u; Automatyczna czynność serca jest regulowana przez układ wegetatywny. Włókna współczulne unerwiają zarówno układ przewodzący serca, jak też mięsień sercowy. Pobudzenie układu współczulnego powoduje zwiększenie częstości powstawania impulsów w węźle zatokowym i zwiększenie częstości skurczów serca, oprócz tego układ współczulny działa bezpośrednio na mięsień sercowy i zwiększa siłę jego skurczów. 364 Układ przewodzący serca jest również unerwiony przez włókna przywspół- czulne. Pobudzenie układu przywspółczulnego, powodując zmniejszenie częstości powstawania impulsów w węźle zatokowym i zwolnienie ich przewodzenia w obrębie układu przewodzącego, prowadzi do zmniejszenia częstości skurczów serca. Unerwienie naczyń krwionośnych. Ciśnienie tętnicze krwi Krew wtłoczona do tętnicy głównej podczas skurczu serca przepływa do coraz węższych tętnic, a w końcu musi przejść przez tętniczki i naczynia włosowate w narządach, aby przedostać się do żył i wrócić do lewego przedsionka serca. Mięśnie gładkie tworzące ścianę tętniczek, unerwione przez włókna współczulne, są utrzymywane w stanie stałego skurczu, co powoduje, że zwężone światło tętniczek stawia prądowi krwi znaczny opór. Opór ten sprawia, że w tętnicach utrzymuje się pewne ciśnienie, które narasta podczas skurczu komór i zmniejsza się podczas ich rozkurczu. Obie krańcowe wielkości ciśnienia tętniczego krwi nazywa się ciśnieniem skurczowym i ciśnieniem rozkurczowym. Pobudzenie układu współczułnego prowadzi do wzrostu ciśnienia tętniczego wskutek działania trzech czynników: 1) zwężenia światła tętniczek i zwiększenia oporu dla przepływu krwi, 2) zwiększenia objętości krwi wtłaczanej do tętnic podczas każdego skurczu serca i 3) zwiększenia ilości krwi wprowadzanej do tętnic w jednostce czasu wskutek zwiększenia częstości skurczów serca. Wyjątek stanowią tętniczki w mięśniach szkieletowych, które są unerwione przez współczulne włókna cholinergiczne. Na zakończeniach tych włókien uwalnia się zamiast noradrenaliny acetylocholina. Tętniczki w mięśniach, w wyniku pobudzenia układu współczułnego i uwolnienia acetylocholiny, nie zwężają się, lecz rozszerzają, co może mieć znaczenie dla lepszego ukrwienia mięśni, na przykład podczas ucieczki zwierzęcia przed napastnikiem. Mechanizm cholinergiczny, za którego pośrednictwem w pracujących mięśniach rozszerzają się tętniczki, występuje tylko u ssaków niższych. U naczelnych do rozszerzenia naczyń krwionośnych w mięśniach szkieletorych dochodzi raczej wskutek działania adrenaliny na receptory p2 w mięśniach gładkich tętniczek. Ośrodkowa kontrola czynności układu krążenia Czynność serca i stan skurczu naczyń krwionośnych są regulowane przez zespół ośrodków w obrębie brzuszno-bocznego obszaru opuszki (rdzenia przedłużonego). Część górna (rostralna) tego obszaru utrzymuje pewien stan napięcia układu współczułnego, ponieważ stale wytwarza impulsy nerwowe, które przez ośrodki, zwoje i włókna współczulne docierają do serca i tętniczek. Impulsy te powodują zwiększenie częstości i siły skurczów serca, a także utrzymują tętniczki w stanie stałego skurczu, niezbędnego do właściwego przepływu krwi przez narządy. Część dolna (kaudalna) brzuszno-bocznego obszaru opuszki hamuje czynność części górnej tego obszaru, a zatem powoduje obniżenie napięcia układu współczułnego. Skutkiem tego działania jest zmniejszenie częstości skurczów serca i rozszerzenie 365 Rys. 14.7. Regulacja czynności serca i naczyń krwionośnych przez układ wegetatywny. Tętnica szyjna: wewnętrzna li zewnętrzna Baroreceptory wspólna Węzeł zatokowo- -przedsionkowy Tętnice Tętniczkl Jądro samotne \ ;.-..;:.lczęść górna (rostralna) \ Brzuszno- - -boczny \)obszar opuszki część dolna (kaudalną) ' Włókna współczulne Naczynia włosowate przywspótczulne Jl Układ przewodzący serca SERCE Ośrodki i zwoje współczulne pobudzenie hamowanie tętniczek. Częstość skurczów serca ulega zmniejszeniu także wtedy, gdy wzrasta napięcie układu przywspółczulnego (rys. 14.7). \ ? ,< ? Impulsy nerwowe pochodzące z serca i narządów wewnętrznych najpierw pobudzają jądro samotne (nucleus solitarius), które z kolei pobudza ośrodki przywspółczułne oraz część dolną (kaudalną) brzuszno-bocznego obszaru opuszki. W ten sposób informacja dochodząca do jądra samotnego może hamować układ współczulny albo pobudzać układ przywspółczulny. Ośrodki regulujące czynność układu krążenia są pod kontrolą wyższych struktur mózgu, z których duże znaczenie dla utrzymania homeostazy ma podwzgórze. Hess w latach trzydziestych wyodrębnił w obszarze podwzgórza dwa układy funkcjonalne - ergotropowy i trofotropowy, wyzwalające przeciwnie skierowane reakcje homeostatyczne. Układ ergotropowy (od gr. epyov, ergon - działanie) pobudza organizm do działania, uczestniczy zatem w reakcjach obronnych i agresji. Jest zlokalizowany głównie w tylnej części podwzgórza, która silnie aktywuje układ współczulny w stanie strachu i wściekłości. Powoduje to m.in. przyspieszenie czynności serca i wzrost ciśnienia tętniczego krwi. Układ trofo- tropowy (od gr. Tpóq>Eiv, trofein - żywić) steruje funkcjami związanymi z pobie- raniem i przyswajaniem pokarmu, odpoczynkiem i regulacją temperatury ciała. Jest zlokalizowany w przedniej i bocznej części podwzgórza oraz w położonym ku przodowi od podwzgórza polu przedwzrokowym. Pobudzenie układu trofotropo- wego wyzwala reakcje naczynioruchowe w różnych narządach, na przykład powoduje rozszerzenie naczyń krwionośnych skóry pod wpływem ogrzania 366 organizmu i naczyń krwionośnych przewodu pokarmowego po przyjęciu pokarmu, co ułatwia procesy trawienia. Tonus współczulny i przywspółczulny jest też regulowany przez struktury układu rąbkowego (limbicznego), takie jak zakręt obręczy {gyrus cinguli), przegroda (septum), ciało migdałowate (corpus amygdaloideum) i hipokamp (hippocampus), a nawet przez korę mózgu. Pobudzenie okolicy ruchowej w płacie czołowym zwiększa stan napięcia układu współczulnego. Umożliwia to do- stosowanie czynności układu krążenia do aktualnie wykonywanych czynności ruchowych. .,,,.,,. Regulacja objętości krwi Utrzymywanie stałej objętości krwi w sercu i naczyniach krwionośnych odbywa się dzięki współdziałaniu mechanizmów regulujących ciśnienie tętnicze krwi i stężenie osmotyczne płynu zewnątrzkomórkowego. Wysokość ciśnienia krwi wykrywają baroreceptory, czyli czujniki reagujące na rozciąganie ściany naczynia przez krew, znajdujące się w miejscu rozwidlenia pnia tętnicy szyjnej wspólnej na tętnicę szyjną wewnętrzną i zewnętrzną. Pobudzenie baroreceptorów przy wzroście ciśnienia w tętnicach wyzwala impulsy nerwowe, które docierają do jądra pasma samotnego w rdzeniu przedłużonym. Z jądra samotnego wychodzą włókna nerwowe pobudzające do sąsiadujących z nim ośrodków przywspółczulnych oraz do dolnej (kaudalnej) części brzuszno- -bocznego obszaru opuszki. Część ta hamuje część górną (rostralną) tego obszaru, od której zależy utrzymanie odpowiedniego napięcia współczulnego. A zatem skutkiem pobudzenia baroreceptorów jest zarówno obniżenie napięcia współczul- nego, jak i pobudzenie ośrodków przywspółczulnych. Dochodzi wówczas do: 1) zmniejszenia częstości skurczów serca wskutek zwiększonego działania układu przywspółczulnego na węzeł zatokowy w sercu, 2) zmniejszenia siły skurczu serca i 3) rozszerzenia naczyń krwionośnych wskutek zmniejszonego działania układu współczulnego. Wszystkie te czynniki sprawiają, że przejściowo podwyż- szone ciśnienie tętnicze krwi obniża się do poziomu, na którym jest stale utrzymywane. Dla utrzymania stałej objętości krwi większe znaczenie ma odruch z receptorów objętościowych (wolumenreceptorów). Tak nazywa się receptory w ścianach przedsionków serca, wrażliwe na rozciąganie tych ścian przez krew nagromadzoną w żyłach. Impulsy z tych receptorów biegną do jądra samotnego w rdzeniu przedłużonym. Stąd część z nich dochodzi do części tylnej (kaudalnej) brzuszno- -bocznego obszaru opuszki, której pobudzenie powoduje zmniejszenie napięcia współczulnego i rozszerzenie naczyń krwionośnych, również w nerkach. Zwięk- szony przepływ krwi przez nerki powoduje zwiększone wytwarzanie moczu. Impulsy z wolumenreceptorów docierają również do jądra przykomorowego podwzgórza i hamują uwalnianie wazopresyny (hormonu antydiuretycznego) z tylnego płata przysadki mózgowej. Hormon ten jest niezbędny do zwrotnego wchłaniania wody w kanalikach nerkowych, a przy jego zmniejszonym stężeniu we krwi znacznie zwiększa się ilość wydalanego moczu. Przyczynia się to dodatkowo do zmniejszenia objętości krwi. . ..,.....,.,.„„.....,.. 367 Gospodarka wodno-elektrolitowa Woda w organizmie zwierzęcym zajmuje trzy przestrzenie: wewnątrzkomórkową, śródmiąższową i śródnaczyniową. Przestrzeń śródmiąższowa i śródnaczyniowa tworzą przestrzeń zewnątrzkomórkową. W wodzie są rozpuszczone związki o różnej wielkości cząsteczek - od soli mineralnych i jonów do wielkocząsteczkowych peptydów i białek. Cząsteczki związków rozpuszczonych w wodzie, jak również cząsteczki wody, znajdują się, dzięki energii kinetycznej, w ustawicznym ruchu, który powoduje rozprzestrzenianie się substancji, zwane dyfuzją, z miejsca o większym stężeniu do miejsc o mniejszym stężeniu. Stężenie osmotyczne i ciśnienie osmotyczne ' ': Swobodne poruszanie się cząsteczek może zostać zakłócone, gdy przestrzeń zawierająca roztwór zostanie przedzielona błoną połprzepuszczahią, przepuszczającą wodę, a zatrzymującą rozpuszczone w wodzie sole mineralne. Przechodzenie wody przez taką błonę nazywa się osmozą. Gdy po obu stronach błony półprzepuszczalnej znajdują się roztwory o jednakowym stężeniu związków nie przechodzących przez błonę, wówczas taka sama liczba cząsteczek wody wskutek energii kinetycznej przechodzi w obu kierunkach, z jednego przedziału do drugiego. Jeśli natomiast oba roztwory różnią się stężeniem rozpuszczonych w nich związków (czyli mają różne stężenia osmotyczne), to więcej cząsteczek wody przechodzi z roztworu $y$. 14.8. Przestrzenie płynowe ustroju. Przestrzeń śródkomórkowa Przestrzeń pozakomórkowa Przestrzeń śródmiąższowa Woda Przestrzeń śródnaczyniowa lOl Woda Elektrolity © Elektrolity © —4— KOMÓRKI Ciśnienie onkotyczne NACZYNIA 368 o mniejszym stężeniu osmotycznym do roztworu bardziej stężonego niż w odwrot- nym kierunku. W związku z tym w przedziale wypełnionym przez bardziej stężony roztwór wytwarza się ciśnienie, które nazywa się osmotycznym (od gr. cóainóc, osmos - pchanie). Każda komórka organizmu jest otoczona błoną o właściwościach błony półprzepuszczalnej. Wnętrza wszystkich komórek tworzą razem przestrzeń we- wnątrzkomórkową (śródkomórkową). Stężenie osmotyczne płynu wewnątrzkomór- kowego ssaka jest równe stężeniu osmotycznemu 0,9% roztworu chlorku sodu. Roztwór o takim stężeniu nazywa się izotonicznym albo izoosmotycznym. Bardziej stężone roztwory nazywa się hipertonicznymi (hiperosmotycznymi), a mniej stężone - hipotonicznymi (hipoosmotycznymi). Komórki zachowują swój normalny kształt tylko wtedy, gdy są umieszczone w roztworze izotonicznym. W roztworze hipertonicznym, wskutek utraty wody, kurczą się, a w roztworze hipotonicznym, odwrotnie, chłoną wodę i pęcznieją. Płyn otaczający komórki narządów nazywa się płynem tkankowym. Kontaktuje się on ze ścianą (śródbłonkiem) naczyń włosowatych. Śródbłonek pełni rolę błony półprzepuszczalnej, jednak o większych porach niż błona komórkowa, ponieważ wraz z wodą przepuszcza łatwo związki o małych cząsteczkach, jak sole mineralne, glukoza i aminokwasy, nie przepuszcza zaś dużych cząsteczek białek. Ponieważ osocze krwi, w odróżnieniu od płynu tkankowego, zawiera białka, między przestrzenią śródmiąższową i śródnaczynio- wą powstaje ciśnienie zwane onkotycznym (rys. 14.8). Ciśnienie onkotyczne jest ważnym czynnikiem regulującym wymianę substancji między krwią a płynem tkankowym18. Utrzymanie stałego stężenia osmotycznego płynu zewnątrzkomórkowego - Źródłem wody dla człowieka i większości zwierząt są płyny pobrane z zewnątrz. Organizm człowieka stale oddaje wodę do otoczenia, głównie z moczem, potem i wydychanym powietrzem. Wypita woda wchłania się do krwi i tylko przejściowo zmniejsza stężenie osmotyczne płynu pozakomórkowego, ponieważ jej nadmiar jest szybko usuwany z moczem. I odwrotnie, gdy wskutek spożycia pokarmu o dużej zawartości soli mineralnych, zwłaszcza chlorku sodu, wzrasta stężenie osmotyczne płynu ze- wnątrzkomórkowego, nerki wytwarzają mocz zagęszczony, co powoduje usunięcie nadmiaru chlorku sodu z organizmu. Mocz jest wytwarzany w kilku etapach. Najpierw z krwi przepływającej przez naczynia krwionośne kłębuszków nerkowych powstaje mocz pierwotny, o składzie podobnym do składu osocza krwi. Podczas przepływu moczu przez kanaliki nerkowe część zawartych w nim substancji wraca do krwi. Do krwi absorbowana 18 Dzięki różnicy między ciśnieniem krwi w naczyniach włosowatych a ciśnieniem onkotycznym w początkowych odcinkach tych naczyń substancje przechodzą z krwi do tkanek, a w końcowych odcinkach produkty przemiany materii przechodzą z tkanek do krwi. 369 jest również woda zawarta w moczu, z tym że w ostatnich etapach tworzenia moczu zwrotne wchłanianie wody z kanalików nerkowych do krwi wymaga obecności hormonu antydiuretycznego (wazopresyny). < Hormon antydiuretyczny powstaje w jądrach nadwzrokowym i przykomoro- wym podwzgórza i jest uwalniany do krwi w tylnym płacie przysadki. Bodźcem stymulującym uwalnianie hormonu antydiuretycznego jest zwiększone stężenie osmotyczne osocza krwi, działające na swoiste receptory, zwane osmorecep- torami lub osmodetektorami. Receptory te znajdują się w podwzgórzu i w narzą- dzie okołokomorowym w przedniej ścianie komory trzeciej mózgu. Są one stale aktywne, co powoduje ciągłe uwalnianie pewnej ilości hormonu antydiuretycz- nego. Aktywacja osmoreceptorów przez bodziec osmotyczny nasila pobudzenie ośrodków wytwarzających hormon antydiuretyczny. W wyniku działania więk- szych ilości tego hormonu nerki wydzielają mocz zagęszczony, woda zostaje zaoszczędzona, a nadmiar chlorku sodu jest usuwany z organizmu. Przyczynia się to do normalizacji stężenia osmotycznego osocza krwi i całego płynu zewnątrz- komórkowego. Zmniejszenie stężenia osmotycznego osocza, na przykład po wypiciu wody, powoduje deaktywację osmoreceptorów i zmniejszenie uwalniania hormonu antydiuretycznego. Nerki wytwarzają wtedy mocz rozcieńczony, co się przyczynia do usunięcia nadmiaru wody z ustroju (rys. 14.9). Całokształt procesów powodujących utrzymanie stałego stężenia osmotycznego płynu zewnątrzkomórkowego nazywa się osmoregulacją. Rys. 143"." Mechanizm osmoregulacji. Bodziec osmotyczny Spoidło przednie Bodziec osmotyczny naczyniówkowy Jądro T/przykomorowe i / Jądro nadwzrokowe Narząd naczyniowy blaszki krańcowej V Hamowanie diurezy 370 Sprzężenie osmoregulacji z mechanizmem ?--.,: ? - . • '- utrzymującym stałą objętość krwi •.?-.'• Wraz z pokarmami człowiek często przyjmuje chlorek sodu w ilości przekraczającej normalne zapotrzebowanie organizmu na tę sól. Nagłe zwiększenie stężenia osmotycznego osocza krwi po spożyciu słonej potrawy wyzwala silne uczucie pragnienia, skłaniające człowieka do wypicia znacznej ilości płynu. Wprawdzie normalizuje to przejściowo stężenie osmotyczne osocza, ale powoduje nagły, niepożądany wzrost objętości krwi. Wzrost objętości krwi powoduje podwyższenie ciśnienia tętniczego krwi i pobudzenie baroreceptorów zatoki szyjnej. Tym samym zostaje wyzwolony odruch prowadzący do rozszerzenia naczyń krwionośnych, głównie w nerkach. Taki sam skutek powoduje rozciągnięcie ścian przedsionków serca wywołane nadmiarem krwi w żyłach i pobudzeniem wolumenreceptorów. Zwiększenie przepływu krwi przez nerki prowadzi do większego wytwarzania moczu w nerkach. Dodatkowo przyczynia się do tego hamowanie, przez impulsy z wolumenrecep- torów, uwalniania hormonu antydiuretycznego (wazopresyny) (rys. 14.10). Rys. 14.10. Regulacja objętości krwi. Ciało modzelowate Przegród — Sklepienie Narząd podsklepieniowy splot naczyniówkowy Spoidło przednie Jądro przykomorowe Jądro nadwzrokowe Narząd naczyniowy blaszki krańcowej Neurony sekrecyjne wolumen- receptory Angiotensyna II Angiotensyna I Angiotensynogen Wazopresyna Renina Angiotensyna II Serce .''W, „ . - - zmniejszenie pobudzenia Nadnercze wolumenreceptorów ?«iiiv*ruinw , oszczędzanie diurezy //\\ sodu 371 Rola układu renina-angiotensyna w regulacji ciśnienia i objętości krwi W pobliżu kłębuszków nerkowych nagromadzone są zespoły komórek, zwane narządem przykłębuszkowym. Rolą tego narządu jest wytwarzanie hormonu - reniny. Bodźcem do uwolnienia reniny jest obniżenie ciśnienia tętniczego krwi. Renina inicjuje złożone procesy biochemiczne, w wyniku których we krwi pojawia się nieaktywny peptyd - angiotensyna I. Peptyd ten wkrótce przekształca się w angiotensynę II - aktywny hormon. Zadaniem angiotensyny II jest normalizacja obniżonego ciśnienia krwi. Dochodzi do tego za pośrednictwem dwóch mechanizmów - przez zwężenie naczyń krwionośnych w nerkach oraz przez nasilenie zwrotnego wchłaniania chlorku sodu i wody. Ten drugi mechanizm powoduje wzrost ciśnienia przez zwiększenie objętości krwi. Za pośrednictwem układu renina-angiotensyna dochodzi również do redukcji zwiększonej objętości krwi. Podwyższone ciśnienie krwi hamuje uwalnianie reniny, co w konsekwencji prowadzi do zmniejszenia stężenia angiotensyny II we krwi i do rozszerzenia naczyń krwionośnych w nerkach. Zwiększa się wówczas wytwarzanie moczu przez nerki. Z powodu niedoboru angiotensyny II zmniejsza się zwrotne wchłanianie chlorku sodu i wody w nerkach. Prowadzi to ostatecznie do zmniejszenia ciśnienia tętniczego i objętości krwi. Inne działanie angiotensyny II polega na pobudzaniu wydzielania aldosteronu przez korę nadnerczy. Aldosteron jest hormonem powodującym zatrzymywanie sodu w organizmie. Pragnienie ** Gdy fizjologiczne mechanizmy zapobiegające odwodnieniu organizmu nie wystar- czają, włącza się mechanizm behawioralny, który prowadzi do pobrania wody z otoczenia. Mechanizm ten opiera się na popędzie zwanym pragnieniem. Pragnienie jest wywoływane przez dwa rodzaje bodźców - osmotyczne i objętościowe. Rola bodźca osmotycznego t.-.^i^a^ i--. "??.,..?' \ Gdy stężenie osmotyczne osocza kwi przekroczy pewną wartość, pobudzenie neuronów podwzgorza nie tylko powoduje uwolnienie hormonu antydiuretycznego przez przedni płat przysadki, lecz także wyzwala reakcję behawioralną polegającą na pobraniu przez zwierzę wody z otoczenia. Obszar w przedniej części podwzgorza i w polu przedwzrokowym, którego pobudzenie przez bodziec osmotyczny wywołuje picie wody, nazwano ośrodkiem pragnienia. W warunkach doświadczalnych wprowadzenie do tego ośrodka za pomocą cienkiej rurki niewielkiej ilości roztworu chlorku sodu wyzwala reakcję picia wody. Rola bodźca objętościowego Ludzie, którzy w wyniku krwotoku utracili 10% lub więcej krwi zawartej w układzie krążenia, odczuwają pragnienie. Utrata krwi powoduje najpierw zmniejszenie objętości krwi wypełniającej naczynia krwionośne, a następnie całej 372 objętości płynu zewnątrzkomorkowego. Do zmniejszenia objętości płynu ze- wnątrzkomorkowego dochodzi też wskutek obfitego pocenia się, na przykład podczas pracy w wysokiej temperaturze. Zmniejszenie objętości płynu zewnątrzkomorkowego pobudza pragnienie w dwojaki sposób: oddziałując na receptory objętościowe (wolumenreceptory) w ścianie żył w pobliżu serca lub działając za pośrednictwem układu renina- -angiotensyna. Receptory objętościowe zawsze pozostają w stanie pewnego pobudzenia i są źródłem impulsów hamujących wydzielanie hormonu antydiuretycznego i tłumią- cych pragnienie. Mechanizm ten przeciwdziała nagromadzeniu nadmiernej ilości wody w organizmie. Natomiast zmniejszenie objętości krwi zmniejsza stan pobudzenia wolumenreceptorów i usuwa ich hamujący wpływ na ośrodek pragnienia (rys. 14.10). Przypuszcza się, że angiotensyna II, która powstaje wskutek znacznego zmniejszenia objętości płynu zewnątrzkomorkowego, pobudza ośrodek pragnienia. Sposób jej działania jest złożony. Jeden z mechanizmów polega na pobudzaniu przez angiotensynę swoistych receptorów tego hormonu w narządach około- komorowych. Powstałe tu impulsy biegną do ośrodka pragnienia w przedniej części podwzgórza i polu przedwzrokowym. Ponieważ bariera krew-mózg w obrębie narządów okołokomorowych jest rozluźniona, angiotensyna II może wnikać do tkanki mózgowej i bezpośrednio pobudzać ośrodek pragnienia. Pierwszy z dwóch mechanizmów wywołujących pragnienie, osmotyczny, pełni funkcję pierwszej linii obrony przed skutkami odwodnienia ustroju. Jest on uruchamiany, gdy zagęszczenie płynów organizmu wzrasta, tzn. gdy zwiększa się w nich stężenie składników stałych. Natomiast drugi mechanizm, objętościowy, jest systemem awaryjnym, ponieważ jego działanie przeciwdziała groźnej dla życia utracie płynów ustrojowych. ; U człowieka ważną rolę w regulacji przyjmowania wody odgrywają czynniki wtórne, związane z nawykami i upodobaniami. U zwierząt taką rolę może odgrywać uczenie się, które powoduje, że zwierzę pije wodę nie pod wpływem bezpośredniego naruszenia homeostazy wodno-elektrolitowej, lecz z pewnym wyprzedzeniem tego stanu, zanim zaistnieje rzeczywista potrzeba biologiczna. Głód jonów sodu ; ' - ' ' Wśród soli mineralnych pobieranych przez organizm szczególnie ważną rolę odgrywa chlorek sodu. Jego ilość zawarta w pokarmach lub dodawana do nich w celu osiągnięcia ulubionego smaku na ogół w pełni, a nawet z nadmiarem pokrywa zapotrzebowanie człowieka na tę substancję, dlatego w normalnych warunkach nie odczuwamy głodu soli. Deficyt chlorku sodu zagraża natomiast niektórym zwierzętom roślinożernym z powodu małej zawartości tej soli w ich pożywieniu. Niekiedy podejmują one z tego powodu bardzo dalekie wyprawy po brakującą im sól do tzw. lizawek. Mechanizm regulujący przyjmowanie chlorku sodu, czyli tzw. apetyt na sód, różni się w zależności od sposobu odżywiania się danego gatunku zwierząt. 373 Zwierzęta roślinożerne prawdopodobnie mają w ośrodkowym układzie nerwowym receptory swoiście wrażliwe na stężenie jonów sodu. U człowieka głód jonów sodu jest regulowany przez hormony, głównie angiotensynę II i aldosteron. Angiotensyna II, działając na ośrodkowy układ nerwowy, pobudza, oprócz pragnienia, również apetyt na sód. Podobne działanie wywiera aldosteron, którego wydzielanie przez korę nadnerczy odbywa się pod wpływem angiotensyny II. U szczurów utrzymy- wanych na diecie o małej zawartości sodu zwiększa się wrażliwość nadnerczy na angiotensynę II i tym samym wzrasta wytwarzanie aldosteronu. Skoordynowane działanie obu hormonów wyzwala silny głód soli. I odwrotnie, nadmiar chlorku sodu zmniejsza wrażliwość komórek kory nadnerczy na angiotensynę II i w efekcie powoduje mniejsze wytwarzanie aldosteronu. Regulacja wewnętrznej temperatury organizmu Procesy biochemiczne w tkankach i narządach w znacznym stopniu zależą od temperatury. Zwłaszcza odpowiednia temperatura wnętrza ciała jest niezbędna do efektywnej pracy serca i mięśni oraz do właściwego funkcjonowania układu nerwowego. Jednak zwierzęta żyją w różnych warunkach klimatycznych i u wielu gatunków temperatura wnętrza ciała jest zbliżona do aktualnej temperatury otoczenia, a więc ulega dość znacznym wahaniom. Zwierzęta takie nazywa się zmiennocieplnymi. Inne zwierzęta, stałocieplne, utrzymują temperaturę wewnętrzną na względnie stałym poziomie (zazwyczaj w granicach + 2°C), niezależnym od temperatury środowiska, w którym żyją. Zwierzęta zmiennocieplne mają z reguły mało intensywną podstawową przemianę materii i gdy znajdą się w korzystnych warunkach termicznych, pobierają ciepło niezbędne do utrzymania odpowiedniej temperatury narządów z otoczenia. Natomiast zwierzęta stałocieplne mają na tyle intensywne procesy metaboliczne, że potrzebne im ciepło czerpią z wnętrza własnego ciała. W porów- naniu ze zmiennocieplnymi, zwierzęta stałocieplne osiągnęły znacznie wyższy stopień rozwoju układu nerwowego. Temperatura ciała zwierząt stałocieplnych jest z fizjologicznego punktu widzenia stosunkowo wysoka, gdyż jej wzrost powyżej 42°C prowadzi do groźnego dla życia uszkodzenia mózgu. Utrzymywanie temperatury na możliwie najwyższym poziomie jest korzystne dla przebiegu reakcji biochemicznych w tkankach, wymaga jednak sprawnego funkcjonowania reakcji termoregulacyjnych, zapobiegających zarówno przegrzaniu, jak i ochłodzeniu organizmu. Rozróżnia się termoregulację fizjologiczną i behawioralną. Termoregulacja fizjologiczna u zwierząt stałocieplnych polega na zrównoważeniu ilości ciepła wytwarzanego i traconego przez organizm w taki sposób, że temperatura ciała utrzymuje się na stałym poziomie zarówno przy niskiej, jak i wysokiej temperaturze otoczenia. Termoregulacja behawioralną wykorzystuje w tym celu odpowiednie formy zachowania, jak przybieranie odpowiedniej pozycji ciała, zwiększanie lub zmniejszanie aktywności ruchowej, poszukiwanie schronienia przed upałem i chłodem, wybór środowiska o optymalnych parametrach termicznych. Z termo- 374 regulacyjnych form zachowania korzystają zarówno zwierzęta stałocieplne, jak i zmiennocieplne. Stałocieplność bynajmniej nie oznacza niezmienności temperatury wewnętrz- nej, która zależy od stanu fizjologicznego organizmu. Za prawidłową temperaturę człowieka mierzoną w odbytnicy przyjmuje się 37°C. Pod wpływem silnych emocji temperatura ta wzrasta powyżej 38°C (zjawisko to jest niekiedy nazywane „gorączką emocjonalną"), a podczas intensywnego wysiłku fizycznego dochodzi nawet do 40°C, natomiast w godzinach rannych lub w zimnym otoczeniu może spadać poniżej 36°C. ii Wytwarzanie i utrata ciepła ł Gdy organizm nie wykonuje żadnej czynności, w jego komórkach przebiegają procesy metaboliczne składające się na tzw. podstawową (spoczynkową) przemianę materii, w wyniku której stale powstaje energia i wytwarza się ciepło. Źródłem większych ilości ciepła jest praca mięśniowa, występująca podczas skoordynowa- nych skurczów mięśni, a także w wyniku drżenia mięśniowego. Ciepło powstaje również w wyniku nasilenia procesów metabolicznych w tkankach pod wpływem adrenaliny, noradrenaliny i hormonów tarczycy. Gdy organizm nie pracuje, a jest narażony na działanie niskiej temperatury, pojawia się drżenie mięśniowe, zwane też dreszczami, w postaci drobnych nieskoordynowanych skurczów włókien mięśniowych. Skurcze te nie mają znacznia lokomocyjnego, wystarczają jednak do wytworzenia znacznych ilości ciepła. Powstawanie ciepła w wyniku drżenia mięśniowego nazywa się termogenezą drżeniową. Niektóre zwierzęta stałocieplne, na przykład szczury, myszy i świnki morskie, mają we wczesnym okresie życia tzw. brunatną tkankę tłuszczową, która różni się od „zwykłej" tkanki tłuszczowej obfitym unaczynieniem i zdolnością wytwarzania znacznych ilości ciepła wskutek intensywnych procesów metabolicznych. Jest ona nagromadzona w grzbietowej części ciała między łopatkami. Krew, ogrzana przez kontakt z brunatną tkanką tłuszczową, rozprowadza ciepło po całym organizmie. Przemianę materii w brunatnej tkance tłuszczowej pobudza układ adrenergiczny. Wytwarzanie ciepła w brunatnej tkance tłuszczowej nazywa się termogenezą bezdrżeniową. Przypuszcza się, że termogenezą bezdrżeniowa występuje w ogra- niczonym zakresie również u człowieka w okresie noworodkowym. Gdy wytwarzane w ustroju ciepło przekracza ilość niezbędną do utrzymania temperatury ciała na właściwym poziomie, jego nadmiar musi być odprowadzony na zewnątrz. W wymianie ciepła między organizmem a otoczeniem uczestniczy skóra, tkanka podskórna i tkanka tłuszczowa. Pod względem fizycznym tkanki te izolują termicznie wnętrze ciała. Skóra, dzięki specjalnemu unaczynieniu, odgrywa również rolę chłodnicy rozpraszającej ciepło na zewnątrz. : W tkance podskórnej znajduje się sieć naczyń żylnych, do której dochodzą krótkie połączenia tętnic, zwane anastomozami tętniczo-żylnymi. Anastomozy mają w swych ścianach mięśnie gładkie, unerwione przez układ współczulny. Gdy mięśnie są rozkurczone, przez otwarte anastomozy do naczyń splotu napływa 375 ogrzana krew z wnętrza ciała. Przy maksymalnym rozszerzeniu anastomoz tętniczo-żylnych przez skórę może przepływać do 30% krwi wtłaczanej przez serce do tętnic. Przepływ krwi tą drogą ustaje, gdy anastomozy są zamknięte. Powoduje to zatrzymywanie ciepła w organizmie. Sposoby utraty ciepła Zwierzęta i ludzie tracą ciepło trzema sposobami: przez przewodzenie i konwekcję, promieniowanie i parowanie. Przez przewodzenie organizm może pozbyć się nadmiaru ciepła wtedy, gdy styka się z chłodniejszym przedmiotem, najczęściej z zimnym powietrzem. Aby ten sposób był skuteczny, ogrzana warstwa powietrza bezpośrednio stykająca się z ciałem, musi się oddalić i zwolnić miejsce dla następnej chłodnej partii. Tego rodzaju przesuwanie się powietrza nazywa się konwekcją. Wskutek konwekcji ogrzane powietrze ma tendencję do przesuwania się ku górze. Konwekcja nasila się przy ruchu powietrza, na przykład podczas wiatru, a zmniejsza wskutek nastroszenia włosów, skulenia się, a u ludzi - dzięki ubraniu. Utrata ciepła przez promieniowanie zachodzi wskutek tego, że każdy przedmiot, w tym ciało człowieka i zwierząt, emituje fale elektromagnetyczne o częstotliwości w zakresie podczerwonej części widma słonecznego, co umożliwia oddawanie ciepła chłodniejszym przedmiotom w otoczeniu. Jest to szczególnie wyraźne, gdy przebywamy w pokoju o zimnych ścianach; odczuwamy wówczas zimno w stopniu nieadekwatnym do temperatury powietrza. 1 Najskuteczniej odprowadza ciepło z ustroju parowanie, zużywając 581 kalorii na gram wyparowanej wody. U człowieka mającego gruczoły potowe woda paruje z powierzchni skóry, u zwierząt - z błon śluzowych jamy ustnej i dróg od- dechowych. U niektórych zwierząt występuje wówczas zianie, polegające na przyspieszeniu częstości oddechów i zwiększeniu przepływu powietrza w drogach oddechowych. Mechanizmy regulujące temperaturę ciała Utrzymaniu temperatury wnętrza ciała na względnie stałym poziomie służą precyzyjne mechanizmy termoregulacyjne. Można wyróżnić trzy etapy funkcjonowa- nia tych mechanizmów: 1) przyjęcie informacji o temperaturze różnych obszarów ciała, 2) integracja tej informacji i 3) uruchomienie procesów prowadzących do zatrzymania ciepła w organizmie bądź do odprowadzenia jego nadmiaru na zewnątrz. Termodetekcja i ośrodki termoregulacji W skórze, w przedniej części podwzgórza i polu przedwzrokowym oraz w rdzeniu kręgowym znajdują się receptory wrażliwe na temperaturę. Skóra zawiera receptory ciepła i zimna. Termoreceptory (częściej zwane termodetektorami) wykryto w przedniej części podwzgórza i polu przedwzrokowym. W obszarze tym znajdują się neurony, których aktywność bioelektryczna nasila się przy podwyższeniu temperatury podwzgórza. Niektóre neurony reagują, odwrotnie, na obniżenie temperatury. 376 Przednia część podwzgórza i pole przedwzrokowe odgrywają rolę w mechaniz- mie termoregulacji jako obszar termodetekcyjny, integrujący informacje termiczne pochodzące z różnych okolic ciała i uruchamiający reakcje fizjologiczne sprzyjające utracie ciepła z organizmu. Z tego powodu obszar ten został nazwany ośrodkiem utraty ciepła. ' -< ?• , ' » Zadaniem ośrodka utraty ciepła jest też hamowanie czynności innego ośrodka termoregulacyjnego, który znajduje się w tylnej części podwzgórza. Ten drugi ośrodek, nazywany ośrodkiem zachowania i wytwarzania ciepła, wyzwala reakcje fizjologiczne, których skutkiem jest nagromadzenie ciepła w organizmie. Do reakcji tych należy zwężenie naczyń krwionośnych skóry, nastroszenie sierści (zwane piloerekcją), drżenie mięśniowe i zwiększone wydzielanie adrenaliny, która nasila przemianę materii w tkankach. U człowieka pojawia się tzw. gęsia skórka, czyli szczątkowa reakcja piloerekcyjna, nie mająca jednak takiego znaczenia jak straszenie sierści u zwierząt. W odróżnieniu od ośrodka utraty ciepła, ośrodek wytwarzania i zachowania ciepła nie jest wrażliwy na temperaturę. Funkcjonowanie obu ośrodków termoregulacji przedstawia rysunek 14.11. Podwyższenie temperatury krwi dopływającej do podwzgórza pobudza receptory ciepła i powoduje uruchomienie reakcji ułatwiających odprowadzenie ciepła Rys. 14.11. Schemat działania mechanizmów termoregulacji. Ośrodek utraty ciepła / Ośrodek drżenia ,- mięśniowego Ośrodek zachowania i wytwarzania ciepła Ośrodek oddechowy Brzuszno-boczny obszar opuszki / Temperatura ' od termoreceptorów skóry Zachowanie i wytwarzanie ciepła "" Rdzeń nadnerczy Utrata ciepła Brunatna tkanka tłuszczowa Naczynia włosowate od termoreceptorów w rdzeniu kręgowym połączenia nerwowe od termoreceptorów -----------------? doefektorów Drżenie mięśniowe 377 z organizmu. Natomiast dopływ krwi ochłodzonej do podwzgórza znosi hamujący wpływ przedniej części podwzgórza i pola przedwzrokowego na ośrodek za- chowania i wytwarzania ciepła w tylnej części podwzgórza. Zostają wtedy wyzwolone reakcje termoregulacyjne stymulowane przez ten ośrodek. W reakcjach termoregulacyjnych uczestniczą jeszcze inne ośrodki. Drżenie mięśniowe jest wywoływane przez ośrodek w grzbietowo-tylnej części podwzgórza, natomiast zianie jest skutkiem pobudzenia czynności ośrodka oddechowego. Rozszerzenie i zwężenie naczyń krwionośnych, a także uwolnienie adrenaliny z rdzenia nadnerczy, zależy od stanu napięcia układu współczulnego. Termoregulacja behawioralna Zwierzęta na ogół rzadko dopuszczają do wystąpienia takich reakcji termo- regulacyjnych, jak drżenie mięśniowe czy intensywne zianie, lecz zazwyczaj zarówno przed oziębieniem, jak i przegrzaniem ciała bronią się, przenosząc się do miejsc zapewniających pewien stan komfortu cieplnego. Termoregulacja behawio- ralna może też wspomagać regulację temperatury osiąganą za pomocą reakcji fizjologicznych. Na przykład wiele zwierząt w celu ochłodzenia się wchodzi do wody, a szczury laboratoryjne w podwyższonej temperaturze zwilżają futro śliną, by obniżyć temperaturę ciała przez parowanie. Behawioralne reakcje termoregulacyjne są bardzo różnorodne. Do najczęst- szych należy nasilenie lub ograniczenie aktywności ruchowej, przybranie od- powiedniej pozycji ciała w celu zmniejszenia lub zwiększenia jego czynnej powierzchni. Czynności behawioralne zmierzające do zapewnienia komfortu cieplnego mogą mieć charakter reakcji wyuczonych. Wykazano, że zwierzęta różnych gatunków łatwo się uczą utrzymywać pożądaną temperaturę otoczenia przez włączanie promienników ciepła lub wentylatora. -i • Zachowania popędowe i instynktowe. Regulacja nastroju każdy organizm ma określone potrzeby, których zaspokojenie jest niezbędne dla jego zdrowia, życia i bezpieczeństwa, a w przypadku człowieka i zwierząt wyższych - także dla dobrego samopoczucia. Rozróżnia się potrzeby biologiczne i społeczne, a u człowieka również psychiczne. Potrzeby biologiczne są najczęściej spowodowane brakiem jakiegoś czynnika, istotnego z punktu widzenia zachowania przy życiu osobnika albo utrzymania gatunku. Spośród potrzeb biologicznych wyodrębnia się potrzeby organiczne - pokarmu, wody, składników mineralnych, witamin. Potrzeba może się też wiązać z koniecznością przy- wrócenia homeostazy, czyli stałych parametrów środowiska wewnętrznego organizmu. Na przykład potrzeba ochłodzenia się podczas upałów czy ogrzania się podczas zimna wynika z zakłócenia homeostazy termicznej organizmu. Oprócz aspektu obiektywnego potrzeby mają u człowieka również aspekt subiektywny w postaci odczuwania braku danego czynnika, w stopniu tym większym, im dłużej potrzeba nie jest zaspokajana. Stan taki nazywa się deprywacją tego czynnika, na przykład pokarmu. Potrzeby społeczne prowadzą u zwierząt do tworzenia grup oraz ustalania własnej rangi w grupie. Potrzeby psychiczne, typowe dla człowieka, są ściśle związane ze strukturą osobowości (Reykowski, 1977). Do zaspokajania potrzeb dochodzi w wyniku działania popędów. Popędem nazywa się stan pobudzenia pewnych zespołów ośrodków i dróg nerwowych, w którego wyniku zostaje uruchomiona aktywność organizmu ukierunkowana na zaspokojenie istniejącej potrzeby biologicznej lub na uchronienie się przed działaniem szkodliwego bodźca. Popędy wyzwalają złożone czynności behawioral- ne, które nazywa się zachowaniami popędowymi. Całokształt mechanizmów sterujących zachowaniem popędowym nazywa się motywacją, a bodźce (czynniki) uruchamiające popędy - bodźcami (czynnikami) motywacyjnymi. Pobudzenie i hamowanie popędów jest także wyzwalane przez obiektywne i subiektywne zjawiska zaliczane do emocji. Ponieważ wszystkie te czynności przebiegają jednocześnie i są wyzwalane przez te same czynniki, nazywa się je wspólnie czynnościami popędowo-emocjonalnymi. • .?•>.- 379 Terminologia zjawisk popędowo-emocjonalnych. Klasyfikacja popędów s »,,w ^ Terminologia zjawisk popędowo-emocjonalnych nie jest jednolita. Niektórzy za popędy uważają nie tylko stany organizmu spowodowane potrzebami biologicznymi, lecz także potrzebami społecznymi i psychicznymi, inni natomiast tego rodzaju popędy skłonni są nazywać motywami, zwłaszcza gdy odnoszą się do czynników kierujących konkretnym zachowaniem, a może raczej postępowaniem człowieka w danej sytuacji. Tabela 15.1. Podział popędów Kryterium podziału Rodzaje popędów Charakterystyka Stosunek organizmu do źródła bodźca Apetytywne Organizm dąży do kontaktu z bodźcem Awersyjne Organizm dąży do uchronienia się od bodźca Charakter popędu Pierwotne Wrodzone, odziedziczone po rodzicach Wtórne (nabyte) Wyuczone w konfrontacji z otoczeniem Źródło popędu Wewnątrzpochodne Wyzwalane przez bodźce pochodzące z samego organizmu Zewnątrzpochodne Wyzwalane przez bodźce zewnętrzne Nieokreślone Popęd ciekawości Dążenie do kontaktu z nowym bodźcem, jednak z gotowością do ucieczki, gdyby bodziec okazał się groźny Popędy dzieli się według różnych kryteriów (tab. 15.1). Pierwszym kryterium jest stosunek organizmu do źródła bodźca - dążenie organizmu do kontaktu z bodźcem (na przykład z pokarmem, partnerem seksualnym), lub też unikanie bodźca albo ucieczka przed nim (na przykład przed napastnikiem). Rozróżnia się zatem popędy apetytywne (o walencji pozytywnej) i popędy awersyjne (o walencji negatywnej). Istnieją popędy wrodzone (pierwotne), zakodowane genetycznie, jak głód, popęd seksualny, wrodzone rodzaje strachu, oraz popędy nabyte (czyli wtórne), na przykład strach przed bólem czy głód powstający w określonych sytuacjach. Odrębnym ze względów klasyfikacyjnych popędem jest popęd ciekawości, związany z wrodzoną badawczą skłonnością zwierząt i człowieka. Popęd ten jest w istocie apetytywny, ponieważ ukierunkowuje aktywność organizmu na kontakt z nowym bodźcem, ma jednak także komponent awersyjny, który nakazuje wycofanie się, gdyby dany bodziec okazał się groźny. Emocje Pobudzaniu i zaspokajaniu popędów towarzyszą emocje. Emocje mają aspekt subiektywny i obiektywny. Pierwszy obejmuje doznania (zwane niekiedy uczuciami) związane z zaistnieniem odpowiedniej potrzeby (biologicznej lub psychicznej) i jej 380 zaspokojeniem, drugi zaś obejmuje reakcje ruchowe (jak mimika, ruchy wyrazowe i pozy ciała) i wegetatywne. Podobnie jak dzieli się popędy na apetytywne i awersyjne, tak rozróżnia się emocje pozytywne (o walencji dodatniej) i negatywne (o walencji ujemnej). ? O aktualnym stanie emocjonalnym zwierzęcia można sądzić na podstawie fizjologicznych i behawioralnych przejawów emocji. Do pierwszych zalicza się objawy wegetatywne (ciśnienie tętnicze krwi, częstość skurczów serca, szerokość źrenic, zwężenie lub rozszerzenie naczyń krwionośnych skóry), częstość oddechów, zmiany stężenia hormonów we krwi. Do typowych przejawów behawioralnych należy ucieczka, walka, znieruchomienie, pobudzenie ruchowe, a także wokalizacja (krzyki, jęki, „prychanie") i typowe dla danego gatunku pozy (np. grożenia, uległości, szczerzenie zębów) i ruchy (bieganie, skakanie, ruchy ogonem). U naczelnych ważnym przejawem emocji jest mimika, a u ludzi płacz i śmiech. Dzięki badaniom Cannona (1927, 1928) ustalił się pogląd, że zmiany czynności narządów wewnętrznych nie są, jak wcześniej sądzono, przyczyną emocji, lecz są ich wegetatywnymi korelatami. Ponieważ w odróżnieniu od zwierząt człowiek dysponuje słownym systemem porozumiewania się, emocje ludzkie wyrażają się również w treści i formie wypowiedzi. Dowodzi to, że system kierujący emocjami jest u człowieka związany z mózgowymi mechanizmami mowy. Ważnym przejawem emocji jest sposób mówienia, zwłaszcza aspekt afektywny prozodii, na który składają się głośność, intonacja, akcentuacja i szybkość wypowiadanych słów itp. Ponadto człowiek wyraża emocje za pomocą odpowiedniej gestykulacji, samoistnej lub towarzyszącej mowie. Emocje nabyte. Biologiczne znaczenie emocji Oprócz emocji wrodzonych istnieją również emocje nabyte, powstałe w wyniku warunkowania. Kojarzenie bodźca obojętnego z bodźcem awersyjnym sprawia, że bodziec obojętny nabiera cech warunkowego bodźca strachowego. Tak wytworzona emocja może odgrywać rolę popędu wtórnego, na przykład gdy motorem działania jest strach przed bodźcem awersyjnym, na przykład bólowym. Inną emocją, która spełnia kryteria popędu wtórnego, jest frustracja. Za zwierzęcy model frustracji uważa się stan, w którym popęd apetytywny nie jest zaspokajany zgodnie z oczekiwaniami, gdy mimo prawidłowego wykonania wyuczonej reakcji zwierzę nie otrzymuje spodziewanej nagrody. Powstawanie emocji na drodze warunkowania świadczy o tym, że angażują one pamięć. Stan emocjonalny sprzyja utrwalaniu w pamięci towarzyszących mu ważnych okoliczności, na przykład sytuacji powodującej zagrożenie. Pojawienie się tych okoliczności w przyszłości może ułatwić wykonanie reakcji biologicznie korzystnej i uniknięcie niebezpieczeństwa. Emocje mają jeszcze inne ważne znaczenie dla organizmu: 1. Stan emocjonalny może ułatwiać percepcję istotnych sygnałów z otoczenia, kierując na nie procesy uwagi. 381 2. Zaistnienie stanu emocjonalnego powoduje, że do ośrodków ruchowych zostaje przekazana informacja o motywacyjnym charakterze bodźca (na przykład, że st sygnalizuje on zagrożenie), a niekoniecznie o wszystkich jego właściwościach. , Daną reakcję wywołuje więc nie tylko konkretny bodziec, na który reakcja została pierwotnie wytworzona, lecz również inne bodźce, o podobnych cechach fizycznych. W warunkach naturalnych zwiększa się przez to ostrożność zwierzęcia wobec nieznanej sytuacji. 3. Informacja o stanie emocjonalnym może być komunikowana innemu osobnikowi i może modyfikować jego zachowanie. Taką rolę odgrywają pozy grożenia, uległości i wokalizacja, a u ssaków wyższych, zwłaszcza naczelnych, mimika. Emocje człowieka Emocje ludzkie w porównaniu z analogicznymi stanami u zwierząt odznaczają się znacznie wyższym stopniem organizacji. Wśród nich rozróżnia się emocje pierwotne i emocje wyższego rzędu - tzw. socjalne. Wśród emocji pierwotnych przeważają emocje negatywne (o wałencji ujemnej). Zalicza się do nich strach, lęk, gniew, smutek i wstręt. Pozytywnymi emocjami pierwotnymi są: zadowolenie, uczucie szczęścia, błogostan. W odróżnieniu od stanów emocjonalnych u zwierząt, emocje ludzkie powstają nie tylko w wyniku właściwego czy nieadekwatnego zaspokojenia stosunkowo prostych zachowań instrumentalnych, lecz towarzyszą złożonym sytuac- jom życiowym, angażującym całą osobowość człowieka. Emocjami swoiście ludzkimi są emocje socjalne, które wynikają z dążenia do osiągnięcia aprobaty otoczenia dla swych działań albo do wzbudzenia względem siebie pozytywnych uczuć - przyjaźni, miłości czy podziwu. Do pozytywnych emocji tej kategorii zalicza się dumę, radość z osiągniętego sukcesu, euforię, do negatywnych wstyd, poczucie winy, zażenowanie. Do emocji socjalnych należą też doznania spowodowane obserwacją sukcesów i niepowodzeń konkurentów, jak zazdrość, nienawiść, litość czy pogarda. Specyficzny charakter ma u człowieka ekspresja stanów emocjonalnych. W naszym kręgu kulturowym do dobrego tonu należy panowanie nad emocjami i uzewnętrznianie ich w sposób akceptowany przez otoczenie. Sztukę tę człowiek nabywa w dzieciństwie i młodości przez wychowanie i uczenie się. Przeważnie w bardziej otwartej formie człowiek demonstruje zadowolenie i radość, natomiast stara się skrywać emocje ujemne, zwłaszcza strach i gniew. Według Rossa (1996), emocje pierwotne człowieka są funkcją ośrodków w obrębie płata skroniowego kory mózgu, w tym ciała migdałowatego, natomiast w uzewnętrznianiu się tych stanów odgrywają rolę ośrodki podkorowe układu limbicznego, głównie podwzgórze, przegroda i istota szara okołowodociągowa śródmózgowia (substantia grisea periaąuaeductalis mesencephali). W ośrodkach tych biorą początek włókna biegnące do ośrodków ruchowych i wegetatywnych, które wyzwalają odpowiednie formy zachowania emocjonalnego i towarzyszące im zmiany czynności narządów wewnętrznych. Sterowanie emocjami wyższego rzędu (socjalnymi) należy do okolicy przedczołowej. Wyniki niektórych badań wskazują na różny udział obu półkul mózgu w sterowaniu emocjami człowieka. Buck i Duffty (1980) obserwowali reakcje 382 mimiczne i gestykulację u chorych z jednostronnymi uszkodzeniami mózgu na widok dwóch rodzajów przezroczy: o treści emocjonalnie pozytywnej oraz o treści niezwykłej, emocjonalnie negatywnej. Pacjenci z uszkodzeniami półkuli prawej reagowali żywiej na sceny pozytywne niż negatywne, a więc zgodnie z kulturowo uwarunkowaną tendencją człowieka do ukrywania przed otoczeniem emocji negatywnych. Natomiast chorzy z uszkodzeniami półkuli lewej jednakowo reagowali na przezrocza niezależnie od ich treści. Z kolei Ross i wsp. (1994) badali reakcje emocjonalne chorych na padaczkę, zakwalifikowanych do operacji usunięcia dotkniętej chorobą części mózgu i poddawanych przed zabiegiem testowi amyta- lowemu. Amytal wstrzykiwano do tętnicy szyjnej, co powodowało przejściowe wyłączenie funkcji półkuli mózgu po stronie iniekcji19. Przed iniekcją pacjenci musieli nawiązać do jakiegoś zabarwionego emocjonalnie wydarzenia z własnego życia, a następnie odtworzyć to wydarzenie po iniekcji. Pacjenci po iniekcji amytalu do prawej tętnicy szyjnej prawidłowo odtwarzali obiektywne szczegóły wydarzenia, ale zatracali ich charakter emocjonalny, gdy dotyczyły one emocji pierwotnych. Bezbłędnie natomiast odtwarzali towarzyszące tym przeżyciom emocje socjalne. Badacze sugerują, że emocje socjalne są domeną półkuli lewej, emocjami zaś pierwotnymi steruje półkula mózgu prawa. Półkula lewa uczestniczy również w mechanizmie ekspresji stanów emocjonalnych. I Pojęcie instynktu Według koncepcji etologicznych złożonymi, przystosowawczymi zachowaniami zwierząt kierują mechanizmy zwane instynktami. Często różne osobniki danego gatunku przejawiają określoną formę zachowania w sposób niemal identyczny. Na przykład samce muszki owocowej {Drosophila melanogaster) jednakowo wibrują skrzydłami w obecności samicy, powodując gatunkowo swoisty dźwięk. Również wiele gatunków ptaków i ssaków stosuje typowe strategie, zdobywając pokarm, rywalizując o samicę, broniąc terytorium, opiekując się potomstwem. Opisane czynności, w jednakowy sposób wykonywane przez wszystkie zwierzęta danego gatunku, są wrodzone. Mechanizmy sterujące tymi stereotypowymi czynnościami behawioralnymi zostały zaliczone przez Alcocka (1989) do instynktów zamkniętych (closed instincts). Steruje nimi system nazwany przez etologów wrodzonym mechanizmem wyzwalającym. Mechanizm ten jest uruchamiany przez specjalnie ukształtowane bodźce-znaki, nazwane ze względu na ich swoistość bodźcami kluczowymi, ponieważ niejako „pasują" do niego jak klucz do zamka. Inne instynkty zostały nazwane otwartymi (open instincts), ponieważ kontrolo- wane przez nie formy zachowania, choć wrodzone, są modyfikowane i dostosowy- wane do aktualnej, często zmiennej sytuacji. W uruchamianiu tych zachowań odgrywa rolę wrodzony mechanizm wyzwalający, modyfikowany przez doświadcze- nie. W odróżnieniu od „czystego" wrodzonego mechanizmu wyzwalającego, 19 Test amytalowy był stosowany w celu sprawdzenia, czy druga półkula mózgu jest na tyle sprawna funkcjonalnie, aby przejąć czynności usuniętych dotkniętych chorobą struktur mózgowych. 383 mechanizm modyfikowany przez doświadczenie funkcjonuje elastycznie, czyli reaguje na bodźce kluczowe z uwzględnieniem indywidualnego doświadczenia osobnika. Wiele zwierząt budujących gniazdo po raz pierwszy w życiu wykonuje te czynności chaotycznie. Dopiero po nabyciu doświadczenia budowa postępuje sprawnie, z zachowaniem optymalnej sekwencji poszczególnych etapów. Zachowania instynktowe, niezależnie od stopnia złożoności, zwykle składają się z wielu hierarchicznie uporządkowanych etapów. Zgodnie z tym, za Nao Tinbergenem (1951), pod pojęciem instynktu rozumie się wrodzoną zdolność zwierzęcia do wieloetapowego zachowania, złożonego z biologicznie celowych (przystosowawczych) reakcji opartych na swoistym popędzie, wyzwalanego i sterowanego przez bodźce zewnętrzne. Mimo tej na pozór spójnej definicji instynktu, poglądy na jego organizację nie są jednolite. Dotyczy to zwłaszcza sytuacji, gdy jeden złożony („duży") instynkt kontroluje kompleks wieloetapowych zachowań tak zorganizowanych, że każdy etap można uważać za odrębny („mały") instynkt („podinstynkt"). Za przykład może służyć szczególnie bogate zachowanie rozrodcze ciernika trójkolczastego. Na wiosnę, gdy dnia przybywa, u samca pojawia się popęd płciowy. Ryba zajmuje wówczas terytorium, które jest dla niej bodźcem kluczowym instynktu budowy gniazda. Jeżeli jednak na tym terenie pojawia się inny ciernik, stanowi on bodziec kluczowy wyzwalający zachowanie zmierzające do usunięcia intruza. Obecność samicy, która złożyła jaja, wyzwala akt kopulacji. I wreszcie końcowym etapem tego behawioru jest wentylowanie przez samca zapłodnionych jaj. W interpretacji tego łańcucha zachowań przejawiają się dwa poglądy. Według Konrada Lorenza każdym z tych zachowań steruje samodzielny „cząstkowy" instynkt: budowy gniazda, walki, kopulacji (instynkt płciowy) i instynkt rodzicielski. Zachowania kontrolowane przez te instynkty są uruchamiane przez zadziałanie swoistych bodźców kluczowych na swoiste wrodzone mechanizmy wyzwalające. Natomiast Nao Tinbergen za instynkt sensu stricto uważa tylko taki mechanizm, który kieruje złożonymi zespołami zachowań. Instynkty „cząstkowe" w tym ujęciu są jedynie ogniwami „kompleksowego" instynktu, ponieważ kontrolowane przez nie za- chowania mogą być etapami różnych instynktów. Na przykład wędrówka (migracja) czy walka występuje jako składowa zarówno instynktu pokarmowego, jak i rozrodczego, a zatem nie można mówić o odrębnym instynkcie migracyjnym czy instynkcie walki. W takim ujęciu wymienione wyżej zachowania ciernika można uważać za kolejne etapy „dużego" instynktu rozrodczego. Fazy i etapy zachowania instynktowego W zachowaniu instynktowym etologowie wyodrębniają dwie fazy - fazę apeten- cyjną (zachowanie apetencyjne) i działanie spełniające, nazywane też czynnością konsumacyjną (rys. 15.1). Faza apetencyjna zachowania instynktowego składa się z kilku etapów. Pierwszy etap jest zwykle uruchamiany przez popęd (np. głód lub popęd płciowy), bez udziału bodźca zewnętrznego, stąd też bywa nazywany etapem popędowym. 384 Rys. 15.1. Schemat organizacji zachowania instynktowego. Zachowanie J. apetencyjneT^ "' I T Działanie spełniające 0==a Bodziec wyzwalający x=> Natrafienie A Mechanizm —? Pobudzenie (kluczowy lub wyzwalacz) na bodziec wyzwalający ^^wyzwalający —| Hamowanie Następne etapy fazy apetencyjnej są wyzwalane przez odpowiednie bodźce kluczowe, działające na właściwy wrodzony mechanizm wyzwalający. Jednocześnie rozpoczęcie przez zwierzę kolejnego etapu hamuje etap poprzedni. Ostatni etap fazy apetencyjnej kończy się napotkaniem bodźca kluczowego, który wyzwala działanie spełniające. Jest to stosunkowo prosta, wrodzona forma zachowania, jak zjedzenie znalezionego pokarmu, schwytanie ofiary czy kopulacja. Przykładem zachowania instynktowego jest obyczaj łowiecki sokoła wędrow- nego. Pierwszym etapem fazy apetencyjnej tego instynktu jest lot krążący polegający na przeszukiwaniu terenu, wywołany przez popęd głodu. Czynność tę drapieżnik wykonuje tak długo, aż dostrzeże stado ptaków - potencjalnych ofiar. Widok ten jest bodźcem kluczowym, pod wpływem którego sokół przerywa szukanie ofiary, podejmuje zaś pozorowane ataki zmierzające do oddzielenia od stada jednego lub dwu osobników. Jest to niezbędne, ponieważ zderzenie się ze zwartą grupą byłoby niebezpieczne dla atakującego. Odłączenie osobnika od grupy jest bodźcem kluczowym, który hamuje ataki pozorowane, natomiast wyzwala działanie speł- niające - właściwy atak, schwytanie i zjedzenie ofiary (rys. 15.2). Rys. 15.2. Behawior łowiecki sokoła wędrownego. CZYNNIK WYZWALAJĄCY Popęd: Faza apetencyjna Etap I l(popedowy) Bodziec Etap II kluczowy I widok stada ptaków - potencjalnych ofiar Działanie spełniające Bodziec kluczowy II widok jednego osobnika oddzielonego od stada ZACHOWANIE SIĘ Niepokój, lot krążący, przeszukiwanie terenu Manewry zmierzające do oddzielenia łupu od stada Atak, schwytanie i zjedzenie ofiary 385 i'(. reaJccjami prźe^^**02* piÓra mb dziób T» " ' -?-.»••* ^weraia ??^^««Cr^ naJCZCŚcieJ wysłuż r°dZaJU Zacho^ą Czynnościami 386 W owym jednak czasie wielki płat limbiczny zaliczano do węchomózgowia, a jego rola w sterowaniu emocjami nie była jeszcze znana. ;; >> ????;? W 1937 r. James W. Papez zaliczył zakręt obręczy kory mózgu, hipokamp, ciała suteczkowate i jądra przednie wzgórza do tzw. kręgu emocjonalnego. Pobudzenie tych struktur oraz przekazywanie impulsów w obrębie utworzonego przez nie kręgu miało według Papeza stanowić mózgowy mechanizm stanów emocjonalnych. Twórcą pojęcia „układ limbiczny" jest Paul D. MacLean (1952). Krąg emocjonalny Papeza został przez niego poszerzony o jądra przegrody i podwzgórze. Przymiotnik „limbiczny" pochodzi od łac. limbus - rąbek i odzwierciedla położenie struktur tego układu, które na powierzchni przyśrodkowej mózgowia tworzą niejako obrzeże kory mózgu (rys. 15.3). Do układu limbicznego włączono istotę szarą okołowodociągową śródmózgowia i jądra szwu, a potem jeszcze niżej położone ośrodki pnia mózgu, w których biorą początek drogi o jednolitym neurochemicznym podłożu transmisji synaptycznej - noradrenergiczne, dopaminer- giczne i serotoninergiczne. • • Aktualne pojęcie układu limbicznego daleko wykracza poza klasyczny „krąg emocjonalny" Papeza i poza późniejsze jego modyfikacje. Do układu tego obecnie zalicza się: 1) ośrodki korowe, 2) ciało migdałowate, któremu przypisuje się szczególną rolę w sterowaniu emocjami, 3) ośrodki przodomózgowia, głównie Rys. 15.3. Struktury układu limbicznego na przyśrodkowej powierzchni półkuli mózgu. Zakręty oczodołowe Zakręt obręczy .----------------------. Ciało modzelowate Ciało migdałowate Biegun skroniowy Zakręt wrzecionowaty PŁAT Kora SKRONIOWY śród węchowa : ,. - ;'?: 387 podwzgórze, przegrodę i jądro półleżące, jądro podstawne (Meynerta) i wy- chodzące z niego drogi cholinergiczne oraz 4) ośrodki w pniu mózgu, takie jak pole brzuszne nakrywki, miejsce sinawe i istotę szarą okołowodociągową śródmózgowia. j , . . < ;Ą Ośrodki korowe układu limbicznegó, Korowe ośrodki układu limbicznego należą do filogenetycznie starych obszarów koryfZalicza się do nich opuszkę węchową, guzek węchowy, pole okołomigdało- wateTKorę śródwęcHowąj Pod względem anatomicznym i rozwoju filogenetycznego do tej grupy ośrodków należałoby zaliczyć przegrodę. Jednak ze względu na liczne powiązania z podwzgórzem struktura ta jest zwykle omawiana wraz z ośrodkami podkorowymi. Strukturą zaliczaną do starej kory jest hipokamp. Jego rola w stanach emocjonalnych jest stosunkowo niewielka. Hipokamp może mieć jednak znaczenie w pamięci zdarzeń emocjonalnych. Do układu limbicznego należą jeszcze obszary kory na przyśrodkowej i podstawnej powierzchni półkul mózgu, takie jak zakręt obręczy i zakręty oczodołowe oraz biegun płata skroniowego.; W porównaniu z wyżej wymienionymi strukturami ośrodki te wykształciły się na późniejszych etapach filogenezy mózgowia i sterują emocjami zwłaszcza u naczelnych. Zakręt obręczy \ r Zakręt obręczy (gyrus cinguli) znajduje się na przyśrodkowej powierzchni półkuli mózgu, grzbietowo od ciała modzelowatego (rys. 15.3). Do układu limbicznego należą cztery pola cytoarchitektoniczne według Brodmanna - pole 24 w części przedniej zakrętu, pole 23 w części tylnej, oraz pole 32 (tzw. okolica prelimbicz- na) i pole 25 (okolica infralimbiczna). Zakręt obręczy ma liczne połączenia z nową korą i innymi strukturami układu limbicznego. Część przednia zakrętu unerwia rozległe obszary płata czołowego, przez co pośredniczy w relacjach między układem limbicznym a ośrodkami ruchowymi kory, część tylna natomiast wysyła włókna do obszarów asocjacyjnych w płacie ciemieniowym i skroniowym i za pośrednictwem tych połączeń wpływa na przetwarzanie informacji sen- sorycznych. } ?"?-,, Uszkodzenie zakrętu obręczy upośledza obronne reakcje warunkowe typu unikania (Trafton, 1967; Kimble i Gostnell, 1968; Gabriel i wsp., 1991). Podobne efekty uzyskano po zablokowaniu synaps cholinergicznych w zakręcie obręczy u szczurów za pomocą skopolaminy (Riekkinen Jr i wsp., 1995). O znaczeniu zakrętu obręczy w reakcjach obronnych świadczą też wyniki badań na małpach, w których stwierdzono wzrost aktywności bioelektrycznej neuronów tej struktury podczas wykonywania przez zwierzęta reakcji unikania (Koyama i wsp., 2000). Chorzy z obustronnym uszkodzeniem zakrętu obręczy przez procesy chorobo- we nie reagują emocjonalnie na bodźce i sytuacje otoczenia. Siedzą przez wiele godzin nieruchomo i nie odpowiadają na pytania, jednak spostrzegają co dzieje się 388 w ich otoczeniu (Talairach i wsp., 1973; Vogt i wsp., 1992). Odczuwają bodźce bólowe, lecz pozbawione nieprzyjemnego, awersyjnego charakteru. Po operacjach neurochirurgicznych obejmujących zakręt obręczy obserwowano zmniejszenie uczucia lęku (Ballantine i wsp., 1987). Obserwacje te świadczą o tym, że główna rola tej strukturyjpolega na sterowaniu reakcjami emocjonalnymi z silnym komponentem lękowymi Zakręty oczodołowe * • ' n-'- • • > Zakręty oczodołowe znajdują się na podstawnej powierzchni płatów czołowych i sąsiadują z górną ścianą oczodołu. Obszar ten otrzymuje włókna z różnych okolic płata skroniowego, z ciała migdałowatego i z pól smakowych w korze czuciowej płata ciemieniowego. Dochodzą tu także aksony neuronów dopaminergicznych z pola brzusznego nakrywki (area tegmentalis ventralis). Z kolei połączenia eferentne biegną z zakrętów oczodołowych do zakrętu skroniowego dolnego, kory śródwęchowej i zakrętu obręczy, a także do ośrodków podkorowych - pola przedwzrokowego, bocznej części podwzgórza, głowy jądra ogoniastego i brzusz- nego pola nakrywki. Uszkodzenia zakrętów oczodołowych u małp oraz procesy chorobowe zachodzące w tej okolicy u ludzi powodują podobne objawy, jak uszkodzenie ciała migdałowatego. Małpy wykazują osłabienie reakcji strachowych, na przykład nie boją się widoku węża, oraz zmniejszenie agresywności. Podobnie jak ciało migdałowate, zakręty oczodołowe odgrywają rolę w asoc- jacjach między bodźcami warunkowymi i czynnikami wzmacniającymi reakcje warunkowe. Rola zakrętów polega jednak nie na tworzeniu nowych asocjacji, lecz na wygaszaniu tych, które nie mają znaczenia biologicznego. Odruchy warunkowe u małp z uszkodzeniami zakrętów oczodołowych są nadzwyczaj odporne na wygaszanie, tzn. utrzymują się długo mimo braku wzmocnienia. Sądzi się zatem, że zakręty oczodołowe sterują strategią przystosowywania się organizmu do zmieniającego się biologicznego znaczenia bodźców otoczenia, ostrzegając or- ganizm o zmianie. Na przykład bodziec, który nie jest już nagradzany, może utracić znaczenie bodźca pozytywnego i stać się bodźcem obojętnym, może też wejść w nową asocjację z czynnikiem awersyjnym (Butter, 1969; Butter i wsp., 1969; Butter i Snyder, 1972). Podobne wnioski płyną z obserwacji klinicznych. Chorzy z uszkodzeniem zakrętów oczodołowych wykazują upośledzenie wykonywania Testu Sortowania Kart z Wisconsin. Niekiedy sprawia im trudność odgadnięcie zasady sortowania na początku testu, a gdy ją wreszcie odgadną, na ogół wykonują test prawidłowo. Później mają jednak trudności w przestawieniu się na inną zasadę, gdy badający nagle zmieni ją w trakcie eksperymentu. Zadanie to nie stanowi problemu dla ludzi zdrowych (Milner, 1963). U chorych z uszkodzeniami podstawnej części płata czołowego występują też ogólne zmiany zachowania świadczące o upośledzeniu oceny sytuacji pod względem emocjonalnym. Stwierdzana często euforia, przeważnie nieadekwatna do okolicz- ności, niefrasobliwość, nieodpowiedzialność, brak troski o przyszłość mogą wynikać z takiego właśnie deficytu (Rolls, 1990). ...,.,..,.»„?„>«. i 389 Ciało migdałowate ?•! j> v, -. ^k-*' ' '•?••:. /;.- ? m&&?;-. i< -ui^yv>-'-m *?:.? Ciało migdałowate (corpus amygdaloideum) znajduje się w obrębie bieguna płata skroniowego. Ogólnie można je podzielić na dwie części, różniące się pod względem rozwoju filogenetycznego i wykonywanej funkcji (rys. 15.4). Część brzuszno- -przyśrodkowa (zwana też korowo-przyśrodkową), filogenetycznie starsza, jest właściwie fragmentem kory płata skroniowego. Niektórzy wyodrębniają w niej jądro korowe i jądro przyśrodkowe, inni włączają jądro korowe do kory okołomigdałowa- tej {cortexperiamygdaloideus), otaczającej właściwe ciało migdałowate. Okołicata należy do zespołu struktur o podobnej czynności, które wraz z ciałem migdałowatym tworzą dużą grupę ośrodków nerwowych nazywanych wspólnie zespołem (komplek- sem) migdałowatym. Kora okołomigdałowata rozwija się jednocześnie z ośrodkami węchowymi i uczestniczy w percepcji węchowej. Za pośrednictwem połączeń z podwzgórzem i pniem mózgu przekazuje impulsy z układu limbicznego do ośrodków wegetatywnych i do struktur sterujących wydzielaniem hormonów. Rys. 15.4. Ciało migdałowate i jego połączenia z podwzgórzem. • • Rozsiany system połączeń migdałowato- -podwzgórzowych Część boczna podwzgórza PODWZGÓRZE A Cześć boczna podwzgórza Jądro brzuszno- -przyśrodkowe CZĘŚCI CIAŁA MIGDAŁOWATEGO podstawne: wielkokomórkowe drobnokomórkowe JĄDRA CIAŁA MIGDAŁOWATEGO Druga, filogenetycznie młodsza, część podstawno-boczna ciała migdałowatego, zawierająca jądro środkowe, boczne i podstawne, kieruje czynnościami popędowo- -emocjonalnymi. Jądro podstawne, największe, dzieli się na dwie części, z których jedna jest zbudowana z dużych, a druga z małych komórek. Nazywają się one odpowiednio jądrem podstawnym wielkokomórkowym i drobnokomórkowym. U naczelnych występuje jeszcze jądro podstawne dodatkowe (Amaral i wsp., 1992). Połączenia ciała migdałowatego - , Ciało migdałowate jako struktura mózgu szczególnie predysponowana do sterowania czynnościami emocjonalnymi pozostaje w licznych związkach z innymi ośrodkami układu limbicznego; otrzymuje informacje z układów sensorycznych i narządów wewnętrznych, oddziałuje na układ ruchowy i wegetatywny. 390 Ciało migdałowate sąsiaduje i współdziała z podwzgórzem. Część korowo- -przyśrodkowa oddziałuje na jądro przyśrodkowo-boczne podwzgórza głównie za pośrednictwem prążka krańcowego (stria terminaliś). Jądro środkowe natomiast daje projekcję do bocznego podwzgórza, głównie przez rozsiany system połączeń migdałowato-podwzgórzowych. Istnieją też zwrotne projekcje z podwzgórza do ciała migdałowatego. Ciało migdałowate jest silnie związane z korą mózgu - z korowymi obszarami limbicznymi, z okolicą przedczołową oraz z obszarami sensorycznymi płata skroniowego i ciemieniowego. Połączenia dwukierunkowe wykazano między różnymi jądrami migdałowatymi a korą wyspy, zakrętami oczodołowymi i zakrętem obręczy, a także z okolicą przedczołową (Ongur i wsp., 2000). Impulsy z ciała migdałowatego do okolicy przedczołowej są przekazywane za pomocą połączeń bezpośrednich, a także pośrednio - wielosynaptyczną drogą biegnącą przez jądro przyśrodkowe grzbietowe wzgórza. Połączenia z układów sensorycznych do ciała migdałowatego pochodzą wyłącznie z okolic asocjacyjnych, zarówno z unimodal- nych pól wzrokowych i słuchowych, jak też z okolic polisensorycznych, integ- rujących informacje o różnej modalności. Dochodzą tu także impulsy z receptorów węchowych i smakowych. Natomiast ciało migdałowate oddziałuje na obszary sensoryczne o różnej pozycji w hierarchii, tzn. zarówno asocjacyjne, jak i projek- cyjne. Taka organizacja sprawia, że do ośrodków migdałowatych docierają informacje sensoryczne już przetworzone, najprawdopodobniej w postaci wzorców pobudzeń. Z kolei ciało migdałowate może modyfikować procesy sensoryczne również na wczesnych etapach ich powstawania. Poza tym w obrębie samego ciała migdałowatego odbywa się złożony proces opracowywania informacji, które mają zostać wysłane do ośrodków czuciowych o różnej hierarchii. Oddziaływanie ciała migdałowatego na układ ruchowy zachodzi za pośred- nictwem prążkowia, a także dzięki połączeniom jądra środkowego z ośrodkami pnia mózgu. Ciało migdałowate wysyła włókna do jądra ogoniastego, przez co wpływa na sterowanie czynnościami ruchowymi przez tę strukturę, a także do jądra półleżącego (nucleus accumbens) i dalej, do brzusznej części pallidum. Brzuszna część pallidum ma połączenia z istotą czarną oraz ośrodkami ruchowymi w śródmózgowiu i moście, w tym z tworem siatkowatym zstępującym. Za pośrednictwem połączeń z jądrem samotnym {nucleus solitarius) i jądrami nerwu błędnego ciało migdałowate modyfikuje czynność układu wegetatywnego. Czynność ciała migdałowatego i, ^s;; s ; ; i.. Czynność ciała migdałowatego pod niektórymi względami jest podobna do czynności podwzgórza. Uszkodzenie korowo-przyśrodkowej części ciała mig- dałowatego, tak samo jak bocznej części podwzgórza, powoduje afagię, czyli upośledzenie pobierania pokarmu. Oprócz afagii zwierzęta wykazują zahamowanie ruchowe, a psy zanik skłonności do zabawy i brak kontaktu z eksperymentatorem. Zespół tych objawów przypomina obniżenie nastroju u człowieka, czyli stan depresji.___ Ciało migdałowate odgrywa rolę również w czynnościach obronnych zwierząt; Drażniąc ośrodki w obrębie części korowo-przyśrodkowej prądem elektrycznym 391 uzyskiwano u różnych gatunków zwierząt reakcję ucieczki, przypominającą zachowanie zwierzęcia pod wpływem strachu. Obustronne uszkodzenie ciała migdałowatego u małp przypomina zespół, jaki w 1939 r. opisali u tych zwierząt Kluver i Bucy po usunięciu biegunów obu płatów skroniowych. Zwierzęta po operacji stają się łagodne, ich reakcje emocjonalne, w tym strachowe, są znacznie zredukowane. Małpy wykazują skłonność do badania przedmiotów, zwłaszcza wargami; jedzą też niejadalne dla małp pokarmy, na przykład mięso. Upośledzone są więzi socjalne operowanych małp z innymi członkami grupy. Badania elektrofizjologiczne wykazały, że aktywność pojedynczych neuronów ciała migdałowatego u małp nasila się pod wpływem oglądania obrazków z wizerunkami twarzy osobników tego gatunku. Neurony wrażliwe na prezentacje tych bodźców znaleziono głównie w jądrze podstawnym dodatkowym, które jest szczególnie silnie rozwinięte u naczelnych. Ciało migdałowate jest zatem częścią większego systemu ośrodków reagujących na wizerunki twarzy, co może mieć znaczenie w ustalaniu więzi społecznych (Rolls, 1992). Podwzgórze, położone w brzusznej części przodomózgowia, w bliskim sąsiedztwie skrzyżowania nerwów wzrokowych, jest strukturą niejednolitą z punktu widzenia rozwoju ontogenetycznego, wskutek czego przednia jego część należy do kresomóz- \ gowia, tylna zaś do międzymózgowia. Pod~ względem anatomicznym i czynnościowym w obrębie podwzgórza; rozróżnia się część przednią (wzrokową)20, pośrednią (guzową) i tylną (suteczkową)^ (rysv15.5X_ W części przedniej podwzgórza znajdują się cztery ważne jądra. Dwa -jądro j nadwzrokowe {nucleus supraopticus) i przykomorowe {nucleus paraventricularis), j zawierają komórki neurosekrecyjne, czyli neurony wytwarzające hormony -1 u ssaków wazopresynę (nazywaną też hormonem antydiuretycznym) i oksytocynę. Jądro przykomorowe odgrywa też rolę w regulacji przyjmowania pokarmu. Trzecie jądro, okołokomorowe {nucleus periventricularis), leżące blisko komory trzeciej, odgrywa rolę w reakcjach obronnych organizmu. Nazwa czwartego jądra, nad- skrzyżowaniowego {nucleus suprachiasmaticus) pochodzi od jego umiejscowienia w pobliżu skrzyżowania nerwów wzrokowych. Rolą tego jądra jest sterowanie dobową rytmiką czynności fizjologicznych. Część środkowa (guzowa) podwzgórza tworzy na brzusznej powierzchni mózgowia uwypuklenie o ciemnym zabarwieniu* .zwane guzem popielatym {tuber i cinereum), od którego pochodzi jej nazwa. W części przyśrodkowej tego obszaru znajduje się jądro grzbietowo-przyśrodkowe {nucleus dorsomedialis) i brzuszno- -przyśrodkowe {nucleus ventromedialis). Jądra te należą do ośrodkowego systemu kierującego pobieraniem pokarmu i regulującego gospodarkę energetyczną or- 20 Nazwa ta wyraża sąsiedztwo przedniej części podwzgórza ze skrzyżowaniem nerwów wzrokowych. 392 Rys. 15.5. Budowa podwzgórza; A - rozmieszczenie jąder podwzgórza na przekroju strzałkowym mózgu; B - widok na przekroju czołowym Część wzrokowa A jądro przykomorowe Część Część guzowa suteczkowa Jądro nadwzrokowe Skrzyżowanie nerwów wzrokowych B Jądro tylne Jądro grzbietowo- -przyśrodkowe" Ciało suteczkowate Wyniosłość pośrodkowa Pęczek suteczkowo- -wzgórzowy Część boczna podwzgórza Jądro brzuszno- -przyśrodkowe ;!;!;;; Część boczna podwzgórza Sklepienie ganizmu, a jądro brzuszno-przyśrodkowe odgrywa też rolę w kierowaniu reakcjami obronnymi. Szczególną rolę w zachowaniu popędowo-emocjonalnym odgrywa boczna część podwzgórza. Jej istotną składową są nie tylko ciała neuronów, lecz także przebiegające tędy włókna pęczka przyśrodkowego przodomózgowia, który łączy struktury układu limbicznego o ważnym znaczeniu dla procesów motywacji. Na powierzchni brzusznej przodomózgowia, ku tyłowi od lejka przysadki, wyraźnie zaznaczają się dwa białawe twory - ciała sutkeczkowate. W nich rozpoczynają się i kończą ważne drogi układu limbicznego. Grzbietowo od ciał suteczkowatych jest położone jądro tylne podwzgórza (jiucleus posterior hypot- halami), zaliczane do układu siatkowatego. Jądro to należy do systemu ośrodków kierujących zachowaniem obronnym! Z przodu części wzrokowej podwzgórza znajduje się niewielki obszar zwany polem przedwzrokowym (area praeoptica), dawniej zaliczany do podwzgórza, obecnie uważarry za strukturę odrębną, ale funkcjonalnie współdziałającą z pod- wzgórzem. Pole przedwzrokowe wraz z podwzgórzem odgrywają rolę w kierowaniu reakcjami popędowo-emocjonalnymi. >>.> h v s; ; ; n:s^ r ; Połączenia podwzgórza Liczne drogi łączą podwzgórze z innymi strukturami. Wśród nich rozróżnia się: 1) drogi aferentne (dopodwzgórzowe), biorące początek w innych strukturach i kończące się w podwzgórzu, 2) drogi eferentne (odpodwzgórzowe), rozpoczynające się w podwzgórzu i biegnące do innych struktur, 3) drogi przechodzące przez podwzgórze. ^Głównym źródłem połączeń nerwowych dochodzących do podwzgórza jest ciało migdałowate i hipokamp. Podwzgórze i sąsiadujące z nim pole przedwzrokowe 393 otrzymują informacje z ciała migdałowatego za pośrednictwem drogi nerwowej zwanej prążkiem krańcowym; (stria terminalis), która pełni ważną funkcję w integracji tych struktur. Natomiast informacje z hipokampa dochodzą do podwzgórza przez sklepienie (patrz s. 508). Podwzgórze otrzymuje też połączenia z ośrodków limbicznych kory mózgu, głównie z okolicy infralimbicznej zakrętu obręczy :(pole 25). Pochodzące stąd włókna nerwowe unerwiają boczną część podwżgorza, a niektóre biegną dalej, do istoty szarej okołowodociągowej śródmóz- gowia, a także do ośrodków przywspółczulnych opuszki i ośrodków współczulnych rdzenia kręgowego. Dużą drogą eferentną podwzgórza jest pęczek suteczkowo-wzgórzowy (fas- ciculus mammillothalamicus), łączący ciała suteczkowate z jądrami przednimi wzgórza, skąd biegną dalsze włókna do zakrętu obrgęzyj W ciałach suteczkowatycłi rozpoczyna się też pęczek suteczkowo-nakrywkowy, podążający do brzusznej części nakrywki śródmózgowia i tworu siatkowatego. Za pośrednictwem tej drogi układ limbiczny oddziałuje na czynność nieswoistego układu wzbudzającego. Oprócz tego podwzgórze jest połączone ze śródmózgowiem za pomocą pęczka podłużnego przyśrodkowego i pęczka bocznego. Pęczki te łączą podwzgórze z różnymi ośrodkami pnia mózgu, w tym z istotą szarą okołowodociągową. I wreszcie rozległe połączenia biorą początek w jądrze łukowatym podwzgórza. Dochodzą one do różnych części układu limbicznego, a także do istoty szarej okołowodociągowej śródmózgowia.) ;-.• Jądro półleżące ' Dzięki badaniom neuroanatomicznym pojęcie jąder podstawy zostało znacznie rozszerzone. W rozdziale 11, w którym omówiono budowę i czynność ciała prążkowanego (corpus striatum) jako zespołu struktur uczestniczących w regulacji czynności ruchowych, zaznaczono, że w zespole tym można wyodrębnić różne podjednostki. Według jednego z kryteriów ciało prążkowane dzieli się na dwie duże części: striatum, po polsku nazywane prążkowiem, i pallidum, obejmujące gałkę bladą. W trakcie ostatnich badań okazało się, że w sąsiedztwie ciała prążkowanego, a ściślej mówiąc brzusznie od niego, znajduje się niejako jego replika o podobnej budowie. System ten nazwano brzuszym prążkowiem {striatum ventrale) i brzusz- nym pallidum (pallidum ventrale). Per analogiom ciało prążkowane nazwano grzbietowym prążkowiem i grzbietowym pallidum (Heitner i wsp., 1991). Ważną częścią brzusznego prążkowia jest jądro półleżące (nucleus accumbens). Zalicza się do niego również guzek węchowy (tuberculum olfactorium) i istotę dziurkowaną przednią (substantia perforata anterior). Do jądra półleżącego dochodzą włókna aferentne zarówno zstępujące z kory mózgu, jak też wstępujące z pnia mózgu. Włókna zstępujące pochodzą głównie z korowych struktur układu limbicznego, takich jak okolica infralimbiczna w zakręcie obręczy, z okolicy przedczołowej i z jąder podstawnych ciała migdałowatego. Najważniejszym źródłem włókien wstępujących jest pole brzuszne nakrywki, skupiające neurony dopaminergiczne (jądro A10). Do jądra półleżącego 394 r dochodzą też włókna serotoninergiczne z jąder szwu i włókna noradrenergiczne z miejsca sinawego. Jądro półleżące wysyła włókna eferentne do brzusznego pallidum i do istoty czarnej. Z kolei struktury te oddziałują w trzech głównych kierunkach: na korę mózgu, na ośrodki układu dopaminergicznego i na ośrodki ruchowe pnia mózgu. Odziaływanie na korę mózgu zachodzi za pośrednictwem jądra przyśrodkowego grzbietowego wzgórza. Włókna z tego jądra dochodzą zarówno do okolic limbicznych kory, jak też do okolicy przedczołowej i przedruchowej. Działając na pole brzuszne nakrywki, jądro półleżące modyfikuje czynność dopaminergiczngo układu neurotransmisyjnego, odgrywającego ważną rolę w regulacji czynności popędowo-emocjonalnychj Dzięki połączeniom z ośrodkami ruchowymi i wegeta- tywnymi pnia mózgu jądro półleżące modyfikuje reakcje ruchowe i wpływa na przejawy emocji w czynności narządów wewnętrznych; (Gronenwegen i wsp., 1996). Przegroda przezroczysta ^Przegroda przezroczysta (septum pellucidum), nazywana w skrócie przegrodą, składa się z dwóch cienkich blaszek rozpiętych w przedniej części mózgowia między ciałem modzelowatym a sklepieniem. W obrębie przegrody znajdują się dwa skupienia neuronów zwane jądrami przegrodowymi - przy środkowym i bocznym. Jądra przegrodowe są stacją przekaźnikową między tworem siatkowatym pnia mózgu a hipokampem. Jądro przyśrodkowe otrzymuje impulsy z tworu siatkowatego śródmózgowia i przekazuje je do hipokampa, natomiast jądro boczne, odwrotnie, otrzymuje impulsy z hipokampa i przekazuje je do tworu siatkowatego. , v ? ;> :, ?, ? .^ Połączenia siatkowato-hipokampowe odgrywają rolę w reakcji wzbudzenia. Impulsy dochodzące do hipokampa z tworu siatkowatego przyczyniają się do powstawania fal theta w elektroencefalogramie - elektrofizjologicznego korelatu tej reakcji. Poza udziałem w mechanizmie wzbudzenia przegroda uczestniczy w regulacji czynności popędowo-emocjonalnych; wykazano, że u szczurów jej uszkodzenie nasila pobudliwość emocjonalną. Systemy o jednolitym neurochemicznym podłożu transmisji synaptycznej W latach sześćdziesiątych badacze szwedzcy Annica Dahlstrom i Kjell Fuxe (1964) odkryli w obrębie pnia mózgu kilka systemów dróg nerwowych o inte- resujących właściwościach. Każdy z tych systemów bierze początek w ośrodkach w tylnej części pnia mózgu i przekazuje pobudzenie do różnych struktur przodomózgowia. Główną jednak ich właściwością jest to, że przekazywanie pobudzenia przez wszystkie synapsy danego systemu odbywa się za pośrednictwem jednego przekaźnika - noradrenaliny, dopaminy lub serotoniny. W związku z tym w obrębie pnia mózgu wyróżnia się drogi noradrenergiczne, dopaminergiczne i serotoninergiczne. Dwa pierwsze systemy dróg są wspólnie nazywane systemami 395 Rys. T5.6. Układy o jednolitym podłożu transmisji synaptycznej; MFB - pęczek przyśrodkowy przodomózgowia. Drogi noradrenergiczne Kora nowa Przegroda Podwzgórźe Pęczek noradrenergicźny: grzbietowy\ brzuszny Kora przedczołowa Przegród Jądro półleżące Guzek węchowy Układ: Drogi dopaminergiczne Kora przedczołowa nigrostriatalnyN mezokortykalny mezolimbiczny Ciało migdałowate' Drogi noradrener- giczne Przegroda Jądro półleżące 'Jądro ogoniaste Drogi serotoninergiczne Kora nowa Drogi dopaminer- giczne Przegroda Ciało migdałowate katecholaminergicznymi. Niektóre z tych dróg wchodzą w skład tzw. układu nagrody, tj. systemu ośrodków kierujących stanem przyjemności. Według oznaczeń wprowadzonych przez badaczy szwedzkich, ośrodki dające początek drogom katecholaminergicznym określa się literą A i liczbą, ośrodki zaś dróg serotoninergicznych - literą B i liczbą (rys. 15.6). Systemy noradrenergiczne Najlepiej zbadaną drogą noradrenergiczną jest pęczek przyśrodkowy przodo- mózgowia ifasciculus medialis prosencephali), powszechnie określany skrótem MFB (od ang. medial forebrain bundle). MFB składa się z dwóch pęczków - noradrenergicznego brzusznego i grzbietowego. Pęczek noradrenergicźny brzusz- ny rozpoczyna się w trzech jądrach położonych w rdzeniu przedłużonym, tj. w A,, A2 i A4, i w jądrze A7, znajdującym się w moście. Po przejściu przez śródmózgowie wchodzi w skład głównego pnia MFB i dociera do podwzgórza. Znaczna część włókien tego pęczka unerwia jądro brzuszno-przyśrodkowe podwzgórza. Jądra w pniu mózgu, w których bierze początek pęczek noradrenergicźny brzuszny, otrzymują impulsy nerwowe z narządów wewnętrzych, w tym z przewodu pokarmowego. Uszkodzenia obejmujące tę drogę powodują hiperfagię, czyli nasilenie pobierania pokarmu. 396 Druga część MFB, pęczek noradrenergiczny grzbietowy, rozpoczyna się w moście, w jądrze Ag, czyli w miejscu sinawym (locus coeruleus), nazywanym tak ze względu na charakterystyczne niebieskawe zabarwienie jego neuronów. Początkowo pęczek ten biegnie oddzielnie, a po przejściu przez śródmózgowie łączy się z pęczkiem brzusznym we wspólny pień MFB. Włókna MFB pochodzące z pęczka grzbietowego unerwiają rozległe obszary podwzgórza, głównie jego część boczną, pole przedwzrokowe, ciało migdałowate, przegrodę, korowe części układu limbicznego i okolicę przedczołową kory mózgu. Znaczna część włókien MFB dochodzi do okolic sensorycznych kory mózgu. Oprócz omawianych dotąd włókien wstępujących pęczek przyśrodkowy przodomózgowia zawiera też włókna zstępujące. Biorą one początek w różnych strukturach przodomózgowia, takich jak ciało migdałowate, przegroda i pole przedwzrokowe, i biegną do ośrodków położonych niżej. Poza tym od włókien biegnących w głównym pniu MFB odchodzą liczne bocznice (kolaterale) do różnych pobliskich ośrodków, a jednocześnie dołączają się do głównego pnia MFB włókna nerwowe pochodzące z tych ośrodków. Strukturą szczególnie w ten sposób powiązaną z MFB jest boczna część podwzgórza. Ponadto w obrębie samego MFB znajdują się oprócz włókien nerwowych również ciała neuronów. Wszystko to sprawia, że MFB jest skomplikowanym polisynaptycznym systemem nie tylko przewodzącym impulsy nerwowe, lecz także umożliwiającym ich krążenie w kręgach neuronalnych. Dzięki tej właściwości MFB może odgrywać rolę w procesie uczenia się. Systemy dopaminergiczne W pniu mózgu występują trzy układy dróg dopaminergicznych, w których rolę przekaźnika transmisji synaptycznej odgrywa dopamina. Neurony, które dają początek tym drogom, znajdują się w trzech jądrach śródmózgowia oznaczonych symbolami A8, A9 i A10. Aksony tych neuronów początkowo biegną w pęczku przyśrodkowym przodomózgowia (MFB), a następnie rozdzielają się na trzy układy - mezolimbiczny, mezostriatalny i mezokortykalny. Układy te różnią się nie tylko pod względem lokalizacji anatomicznej, lecz także pełnioną funkcją. Układ mezolimbiczny rozpoczyna się w jądrze A10, tj. w części śródmózgowia nazywanej polem brzusznym nakrywki (area tegmentalis ventralis). Jego celem jest jądro półleżące (nucleus accumbens), guzek węchowy {tuberculum olfactorium) i jądro prążka krańcowego {nucleus striae terminalis). Rolą układu mezolimbicznego jest sterowanie procesami motywacyjnymi. W jądrze A10 rozpoczyna się też układ mezokortykalny, którego celem jest okolica przedczołową, zakręt obręczy, ciało migdałowate i przegroda. Uczestniczy on w reakcjach organizmu na bodźce stresowe oraz w opracowywaniu przez okolicę przedczołową schematów czynności ruchowych zgodnie z aktualnym stanem motywacyjnym. Układ mezostriatalny (częściej zwany nigrostriatalnym) rozpoczyna się w jądrze A9, odpowiadającym części zbitej (pars compacta) istoty czarnej (substantia nigra). Należy też do niego jądro A8 w obrębie tworu siatkowatego śródmózgowia. Celem układu nigrostriatalnego jest ciało prążkowane (corpus striatum), tj. jądro ogoniaste i skorupa. Układ ten odgrywa rolę w czynnościach ruchowych organizmu (patrz rozdz. 11). 397 System serotoninergiczny Ośrodki, w których występują neurony zawierające serotoninę (5-hydroksytryp- taminę), znajdują się w środkowej części rdzenia przedłużonego, mostu i śródmóz- gowia, w tzw. jądrach szwu (nuclei raphes), rozmieszczonych wzdłuż linii podłużnej przeprowadzonej przez środek pnia mózgu. Neurony serotoninergiczne zawiera też istota szara okołokomorowa śródmózgowia. Zstępująca część układu serotoninergicznego reguluje wrażliwość organizmu na bodźce bólowe. Od jąder szwu odchodzą również włókna w kierunku wstępującym, których celem są różne obszary kory mózgu. Wstępujące drogi serotoninergiczne uczestniczą w procesach uwagi (patrz s. 330) i w niektórych czynnościach emocjonalnych. Deficyt uwalniania 5-hydroksytryptaminy jest uwa- żany za jedną z przyczyn depresji. Systemy cholinergiczne ? . - • , , • , ,. r Synapsy cholinergiczne rozproszone wśród innych synaps występują w wielu strukturach mózgu i rdzenia kręgowego. Znane są jednak dwa zwarte systemy anatomiczno-funkcjonalne, w których przekazywanie informacji odbywa się głównie za pośrednictwem acetylocholiny. Jeden z nich, umiejscowiony w podstawnej części przodomózgowia, współdziała z układem limbicznym, drugi zaś, umiejs- cowiony w pniu mózgu, uczestniczy w mechanizmach czuwania i snu. Zgodnie z przyjętą konwencją jądra zawierające neurony cholinergiczne oznacza się literami Ch i liczbą (Mesulam i wsp., 1983). W podstawnej części przodomózgowia wyodrębniono cztery takie jądra. Pierwsze (Ch,) znajduje się w przyśrodkowej części przegrody i wysyła włókna do hipokampa. Dwa kolejne są położone w obrębie pasma przekątnego (taenia diagonalis). Jądro Ch2 unerwia zakręt obręczy, a jądro Ch3 wysyła włókna do opuszki węchowej. Czwarte, jądro podstawne (nucleus basalis) (Meynerta), jest połączone z podstawno-boczną częścią ciała migdałowatego, a także wysyła projekcje do kory mózgu (Page i Sofroniew, 1996). Uszkodzenie jąder cholinergicznych u szczurów powoduje upośledzenie uczenia się i uwagi. Degeneracja neuronów cholinergicznych przodomózgowia występuje w chorobie Alzheimera i jest jedną z przyczyn zaburzeń pamięci. Istota szara okołowodociągowa Istota szara okołowodociągowa otacza na kształt mankietu wodociąg mózgu {aąuaeductus cerebri), zwany dawniej wodociągiem Sylwiusza, na całym jego przebiegu przez śródmózgowie (rys. 15.7). Ostatnio wykazano, że struktura ta, mimo niewielkich rozmiarów, jest w wysokim stopniu zróżnicowana pod względem funkcjonalnym. Na przekroju w płaszczyźnie strzałkowej rozróżnia się odcinek przedni, pośredni i tylny istoty szarej środkowej, przy czym zachowaniem emocjonalnym steruje część grzbietowo-boczna i brzuszno-boczna dwóch ostatnich odcinków (Bandler i Keay, 1996). W doświadczeniach na szczurach do obu tych części wprowadzano przez cienką rurkę roztwór przekaźnika - kwasu glutaminowego. 398 Rys. 15.7. Istota szara okołowodociągowa śródmózgowia. Istota szara okołowodociągowa Samoobrona Ucieczka CzęśćvXA(^ grzbietowo- -boczna Strach bierny (znieruchomienie) Analgezja nieopioidowa Analgezja opioidowa Wodociąg mózgu Podrażnienie części grzbietowo-bocznej w obrębie tylnego odcinka istoty szarej wywoływało reakcję ucieczki, natomiast w obrębie odcinka przedniego - za- chowanie przypominające obronę przed atakiem napastnika. Obu tym formom zachowania towarzyszył wzrost ciśnienia tętniczego krwi i częstości skurczów serca. Natomiast podrażnienie części brzuszno-bocznej powodowało, odwrotnie, znieruchomienie, obniżenie ciśnienia krwi i zwolnienie częstości skurczów serca, tj. objawy należące do repertuaru biernych reakcji obronnych. Pobudzenie istoty szarej okołowodociągowej za pomocą mikroiniekcji kwasu glutaminowego wywo- ływało również zmniejszenie wrażliwości bólowej (analgezję) - zjawisko podobne do przeciwbólowego efektu drażnienia tej struktury prądem elektrycznym. Istota szara śródmózgowia oddziałuje na ośrodki ruchowe i wegetatywne rdzenia kręgowego za pośrednictwem jąder szwu - głównie jądra wielkiego szwu {nucleus raphes magnus), i jądra przyolbrzymiokomórkowego (nucleus paragigan- tocellularis). Tymi drogami przenoszone jest także oddziaływanie hamujące istoty szarej okołowodociągowej na przepływ impulsów czucia bólu w rogach grzbieto- wych rdzenia kręgowego. Nastrój Nastrojem nazywa się stan psychiczny wynikający z emocjonalnej oceny sytuacji. Dwoma biegunami tego stanu są z jednej strony poczucie komfortu psychicznego, pozytywna ocena osiągnięć życiowych i optymistyczne oczekiwanie realizacji planów życiowych, z drugiej zaś poczucie dyskomfortu, osamotnienia, izolacji, braku perspektyw. Zaburzenia polegające na szczególnie nasilonym lub długo- trwałym obniżeniu nastroju nazywa się stanami depresyjnymi (depresją). I odwrot- 399 'H^HIeu^ '^ nie, nieprawidłowe podwyższenie nastroju określa się jako stan maniakalny. Niekiedy oba rodzaje zmian nastroju występują naprzemiennie; mamy wówczas do czynienia z zespołem maniakalno-depresyjnym. Depresja Stan depresyjny wyraża się apatią, poczuciem beznadziejności, brakiem sensu życia i zmniejszeniem motywacji. W odróżnieniu od przejściowego obniżenia nastroju u ludzi zdrowych, w stanach depresji chory traci prawidłową ocenę zarówno własnej osoby, jak też środowiska, w którym żyje. Stan maniakalny, przeciwnie, charakteryzuje się euforią, nieuzasadnionym optymizmem, przypisy- waniem sobie szczególnych zdolności, umiejętności, znaczenia społecznego czy też ważnej roli do odegrania. Lżejszą postać tych zaburzeń nazywa się stanem hipomaniakalnym. Wyniki doświadczeń na zwierzętach i obserwacje u ludzi wskazują, że strukturą mózgową odpowiedzialną za odczuwanie przyjemności i przykrości jest układ limbiczny. Układ ten może być również siedliskiem mechanizmów regulu- jących nastrój. ' Neuroanatomiczne podłoże depresji - Drevets i Raichle (1995), posługując się emisyjną tomografią pozytonową (PET), porównywali przepływ krwi przez obszary układu limbicznego u chorych na depresję oraz u ludzi zdrowych. U chorych ze stanami depresyjnymi stwierdzono wzmożoną aktywność rozległych obszarów okolicy przedczołowej i zakrętu obręczy kory mózgu, a także środkowej części wzgórza i ciała migdałowatego. Podobne zmiany w ośrodkach korowych były wywoływane u ludzi zdrowych rozmyślaniami nad smutnymi opowiadaniami („indukowany smutek"), ale aktywność ciała migdałowatego była u nich wtedy zmniejszona. Zmiany u chorych na depresję w postaci zmniejszonego przepływu krwi stwierdzono w obrębie zakrętu skroniowego środkowego i kory mózgu na granicy między płatem skroniowym i potylicznym. Wyniki tych badań wskazują, że upośledzenie czynności układu limbicznego w stanach depresji może powodować: 1) ogranicze- nie dopływu informacji z asocjacyjnych okolic sensorycznych, czego wyrazem jest zmniejszona aktywność kory płata skroniowego i ciemieniowego; upośledzenie to może być przyczyną naruszenia więzi socjalnych i niewłaściwej oceny sytuacji, 2) nieprawidłowe wykorzystywanie śladów pamięciowych kodowanych w okolicy przedczołowej; prowadzi to do dziwacznych przekonań i zachowań, 3) utrzymy- wanie się nieprawidłowych asocjacji tych śladów z kontekstem sytuacyjnym, wskutek czego nastrój chorego pozostaje obniżony nieadekwatnie do istniejącej sytuacji. , Neurochemiczne podłoże depresji Badania farmakologiczne i porównanie efektów terapeutycznych leków o różnym punkcie uchwytu pozwalają ocenić związek obniżonego nastroju z funkcjonowaniem układów neuroprzekaźnikowych mózgu. 400 Zainteresowanie neurochemicznym podłożem nastroju pojawiło się w latach pięćdziesiątych XX w., kiedy w leczeniu nadciśnienia tętniczego zaczęto stosować rezerpinę, a w leczeniu gruźlicy iproniazyd. Leki te, niezależnie od zamierzonego skutku, powodowały u leczonych osób zmiany nastroju. U niektórych chorych przyjmujących rezerpinę obserwowano depresję, a w trakcie leczenia iproniazy- dem - euforię. Oba te leki modyfikują przemianę amin biogennych w synapsach. Rezerpina blokuje zwrotny wychwyt noradrenaliny, dopaminy i 5-hydroksytryp- taminy przez pęcherzyki synaptyczne, co powoduje, że przekaźniki te po wejściu do zakończeń synaptycznych są rozkładane przez enzym monoaminooksydazę (MAO) i dlatego ich rezerwy maleją. Odwrotnie działa iproniazyd, hamując MAO przyczynia się do zwiększenia zasobów amin biogennych w zakończeniach synaptycznych. Ze względu na to działanie lek ten, jako inhibitor MAO, był początkowo stosowany w leczeniu depresji. Później, ze względu na niepożądane uboczne skutki działania inhibitorów MAO, zostały one wyparte przez leki o innym mechanizmie działania, nazwane ze względu na budowę chemiczną trójpierścieniowymi lekami przeciwdepresyjnymi (antydepresantami). Trójpierścieniowe antydepresanty nie hamują MAO, lecz blokując zwrotny wychwyt amin biogennych przez zakończenia synaptyczne, umożliwiają nagromadzenie się większych ilości przekaźnika w szczelinie synap- tycznej. Leki z tej grupy odznaczają się pewną swoistością działania. Na przykład dezipramina, uważana za klasyczny lek przeciwdepresyjny, swoiście hamuje zwrotny wychwyt noradrenaliny. Sugerując się tym, za przyczynę depresji uważano upośledzenie funkcji układu noradrenergicznego mózgu. Za powstanie depresji może być również odpowiedzialne zmiejszone uwal- nianie 5-hydroksytryptaminy w synapsach, gdyż preparaty pobudzające układ serotoninergiczny okazały się skuteczne w leczeniu niektórych postaci depresji. W mechanizmie depresji może też odgrywać rolę dopamina, na co wskazuje obniżenie nastroju w chorobie Parkinsona i fakt, że stosowanie lewodopy, prekursora dopaminy, jest przyczyną stanu hipomaniakalnego u niektórych chorych na tę chorobę. ; Wyżej sugerowane wyjaśnienie mechanizmu depresji okazało się jednak niespójne z obserwacjami chorych leczonych lekami przeciwdepresyjnymi. Otóż działanie inhibitorów MAO i trójpierścieniowych antydepresantów na przemianę amin biogennych jest natychmiastowe, natomiast poprawa stanu chorego następuje dopiero po kilku lub kilkunastu dniach przyjmowania leku. Skuteczność leczenia przeciwdepresyjnego opiera się więc na innych, bardziej złożonych mechanizmach. W badaniach na zwierzętach stwierdzono, że stosowanie leków przeciwdep- resyjnych przez kilka tygodni prowadzi do zmniejszenia gęstości receptorów P-adrenergicznych w mózgu (Charney i wsp., 1981). Jest to zrozumiałe w świetle wiedzy o regulacji receptorów błonowych. Długotrwałe działanie nagromadzonego w synapsie przekaźnika prowadzi do zmniejszenia liczby aktywnych, wrażliwych na niego receptorów postsynaptycznych („regulacja w dół"). Ponieważ receptory P-adrenergiczne są receptorami metabotropowymi, zmniejszenie ich liczby powo- duje, że w wyniku ich aktywacji przez noradrenalinę powstaje w komórce mniej przekaźnika wtórnego cAMP. W świetle tych obserwacji skutek leków przeciw- 401 depresyjnych zależy nie tyle od zwiększenia ilości przekaźnika w synapsie, ile od zmniejszenia, w drugim etapie leczenia, wrażliwości synaps na przekaźnik, a w konsekwencji od osłabienia mechanizmów transdukcji sygnałów w neuronach. Oprócz receptorów noradrenergicznych podobnej „regulacji w dół" mogą ulegać pod wpływem leków przeciwdepresyjnych receptory serotoninergiczne 5-HT2. O znaczeniu dysfunkcji przekaźników wtórnych w etiologii depresji świadczy skuteczność soli litu w leczeniu zaburzeń nastroju. Po raz pierwszy uzyskano efekty pozytywne, podając lit chorym z zespołem maniakalnym. Potem okazało się, że lit jest również skuteczny w leczeniu depresji. Lit, podobnie jak inhibitory MAO i trójpierścieniowe antydepresanty, podawany długotrwale, zmniejsza stężenie cAMP w komórkach nerwowych. Oprócz tego wywiera wpływ na drugi system przekaźni- ków wtórnych - pochodnych fosfatydyloinozytolu (PI). Jeden z nich, trifosforan inozytolu (IP3), ulega rozkładowi; po kilku jego etapach powstają ostatecznie monofosforany inozytolu, a z nich, wskutek działania enzymu fosfatazy inozytolu - inozytol. Inozytol jest następnie wykorzystywany do resyntezy PI - prekursora IP3 i innego przekaźnika wtórnego - diacyloglicerolu. Działanie litu polega na hamowaniu fosfatazy inozytolu. Prowadzi to do deficytu inozytolu i w konsekwencji do zmniejszenia stężenia wspomnianych przekaźników wtórnych. Badania te świadczą o tym, że przyczyną depresji może być nie zmniejszona aktywność, lecz przeciwnie - nadmierne pobudzenie niektórych neuronów w układzie limbicznym. Zwierzęce modele depresji ' Poszukiwania nowych leków przeciwdepresyjnych stwarzają zapotrzebowanie na zwierzęce modele depresji. Odpowiedź na pytanie, czy u zwierząt laboratoryjnych występują stany depresji, jest z natury trudna. Za przejaw depresji u szczura przyjęto uważać takie rodzaje zachowania, które są hamowane przez typowe leki przeciwdepresyjne, głównie dezipraminę. Modele etologiczne W modelach etologicznych depresji wykorzystuje się spontaniczne reakcje zwierząt na naturalne bodźce otoczenia, zwykle związane z czynnikami socjalnymi. Użytecznym modelem do badania działania leków przeciwdepresyjnych u szczurów okazała się agresja rezydenta skierowana przeciwko intruzowi naruszającemu jego terytorium (Mitchell, 1994). Typową reakcją rezydenta jest atakowanie intruza. Intruz w odpowiedzi na atak przyjmuje pozę submisywną albo ucieka w bezpieczne miejsce. Stosowanie leków przeciwdepresyjnych (na przykład imipraminy) wywierało dwufazowy wpływ na agresywność rezydenta. Jednorazowa iniekcja powodowała zmniejszenie agresywności, niekiedy z przekształceniem jej w ucieczkę. Odwrotny efekt, w postaci zwiększenia agresywności rezydenta, wystąpił, gdy leki przeciw- depresyjne podawano codziennie przez 7-14 dni. Powyższy dwufazowy wzorzec zmian agresywności jest typowy i swoisty dla znanych leków przeciwdepresyjnych, jednak jego interpretacja jest trudna poza ogólnym stwierdzeniem, że w grę wchodzi modyfikacja czynnika socjalnego. 402 I Wyuczona bezradność -::.ubv."..:J <"-• ???« • - -"'* «*"«" • - ?? *-* r' :*" '', W badaniach reakcji fizjologicznych i behawioralnych na bodźce awersyjne 0 charakterze stresorów zwierzę z reguły nie ma wpływu na wystąpienie czynnika stresowego. Z zupełnie inną sytuacją mamy do czynienia, gdy zwierzę sprawuje kontrolę nad bodźcem stresowym. Choć globalnie może otrzymać taką samą ilość stymulacji stresowej, fizjologiczna reakcja na bodziec stresowy jest wtedy znacznie mniejsza. Mniejsza jest także reakcja „psychiczna" zwierzęcia, co - antropomor- fizując - można interpretować jako mniejsze przeżywanie stanu stresu. W 1967 r. Overmier i Seligman zaobserwowali, że psy, którym prądem elektrycznym drażniono kończyny, trenowane 24 godziny później nie potrafiły nauczyć się stosunkowo prostej, normalnie łatwo opanowywanej reakcji unikania bodźca awersyjnego. Badania te rozszerzyli Seligman i Maier (1967) w eks- perymentach na szczurach. Zwierzęta były częściowo unieruchomione, jednak z zachowaniem pewnej swobody ruchów. Stresorem były uderzenia prądu elektrycznego w nasadę ogona. Zwierzęta podzielono na trzy grupy. Szczury grupy 1 mogły wyłączyć prąd, obracając umieszczone przed nimi koło, a więc wykonując reakcję ucieczki (escape). Szczury grupy II drażniono dokładnie tak samo jak szczury grupy I, same jednak nie miały możliwości przerwania działania stresora, gdyż szczur grupy I, uwalniając siebie od działania prądu, przerywał także prąd drażniący jego kolegę z grupy II. Szczury grupy III były podobnie unieruchomione, lecz nie były stresowane prądem elektrycznym. Po 24 godzinach szczury wszystkich trzech grup były uczone reakcji unikania w klatce wahadłowej. Zadanie okazało się trudne do opanowania dla szczurów grupy II (które otrzymywały bodziec stresowy, nie mając nad nim kontroli), natomiast pozostałe zwierzęta, tj. zarówno uprzednio w ogóle nie drażnione (grupa III), jak też mające kontrolę nad bodźcem stresowym (grupa I) łatwo opanowywały to zadanie. Skutki psychiczne niekontrolowanego stresu, występujące u zwierząt jako deficyt nabywania umiejętności unikania bodźca nocyceptywnego, zostały nazwane wyuczoną bezradnością (learned helplessness). Powstawaniu tego zjawiska zapo- biega podanie leków przeciwdepresyjnych o różnym mechanizmie działania. Wyuczona bezradność jest uważana za najbardziej miarodajny zwierzęcy model stanu depresyjnego. Stany przyjemności i przykrości wywołane elektrycznym drażnieniem mózgu Samodrażnienie Olds i Milner (1954) badali wpływ drażnienia struktur mózgowych prądem elektrycznym na zachowanie szczurów i przypadkowo zauważyli, że zwierzęta chodząc po klatce chętnie odwiedzają określone miejsce, jeżeli podczas ich bytności w tym miejscu eksperymentator włącza stymulator drażniący określony ośrodek w ich mózgu. Po tej obserwacji szczury umieszczono w klatce Skinnera tak zmodyfikowanej, że naciśnięcie na dźwignię uruchamiało stymulator połączony z elektrodami umieszczonymi w mózgu zwierzęcia. Okazało się, że w tym 403 systemie zwierzęta łatwo nauczyły się same aplikować sobie drażnienie mózgu. Czynność ta została nazwana samodrażnieniem albo samonagradzaniem. Wkrótce po odkryciu samodrażnienia u szczurów zjawisko to opisano u innych gatunków zwierząt: małp, kotów, psów i myszy. Okazało się również, że drażnienie różnych obszarów mózgu u człowieka w celach diagnostycznych powoduje doznania określane przez chorych w kategoriach przyjemności lub przykrości. Opisywano pacjentów, którzy wręcz domagali się drażnienia pewnych obszarów mózgu, bo było to dla nich przyjemne, albo odwrotnie - prosili o zaprzestanie drażnienia innych obszarów, gdy doznawali uczucia grozy. Jest znamienne, że obszary, których drażnieniem wywoływano powyższe objawy, odpowiadały lokalizacji struktur, z których uzyskuje się u zwierząt reakcję samodrażnienia, albo odwrotnie - których drażnienia zwierzę zdecydowanie unika. Powstała zatem koncepcja, że stanami przyjemności i przykrości kierują dwa zespoły ośrodków mózgowych, które nazwano odpowiednio układem nagrody i układem kary. Przedmiotem wielu dociekań był rodzaj popędu odgrywającego rolę w zjawisku samodrażnienia. Według przeważającej opinii bodziec elektryczny indukuje i zaspokaja naturalne popędy biologiczne - głód, pragnienie, popęd seksualny, a nawet sen, ponieważ drażnienie różnych obszarów układu nagrody przez eksperymentatora, bez udziału zwierzęcia, często wyzwala takie właśnie specyficzne formy zachowania. Jednak pacjenci, u których drażniono ośrodki mózgowe w celach diagnostycznych lub terapeutycznych, podawali, że zabiegi te sprawiały im przyjemność „abstrakcyjną", nie związaną z konkretnym popędem naturalnym. Jedynie gdy elektroda znajdowała się w obszarze przegrody, przyjemne doznania miały charakter seksualny. Wydaje się zatem, że w zależności od umiejscownienia elektrody samodrażnienie może wyzwalać i zaspokajać naturalne popędy albo też uczynniać system neuronalny o ogólnych właściwościach motywacyjnych (tzw. centralny system motywacyjny). Anatomiczne i neurochemiczne podłoże samodrażnienia Reakcję samodrażnienia można uzyskać, wszczepiając elektrody do różnych struktur układu limbicznego, najłatwiej jednak wtedy, gdy elektroda znajduje się w obszarze, przez który przebiega pęczek przyśrodkowy przodomózgowia (fas- ciculus medialis prosencephali), zwłaszcza bocznej okolicy podwzgórza (Olds, 1962). Pęczek ten zawiera aksony neuronów dopaminergicznych i noradrenergicz- nych, przy czym w samodrażnieniu główną rolę odgrywa układ dopaminergiczny. Świadczą o tym wyniki badań farmakologicznych, w których wykazano, że po zablokowaniu synaps dopaminergicznych szczury zaprzestają samodrażnienia. Gdy odkryto neuropeptydy o działaniu morfinopodobnym, powstała hipoteza, że podczas samodrażnienia są pobudzane neurony uwalniające opioidy endogenne. Ostatecznie uzyskano dane wskazujące na to, że samodrażnienie jest wynikiem interakcji dwóch układów neurochemicznych - dopaminergicznego i opioidergicznego. Wpływ morfiny na pobudliwość układu nagrody Esposito i Kornetsky (1977) opracowali metodę badania pobudliwości układu nagrody opartą na innej zasadzie niż rutynowy pomiar częstości naciskania na 404 dźwignię. Reakcją instrumentalną było obracanie koła. Aby uzyskać nagrodę w postaci elektrycznego drażnienia mózgu, szczur musiał obrócić koło ustawione pionowo o 90°. Najpierw stosowano podrażnienie mózgu gratis. Był to sygnał dla zwierzęcia, że może otrzymać identyczne podrażnienie, jeżeli przed upływem 7,5 sekundy wykona obrót kołem. Zmieniając natężenie prądu ustalono najmniejszą (progową) jego wartość niezbędną, aby szczur zareagował. Okazało się, że po iniekcji morfiny szczur „pracował" przy mniejszym natężeniu prądu niż bez leku. Wynik tego eksperymentu świadczy o tym, że pod wpływem morfiny neurony układu nagrody stają się bardziej wrażliwe na prąd elektryczny. »t ••; ^ -m^is Interakcja opioidów i dopaminy w pobudzaniu układu nagrody " ? ' Na podstawie badań neurofizjologicznych i farmakologicznych ukształtował się pogląd na anatomiczno-funkcjonalną organizację układu nagrody. Układ ten jest rozległą siecią neuronałną, obejmującą część układu łimbicznego. W skład tej sieci wchodzą ośrodki oraz łączące je drogi nerwowe. Głównym ośrodkiem układu nagrody jest pole brzuszne nakrywki (A10). Znajdują się tu neurony, których aksony wchodzą w skład pęczka przyśrodkowego przodomózgowia. Aksony te dochodzą do innych ośrodków wchodzących w skład układy nagrody, takich jak jądro półleżące (nucleus accumbens), przegroda (septum), guzek węchowy (tuberculum olfactorium), ciało migdałowate, prążek węchowy boczny i okolica przedczołowa. Do pola brzusznego nakrywki dochodzą zwrotne połączenia z tych struktur. Neurony pola brzusznego nakrywki są neuronami dopaminergicznymi, tzn. na zakończeniach ich aksonów (np. w jądrze półleżącym, w przegrodzie) uwalnia się przekaźnik dopamina. W polu brzusznym nakrywki występują w znacznej liczbie receptory opioidowe. Uważa się, że z tego względu jest to miejsce interakcji neuronów opioidergicznych i dopaminergicznych (Kornetsky i Bain, 1983). Nagradzające działanie morfiny wprowadzonej dożylnie albo do komór mózgu polega na swoistym Rys. 15.8. Organizacja układu nagrody. i? Drażnienie - prądem J elektrycznym/V"\ Stymulator f Kora przedczołowa /-^ Zakręt obręczy Ht\ . "Mikroiniekcja morfiny Przegroda —t+r' dp/ ^?>^ J^T; ogoniaste ff / ' JądroW^ półleżące X__ * i ^^ —- {*Łvf Pole X brzuszne \ nakrywki / \ Pęczek przyśrodkowy v_/ przodomózgowia 405 V działaniu na ten właśnie obszar. Szczury łatwo uczą się reakcji instrumentalnych uruchamiających mikroiniekcje morfiny do pola brzusznego nakrywki (rys. 15.8). Pole brzuszne nakrywki jest miejscem, z którego można stosunkowo łatwo uzyskać reakcję samodrażnienia. Uważa się, że również przy elektrodach rutynowo umieszczonych na drodze przebiegu pęczka przyśrodkowego przodomózgowia samodrażnienie jest podtrzymywane dzięki przenoszeniu się pobudzenia do tej właśnie okolicy. Efekty awersyjne drażnienia mózgu W toku sprawdzania elektrod implantowanych do mózgu szczura w celu uzyskania reakcji samodrażnienia niekiedy stwierdza się, że drażnienie wywiera skutek odwrotny od zamierzonego: zwierzę wyraźnie unika miejsc klatki, w których było drażnione. Struktury, których drażnienie wywołuje zjawiska awersyjne, są umiejscowione w pobliżu linii środkowej ciała, a więc odmiennie od bardziej bocznie położonych okolic, z których uzyskuje się efekt samodrażnienia. Do struktur tych należy część przyśrodkowa podwzgórza sąsiadująca z komorą trzecią mózgu, część tylna podwzgórza, część grzbietowo-boczna istoty szarej okołowodociągowej śródmóz- gowia21 oraz rozsiane punkty w obrębie ciała migdałowatego. Reakcja zwierząt na drażnienie tych miejsc przypomina ucieczkę przed niebezpieczeństwem (Hess, 1954). Doznania emocjonalnie negatywne wywoływane drażnieniem mózgu u ludzi polegają na uczuciu trwogi, nieokreślonego wstrętu, niekiedy dominuje w nich czucie bólu. Przypuszcza się, że niektóre struktury, których drażnieniem uzyskuje się efekty awersyjne, są anatomicznym podłożem popędu strachu. 21 Część brzuszna tej struktury należy do ośrodkowego systemu tłumienia bólu. O t* tl '•t. ) ?"?*• ftt -•*. 16. Pobieranie pokarmu i gospodarowanie energią łni,„„iiK. śm-- Ul kJTłód jest popędem występującym u wszystkich zwierząt i wyzwala szeroką gamę zachowań zaliczanych do instynktu pokarmowego. Umożliwia zaspokajanie potrzeb energetycznych i dostarczanie organizmowi materiału do budowy jego komórek. Umiejętność zdobywania pokarmu jest ważnym elementem walki o byt. W skład instynktu pokarmowego wchodzi nie tylko zdolność osiągania przewagi nad innymi osobnikami swego gatunku w konkurencji o pokarm, lecz także właściwe korzystanie z zasobów pokarmowych środowiska, gdy już zostały odnalezione i rozpoznane. Pobieranie pokarmu M W środowisku można wyodrębnić obszary, zwane biotopami, zajmowane przez zespoły wzajemnie zależnych od siebie roślin i zwierząt. Korzystanie z zasobów pokarmowych biotopu decyduje o relacjach między różnymi ga- tunkami, a także o stosunkach między osobnikami tego samego gatunku. Relacje międzygatunkowe zależą od tego, czy współistniejące gatunki konsumują ten sam rodzaj pokarmu, czy też wykazują różne preferencje pokarmowe. Kształtują się też interakcje między zwyczajami łowieckimi zwierząt drapieżnych a strategiami obrony ich ofiar. Stosunki między osobnikami tego samego gatunku mogą przybierać formę ostrej konkurencji o pokarm, mogą też polegać na współdziałaniu i współpracy, gdy korzystniejsze są działania w grupie. Spotyka się zwierzęta bardzo wybredne, pobierające tylko jeden rodzaj pokarmu. Należy do nich jedwabnik morwowy. Nazywa się je monofagami. Inne zwierzęta, zwane oligofagami, konsumują kilka gatunków roślin lub zwierząt (np. stonka ziemniaczana, mrówkojad). Najmniej wybredne są polifagi, które nie gardzą różnymi rodzajami pokarmu pochodzenia roślinnego i zwierzęcego. W ekologii bardziej użyteczny jest podział zwierząt na „specjalistów", do których zalicza się mono- i oligofagi, oraz „generalistów", obejmujących gatunki poli- fagiczne. W sytuacjach niedoboru preferowanego pokarmu w środowisku „generali- 407 ści" łatwo zmieniają swój gust i korzystają z innego aktualnie dostępnego pożywienia, natomiast „specjaliści", aby zachować ulubione menu, przenoszą się do innych okolic. Optymalne żerowanie ??•?'•"?-*? ^?•-"•.ft-5 j ?1LF ^*n^'ł-!*-?"??•/*-:; .*.-.? o Etologom znane są przykłady różnych, niekiedy spektakularnych form zdobywania pokarmu przez zwierzęta roślinożerne i drapieżne. Relacjami między kosztem energetycznym tych zachowań a ilością uzyskanej energii zajmuje się ekologia behawioralna. Zwierzęta w swych działaniach pokarmowych kierują się zasadami ekonomicznymi, polegającymi na szacowaniu wielkości uzyskanej energii w stosun- ku do poniesionych kosztów. Wiąże się to z umiejętnością korzystania z zasobów żywnościowych środowiska, którą nazwano optymalnym żerowaniem. Pokarm jest najczęściej rozmieszczony nierównomiernie w postaci wysp (tzw. łat). Zwierzęta korzystają z tych zasobów w taki sposób, by jak najmniejszym kosztem i w jak najkrótszym czasie pobrać z otoczenia jak najwięcej kalorii (Stephens i Krebs, 1986). Optymalne żerowanie polega nie tylko na umiejętności znajdowania miejsc obfitujących w pokarm, lecz także na porzucaniu we właściwym czasie nie wyeksploatowanej w pełni łaty i przenoszeniu działalności konsumpcyjnej na inne, nie penetrowane dotychczas miejsce. Ważne jest również, aby zwierzę nie wracało do miejsc dopiero co opróżnionych. Takie postępowanie zwiększa skuteczność żerowania, wyrażającą się wysoką średnią ilością energii netto pobranej w jednostce czasu. Tendencja do eksploracji zasobów pokarmowych środowiska, nawet gdy aktualne źródło nie zostało jeszcze wyeksploatowane, jest wrodzona. W warunkach laboratoryjnych u gołębi można łatwo wytworzyć instrumentalny odruch warun- kowy, wzmacniany pokarmem, polegający na pukaniu dziobem w okienko. Gdy ptak ma do dyspozycji dwa okienka i pukanie w jedno z nich udostępnia więcej pokarmu niż pukanie w drugie, nie ogranicza się jedynie do pukania w okienko „lepsze", lecz od czasu do czasu sprawdza okienko „gorsze". Zachowanie to odzwierciedla naturalną skłonność ptaka do badania alternatywnych wariantów żerowania. Zwierzęta prawdopodobnie pamiętają właściwości kilku kolejno spenetrowanych łat i wykorzystują tę informację do opracowania najkorzystniejszej ekonomicznie strategii żerowania w danym środowisku. Korzystają też z „informacji publicznej", jakiej dostarczają inne osobniki tego samego gatunku (Templeton i Giraldeau, 1995). W warunkach doświadczalnych szpakom udostępniano sztuczne zagony z 30 otworami, z których część zawierała pokarm, a część była pusta. Gdy ptak, eksplorując zagon, natrafiał kolejno na puste otwory, po pewnym czasie rezygnował z dalszych poszukiwań. Liczba zbędnych eksploracji była niniejsza, gdy dwa szpaki pracowały razem, obserwując się nawzajem. Ekonomika optymalnego żerowania uwzględnia także koszt rywalizacji o pokarm. Gdy pokarmu jest pod dostatkiem, lepsze efekty przynosi żerowanie grupowe, ponieważ cała grupa penetruje miejsca najkorzystniejsze pod względem ekonomicznym. Natomiast przy ograniczonych zasobach pokarmowych korzyst- niejsze jest żerowanie indywidualne. Wówczas jednak osobniki słabsze są odpychane do miejsc uboższych w pokarm lub muszą się przenosić do innych okolic. 408 Adaptacja zwierząt do różnych warunków zdobywania pokarmu * . ?« ł» ; : Specjalne mechanizmy adaptacyjne rozwinęły się u zwierząt poszukujących potencjalnych ofiar. Duże ptaki drapieżne zazwyczaj mają ostry wzrok i potrafią odróżnić zdobycz od tła nawet przy skąpym oświetleniu. Szczególną umiejętnością polowania w całkowitej ciemności tylko na podstawie bodźców akustycznych odznaczają się sowy gatunku Tyto alba. Dużą sprawnością wzroku dysponują też małe ptaki żywiące się owadami. Niekiedy w celu pokrycia swego zapotrzebowania energetycznego ptak musi skonsumować kilkaset owadów w ciągu dnia, czyli chwytać poszczególne owady z częstością co kilka sekund. Zadziwiająca jest przy tym znaczna wybiórczość łowów, ograniczona do niewielu gatunków, obficie występujących w danym środowisku. Jednak gdy nagle zwiększa się liczebność jakiegoś uprzednio rzadkiego, lecz jadalnego gatunku owadów, ptaki niezwłocznie włączają go do swojej diety. Według Tinbergena (1960) ptaki uczą się rozpoznawać pożądany łup na postawie pamięciowego obrazu owadów występujących w dużej obfitości i korzystnych energetycznie. Szczególnie sprawną długotrwałą pamięć miejsca ukrycia pokarmu muszą mieć ptaki przygotowujące zapasy na zimę. W kodowaniu tych śladów odgrywa rolę hipokamp, o czym świadczą większe rozmiary tej struktury względem całego mózgowia u gatunków gromadzących pokarm niż u gatunków nie przejawiających tego rodzaju zachowania się (Giraldeau, 1997). Uszkodzenie hipokampa uniemoż- liwia ptakowi odnalezienie ukrytego pokarmu (Sherry i Yaccarino, 1989). ^, f Składniki pokarmów . Związki chemiczne zawarte w pokarmach są dla ustroju materiałem budulcowym, z którego powstają elementy komórek i tkanek, oraz źródłem energii, niezbędnej do podtrzymania procesów metabolicznych w komórkach. Rolę budulca odgrywają głównie białka, materiałem zaś energetycznym są węglowodany i tłuszcze. Oprócz tych związków organizm pobiera z otoczenia wodę, sole mineralne i witaminy. Składniki występujące w pokarmach są najpierw w jelicie rozkładane do prostych związków, a niektóre ulegają dalszemu przetworzeniu w wątrobie, tak że w krwi obwodowej ostatecznie pojawia się glukoza jako produkt rozkładu węglowodanów, kwasy tłuszczowe jako produkt rozpadu tłuszczów i aminokwasy jako produkt rozpadu białek. , Glukoza ' Węglowodany zawarte w pokarmach mogą być wykorzystane przez organizm dopiero po ich przekształceniu w glukozę. Stężenie glukozy we krwi, zwane glikemią, jest utrzymywane na dość stałym poziomie i u zdrowego człowieka wynosi zazwyczaj 80-90 mg/100 ml krwi. Glukoza jest jedynym źródłem energii dla komórek mózgowych, dlatego obniżenie jej poziomu we krwi, zwane hipoglikemią, prowadzi do groźnych zaburzeń czynności mózgu. W ciągu pierwszej 409 godziny po spożyciu posiłku stężenie glukozy zwiększa się do 120-140 mg/100 ml krwi, a w ciągu następnej godziny zmniejsza się do poziomu wyjściowego. Organizm może magazynować nadmiar glukozy w wątrobie w postaci glikogenu i korzystać z tej rezerwy w celu przeciwdziałania hipoglikemii. Glikogen jest odkładany w mięśniach i wykorzystywany na pokrycie energii pracy mięśniowej. W razie potrzeby glukoza jest wytwarzana z aminokwasów i glicerolu - składnika tłuszczów. Proces ten nazywa się glukoneogenezą. '?? -'• Kwasy tłuszczowe W grupie związków tłuszczowych występujących w pokarmach znajdują się triglicerydy, fosfolipidy i cholesterol. Materiałem energetycznym są triglicerydy - związki zbudowane z jednej cząsteczki glicerolu i trzech cząsteczek kwasu tłuszczowego. Triglicerydy są gromadzone w komórkach tłuszczowych jako tłuszcz. Z ich rozpadu pochodzą kwasy tłuszczowe, które przechodzą do krwi. Ich wykorzystaniem sterują hormony, głównie adrenalina i noradrenalina. Hormony te uwalniają się podczas wysiłku fizycznego, stymulują rozpad triglicerydów i powo- dują znaczne zwiększenie stężenia kwasów tłuszczowych we krwi. Kwasy tłuszczowe mogą być wtedy wykorzystane przez pracujące mięśnie jako źródło energii. Aminokwasy Białka zawarte w pokarmach ulegają w jelitach rozpadowi na pojedyncze aminokwasy, które wchłaniają się do krwi. W komórkach aminokwasy są wykorzystywane do syntezy białek strukturalnych, tworzących zrąb komórek i narządów, oraz białek funkcjonalnych, jak enzymy, przekaźniki wtórne czy receptory hormonów i przekaźników. Niektóre aminokwasy mogą ulegać przekształ- ceniu w glukozę i w tej postaci są bezpośrednio wykorzystywane jako źródło energii. Regulacja procesów przemiany materii. Insulina Trzustka jest nie tylko gruczołem trawiennym, lecz także wytwarza hormony uwalniane do krwi. Rolę gruczołu wydzielania wewnętrznego odgrywają wyspy Langerhansa rozmieszczone wśród zrazików trzustki. Spośród komórek tych wysp komórki beta wytwarzają insulinę, a komórki alfa - glukagon. Uwalnianie insuliny z wysp Langerhansa pobudza glukoza, której stężenie we krwi zwiększa się po posiłku. Insulina dociera z krwią do narządów organizmu i wiąże się ze swoistymi receptorami w błonie komórek. Błona ta staje się wtedy przepuszczalna dla glukozy, która wnika do komórek i jest w nich składowana lub zużywana jako materiał energetyczny. Stężenie glukozy we krwi szybko się wtedy zmniejsza. Insulina odgrywa rolę nie tylko w gospodarowaniu glukozą, lecz także w przemianie tłuszczów i białek. Po posiłku glukoza, która nie może być 410 bezpośrednio wykorzystana, odkłada się w postaci tłuszczu. Proces ten zachodzi przy udziale insuliny. Insulina hamuje też rozpad tłuszczów. I odwrotnie, przy małym stężeniu insuliny we krwi tłuszcze rozpadają się na glicerol i kwasy tłuszczowe. Komórki nerwowe czerpią energię niemal wyłącznie z glukozy zawartej we krwi, ponieważ nie mają zdolności magazynowania rezerw. Nie wykorzystują też w znaczącym stopniu innych źródeł energii. Glukoza łatwo wnika przez błonę komórkową do wnętrza neuronów i, inaczej niż w innych komórkach organizmu, proces ten przebiega bez udziału insuliny. Ze względu na te właściwości neuronów mózg nie może funkcjonować w warunkach nawet krótkotrwałego zmniejszenia stężenia glukozy we krwi poniżej minimum (ok. 70 mg gluko- zy/100 ml krwi). Może wówczas dojść do tzw. wstrząsu hipoglikemicznego, charakteryzującego się utratą przytomności i drgawkami, który w pewnych warunkach może być groźny dla życia. Z tego powodu utrzymanie optymalnego stężenia glukozy we krwi jest ważnym elementem homeostazy wewnątrzust- rojowej. Insulina jest regulatorem procesów przemiany materii, a także, jak się uważa, hormonalnym sygnałem sytości, który hamuje pobieranie pokarmu. Głód i sytość -1'.''*' ?*"• *<• ?" ' ' ' "|ł ' " ' - •'?? ' '•* Pierwotną przyczyną głodu jest niedobór składników pokarmowych w ustroju. W regulacji pobierania pokarmu nie mniej ważną rolę odgrywa inny rodzaj głodu, który pojawia się w warunkach i sytuacjach, gdy zwykle spożywamy posiłki. Głód ten, jako popęd wtórny, jest nabyty i powstaje w wyniku warunkowania. I wreszcie znany jest głód powstający po zjedzeniu małej porcji pokarmu, nie powodującej nasycenia pokarmowego. Mechanizm tego rodzaju głodu opiera się na zjawisku odrzutu, spowodowanym gwałtownym nasileniem głodu po przejściowym jego zahamowaniu podczas spożywania porcji pokarmu. Ten właśnie rodzaj głodu usprawiedliwia stosowanie w sztuce kulinarnej przystawek, podawanych przed głównymi daniami dla zaostrzenia apetytu. U człowieka o ilości spożywanego pokarmu decyduje nie tylko jego wartość kaloryczna, lecz także walory smakowe. Podobnie szczury chętnie piją roztwór sacharyny, choć związek ten nie jest źródłem energii. Popęd ukierunkowujący aktywność organizmu na uzyskanie pokarmu o pożądanym smaku nazywamy częściej apetytem niż głodem. Stanem przeciwnym do głodu jest sytość. Rozróżnia się kilka rodzajów sytości, opartych na różnych mechanizmach fizjologicznych. Pierwszym rodzajem jest sytość krótkotrwała, powstająca po zjedzeniu posiłku, utrzymująca się przez kilka godzin, aż do następnego posiłku. Sytość ta reguluje częstość i wielkość kolejnych posiłków spożywanych przez zwierzę czy człowieka. Sytość krótkotrwała powstaje w wyniku wypełnienia pokarmem żołądka, nagromadzenia we krwi produktów trawienia pokarmów, a także zwiększonego stężenia insuliny. Drugim rodzajem jest sytość długotrwała, zależna od punktu nastawczego (set point) 411 homeostazy energetycznej. Właściwość ta powoduje, że zwierzę, mając nieograni- czony dostęp do pokarmu, spożywa go akurat tyle, ile równoważy ilość wydat- kowanej energii. Istnieje jeszcze sytość ultrakrótkotrwała, pojawiająca się natych- miast po tym, jak kęs pokarmowy znajdzie się w jamie ustnej i pobudzi receptory smakowe. Nie jest to w istocie sytość, lecz chwilowe zmniejszenie (redukcja) popędu głodu w czasie pokarmowego działania spełniającego (reakcji konsumacyj- nej). Gdy pokarm zostanie połknięty, dochodzi ponownie do wzmożenia głodu na zasadzie wspomnianego wyżej odrzutu22. , '?.i Rozwój badań nad regulacją pobierania pokarmu Brobeck jako pierwszy stwierdził, że uszkodzenie brzuszno-przyśrodkowego jądra podwzgórza u szczurów hamuje sytość, co się objawia wzmożeniem pobierania pokarmu (hiperfagią) i prowadzi do otyłości. W 1951 r. Anand i Brobeck opisali odwrotne zjawisko - upośledzenie pobierania pokarmu (czyli afagię lub hipofagię) po obustronnym uszkodzeniu części bocznej podwzgórza. Te dwie klasyczne obserwacje uznano za dowód, że czynności pokarmowe są regulowane przez dwa antagonistyczne ośrodki mózgowe - ośrodek głodu w części bocznej podwzgórza i ośrodek sytości w jądrze brzuszno-przyśrodkowym. Według najbardziej rozpowszechnionej wówczas teorii glukostatycznej Mayera (1955) głównym regulatorem głodu i sytości jest stężenie glukozy we krwi, czyli glikemia. Zmniejszenie stężenia glukozy (hipoglikemia) wyzwala głód, wzrost stężenia po posiłku (hiperglikemia) powoduje sytość. Poparciem dla tej teorii były wyniki doświadczeń, w których wykazano występowanie w jądrze brzuszno-przyśrodkowym podwzgórza neuronów reagujących na zwiększone stężenie glukozy. Natomiast neurony bocznej części podwzgórza okazały się aktywne przy niskim poziomie glukozy (Oomura, 1976). Według innej teorii, lipostatycznej, w regulacji pobierania pokarmu odgrywają rolę sygnały z tkanki tłuszczowej (Kennedy, 1953). Za sygnały te uważano wówczas wolne kwasy tłuszczowe, które powstają w tkance tłuszczowej z rozpadu tłuszczu, drogą krwi docierają do podwzgórza i, działając na ośrodki pokarmowe, nasilają pobieranie pokarmu. Ośrodki pokarmowe, jak sądzono, nie tylko bezpośrednio sterują pobieraniem pokarmu wywołując głód i wyzwalając stan sytości krótkotrwałej lecz także regulują homeostazę energetyczną organizmu. Wyraża się to utrzymaniem w dłuż- szym okresie stałej masy ciała. Otyłe szczury z uszkodzonym jądrem brzuszno- -przyśrodkowym, czyli ośrodkiem sytości, zjadają większą ilość pokarmu, jaka jest konieczna do utrzymania większej masy ciała (Hoebel i Teitelbaum, 1966). Gdy przejściowo ograniczono im pokarm w klatkach, ich masa ciała zmniejszyła się do poziomu sprzed operacji. Gdy potem pokarm stał się ponownie dostępny w nie- ograniczonej ilości, szczury zjadały go więcej i „odzyskiwały" poprzednią, 22 Zjawisko to ujmuje francuskie przysłowie Uappetite vient en mangeant, odpowiadające polskiemu Apetyt rośnie w miarę jedzenia. 412 zwiększoną masę ciała. Podobnie na podwyższonym poziomie utrzymywały masę ciała szczury, u których wywoływano zwiększone pobieranie pokarmu codziennym drażnieniem bocznej części podwzgórza (Steinbaum i Miller, 1965). Obecnie uważa się, że pobieraniem pokarmu steruje sieć nerwowa, w skład której wchodzą nie tylko „klasyczne" ośrodki podwzgórza, lecz również inne struktury tej części mózgowia, jak jądro łukowate (nucleus arcuatus), jądro przy komorowe {nucleus paraventricularis) i jądro grzbietowo-przy środkowe (nucleus dorsomedialis). Zwrócono także większą uwagę na sygnały z przewodu pokarmowego, dochodzące nerwami błędnymi do jądra samotnego {nucleus solitarius), a stąd do ośrodków podwzgórza. Niektórzy badacze sądzą też, że składniki pokarmowe krwi nie regulują bezpośrednio pobierania pokarmu. Pod- ważane jest nawet znaczenie glikemii, dawniej uważanej za główny bodziec decydujący o pobudzeniu neuronów podwzgórza. Natomiast główną rolę przypisuje się hormonom i przekaźnikom, których uwalnianie zależy od stanu nasycenia pokarmowego organizmu. ... Związki chemiczne regulujące przyjmowanie pokarmu Neuroprzekaźniki i neurohormony, które pobudzają i hamują pobieranie pokarmu, są wytwarzane i uwalniane w ośrodkach podwzgórza. Związki wywołujące jedzenie nazywane są oreksygenami (od gr. ópe^ic, oreksis - apetyt), hamujące zaś - anoreksygenami. Do oreksynenów zalicza się neuropeptyd Y, galaninę, P-endorfinę, noradrenalinę, kwas glutaminowy, kwas gamma-aminomasłowy i nowo odkryte substancje zwane oreksynami. Rolę anoreksygenów odgrywa hormon a-melanotropowy i hormon uwalniający kortykotropinę (ACTH) oraz kilka peptydów, takich jak neurotensyna i glukagonopodobny peptyd I, a także 5-hydroksytryptamina. Tak znaczna liczba związków regulujących pobieranie pokarmu świadczy o wielkiej złożoności tego procesu, którego nie da się sprowadzić jedynie do interakcji klasycznych ośrodków głodu i sytości. Związki zwiększające pobieranie pokarmu (oreksygeny) Neuropeptyd Y Neuropeptyd Y (NPY) powstaje w komórkach jądra łukowatego podwzgórza i jest uwalniany na zakończeniach aksonów tych komórek w jądrze przykomoro- wym i w innych ośrodkach podwzgórza. Mikroiniekcje neuropeptydu Y zarówno do jądra przykomorowego, jak i do komór mózgu wyzwalają jedzenie u nasyco- nych szczurów. W błonie neuronów ośrodków, na które działa NPY, znajdują się receptory swoiste dla tego neuropeptydu. Zidentyfikowano pięć typów recep- torów NPY, z których w regulacji pobierania pokarmu odgrywają rolę receptory Y, i Y5. Neuropeptyd Y wraz z receptorami Yx i Y5 stanowią złożony system, który reaguje na stan nasycenia pokarmowego organizmu. Ograniczenie pokarmu powoduje wzrost nie tylko stężenia NP. Y, lecz także stężenia mRNA syntetyzującego 413 i lii białko jego receptorów (Kalra i wsp., 1991; Xu i wsp. 1998). W stanie głodu zwiększa się więc liczba aktywnych receptorów NPY, a tym samym zwiększa się wrażliwość ośrodków mózgowych na NPY. Wytwarzanie neuropepty- du Y w jądrze łukowatym jest hamowane przez leptynę - hormon uwalniany w tkance tłuszczowej we współdziałaniu z insuliną, której stężenie we krwi wzrasta jako reakcja na wchłonięcie z jelit składników pokarmowych. Układ NPY-leptyna jest uważany za najważniejszy regulator homeostazy energetycznej organizmu. • • - ...» i . ? ii'.' ' i Galanina Drugie miejsce wśród oreksygenów o budowie peptydowej zajmuje galanina. W przeciwieństwie do neuropeptydu Y, syntetyzowanego w jądrze łukowatym, galanina powstaje w różnych jądrach podwzgorza, natomiast jest uwalniana w tych samych ośrodkach, w których jest uwalniany NPY, a więc w jądrze przykomoro- wym, w jądrze grzbietowo-przyśrodkowym i w bocznej części podwzgorza. Mikroiniekcje galaniny do tych okolic wywołują jedzenie u nasyconych szczurów (Kyrkouli i wsp., 1990; Schick i wsp., 1993). Neuroprzekaźniki o budowie aminokwasów Krótkotrwałe pobieranie pokarmu obserwowano u szczurów po mikroiniekcji kwasu glutaminowego do bocznej okolicy podwzgorza (Stanley i wsp., 1993). Przypuszcza się, że neuroprzekaźnik ten nie działa samodzielnie, lecz pobudza uwalnianie innych oreksygenów (neuropeptydu Y i galaniny). Dłużej trwający efekt obserwowano po mikroiniekcjach agonistów receptorów GABAergicznych GABAA, np. muscimolu (Grandison i Guidotti, 1977; Morley i wsp., 1981), do jąder przykomorowego, brzuszno-przyśrodkowego i grzbietowo-przyśrodkowego. Ponieważ ośrodki te są miejscami uwalniania neuropeptydu Y i galaniny, przypuszcza się, że kwas gamma-aminomaslowy (GABA) może działać na pobieranie pokarmu za pośrednictwem tych oreksygenów. Mechanizm działania GABA jest złożony, ponieważ związek ten powoduje hamowanie neuronów. Prawdopodobnie GABA funkcjonuje na zasadzie „hamowa- nia hamowania", tj. usuwa toniczny wpływ hamujący innego czynnika na pobieranie pokarmu, na przykład hormonu a-melanotropowego. Peptydy opioidowe , . -?!,-.,,; «• . ''?' : ? ? " •• Podwzgórze należy do struktur o stosunkowo dużym zagęszczeniu receptorów opioidowych. W neuronach jądra łukowatego jest wytwarzana (3-endorfina, która dociera aksonami do ośrodków regulujących pobieranie pokarmu, m.in. do jądra przykomorowego. Mikroiniekcje opioidów, w tym |3-endorfiny do podwzgorza i do komór mózgu wyzwalają jedzenie u szczurów (Grandison i Guidotti, 1977). W warunkach fizjologicznych układ opioidowy może uczestniczyć w działaniu innych oreksygenów. Świadczą o tym wyniki badań z zastosowaniem naloksonu, antagonisty receptorów opioidowych. Stwierdzono, że nalokson, podany szczurom przed iniekcją galaniny do komór mózgu, osłabia stymulujące działanie tego związku na pobieranie pokarmu (Dube i wsp., 1994). 414 Związki hamujące pobieranie pokarmu (anoreksygeny) . .- Hormon a-melanotropowy -"^ Hormon a-melanotropowy (a-MSH), tak samo jak P-endorfina, powstaje z pro- opiomelanokortyny w komórkach jądra łukowatego i jest uwalniany w jądrach przykomorowym, brzuszno-przyśrodkowym i grzbietowo-przyśrodkowym. Hor- mon a-melanotropowy występuje również we krwi i u płazów powoduje gromadzenie się ciemnego barwnika w skórze. Jego rola biologiczna u ssaków jest mało znana. Ostatnio wykazano u szczurów, że hormon ten reguluje homeostazę energetyczną organizmu w sposób odwrotny niż neuropeptyd Y, ponieważ hamuje pobieranie pokarmu i nasila przemianę materii, a więc wywiera działanie kataboliczne. Zidentyfikowano pięć rodzajów receptora a-MSH, rozmieszczonych w różnych narządach organizmu, z których dwa - MC3-R i MC4-R występują w mózgu. Do hamowania jedzenia konieczne jest zadziałanie aMSH na receptory MC4-R w podwzgórzu. Myszy z uszkodzonym genem syntetyzującym białko tych receptorów zjadają więcej pokarmu i mają większą masę ciała wskutek powiększania się tkanki tłuszczowej (Huzar i wsp., 1997). Podobne zaburzenia w postaci hiperfagii i otyłości występują u szczurów ze zmutowanym genem agouti (Fan i wsp., 1997). Gen agouti steruje syntezą białka Agouti, które jest antagonistą receptorów aMSH. U normalnych myszy gen ten ulega ekspresji tylko w skórze; wytworzone białko blokuje receptory MC1-R i wpływa na zabarwienie sierści. Natomiast zmutowany gen agouti ulega ekspresji również w układzie nerwowym i syntetyzuje nieprawidłowe białko, które wiąże się z receptorami MC4-R. Receptory te stają się wtedy niedostępne dla a-MSH (rys. 16.1). Hormon uwalniający kortykotropinę Hormon uwalniający kortykotropinę (corticotropin releasing hormone - CRH) pobudza uwalnianie hormonu adrenokortykotropowego (ACTH) w przednim płacie przysadki. Oprócz tego CRH hamuje pobieranie pokarmu, dlatego jest zaliczany do anoreksygenów. CRH powstaje w jądrze przykomorowym, natomiast jest Rys. 16.1. Nasilanie jedzenia wskutek zablokowania receptorów hormonu a-melanotropowego przez białko Agouti; a-MSH - hormon a-melanotropowy. Norma a-MSH O Nieaktywny receptor a-MSH Gen ? **O W regulacji sytości długotrwałej odgrywa rolę informacja z tkanki tłuszczowej. Nośnikiem tej informacji jest leptyna, peptyd o właściwościach hormonu. Syntezą leptyny w tkance tłuszczowej steruje gen ob. Ekspresja tego genu nasila się pod wpływem insuliny w zależności od stanu energetycznego organizmu (rys. 16.3). Ostatecznie synteza leptyny zmniejsza się, gdy korzystne jest ograniczenie wydatku energetycznego, a więc u zwierząt głodzonych lub utrzymywanych w niskiej temperaturze otoczenia, zwiększa się natomiast u zwierząt obficie karmionych (Considine i wsp., 1997). Leptyna uwolniona w tkance tłuszczowej dociera z krwią do podwzgórza i działa na receptory Ob-R w komórkach jądra łukowatego (Satoh i wsp., 1977). Syntezą białka tych receptorów steruje gen db. Uczynnienie receptorów Ob-R przez leptynę powoduje hamowanie wytwarzania neuropeptydu Y (NPY). , { Do badania przyczyn otyłości używa się dwóch homozygotycznych szczepów myszy ze zmutowanym genem ob lub db. U myszy szczepu oblob wskutek uszkodzenia genu ob w tkance tłuszczowej jest syntetyzowana leptyna nieaktywna, o nieprawidłowej strukturze chemicznej. Nie działa ona na receptor Ob-R, a więc nie hamuje powstawania NPY w podwzgórzu. Natomiast u myszy szczepu dbldb zmutowany gen db syntetyzuje nieprawidłowe białko, co powoduje, że receptor 421 Ob-R jest niewrażliwy na leptynę. U obu szczepów występuje więc zwiększone wytwarzanie NPY, a w konsekwencji zwiększone pobieranie pokarmu i otyłość. Leptyna działa również za pośrednictem innego mechanizmu, zwiększając wytwarzanie hormonu a-melanotropowego. Hormon ten hamuje pobieranie pokarmu i nasila przemianę materii, a więc przeciwdziała otyłości. Wskutek działania leptyny organizm pobiera pokarm w ilościach odpowiednich do aktualnych zasobów energetycznych. Zwierzę wychudzone ma mało tkanki tłuszczowej, która wytwarza mało leptyny, a więc sygnał sytości pojawia się u niego dopiero po skonsumowaniu znacznej ilości pożywienia. Natomiast zwierzę otyłe dzięki leptynie szybciej osiąga stan nasycenia pokarmowego i wcześniej zaprzestaje jedzenia. W podobny sposób może funkcjonować regulacja przyj- mowania pokarmów przez człowieka, choć zagadnienie to jest dopiero badane. Zaburzenia przyjmowania pokarmu . / , . Nadmierny lub, przeciwnie, upośledzony głód (brak apetytu) niekiedy jest wtórnym objawem wielu chorób. Istnieją jednak pierwotne zaburzenia przyjmowania pokarmu, prowadzące zarówno do otyłości, jak i do krańcowego wyniszczenia organizmu. Do najczęściej występujących zaburzeń należy otyłość, jadłowstręt psychiczny i bulimia. Otyłość ; ' l-' '?- ^???;- ? . ?""< Otyłością nazywa się nadmiar tłuszczu (tkanki tłuszczowej) w organizmie. U człowieka otyłość ocenia się orientacyjnie na podstawie pomiaru masy ciała i wzrostu według wzoru: [masa ciała (kg)]/[wzrost (m)]2. Za prawidłowy uważa się wskaźnik 23, co odpowiada masie 66,5 kg przy 170 cm wzrostu. Wyższy wskaźnik pozwala uznać daną osobę za otyłą, na przykład gdy wynosi 27,6 (co odpowiada masie ciała 79,8 kg przy 170 cm wzrostu), ocenia się stopień otyłości jako równy 20%. Otyłość świadczy o zaburzeniu homeostazy energetycznej organizmu, gdy liczba pobranych w pożywieniu kalorii znacznie przewyższa poniesiony w tym samym czasie wydatek energetyczny. Niektóre zwierzęta chroni przed otyłością brunatna tkanka tłuszczowa. Po spożyciu wysokokalorycznego pokarmu wzrasta w niej przemiana materii i wytwarzanie ciepła, co pozwala wyeliminować z organizmu nadmiar przyjętych kalorii. Jadłowstręt psychiczny ":-'lu'M fiuicf*.i-;w!-^.v ^imAo^'t,n ^mkjt--.-.j ^!t/ją,> -. ? Jadłowstręt psychiczny (anorexia nervosa) występuje przeważnie u dziewcząt w okresie dojrzewania. W zespole tym dominuje patologiczny lęk przed otyłością, dodatkowo spotęgowany zaburzeniem percepcji własnego ciała, w wyniku czego chora ma poczucie, że jest otyła i odmawia przyjmowania posiłków. Oprócz zaburzeń przyjmowania pokarmu występują jeszcze objawy wskazujące na 422 upośledzenie funkcji podwzgórza, jak brak miesiączki i owulacji. Z powodu niedostatecznego odżywiania dochodzi do zmniejszenia masy ciała (o 25% lub więcej) i wyniszczenia organizmu. Leczenie jadłowstrętu jest trudne, ponieważ przyczyna tej choroby nie jest znana. U niektórych chorych stwierdzono zmniejszenie stężenia noradrenaliny w płynie mózgowo-rdzeniowym, dlatego powstało przypuszczenie, że może tu wchodzić w grę zaburzenie uwalniania tego przekaźnika w synapsach noradrener- gicznych. Przemawiałaby za tym większa niechęć do pokarmów węglowodanowych niż białkowych, a także występująca niekiedy poprawa po stosowaniu leków przeciwdepresyjnych, zwiększających stężenie noradrenaliny w mózgu. Bulimia Bulimia („wilczy głód") jest stanem charakteryzującym się epizodami niepohamo- wanego, przymusowego jedzenia; występuje przeważnie u dziewcząt i młodych kobiet. W czasie napadu chora w ciągu krótkiego czasu zjada duże ilości wysokokalorycznego pokarmu, mając przy tym świadomoć szkodliwości swego postępowania. Napad, jeśli nie jest przerwany interwencją drugiej osoby, kończy się zaburzeniami ze strony przewodu pokarmowego (nudnościami, wymiotami). W czasie między napadami chora stara się przeciwdziałać skutkom przekarmienia: stosuje ostre diety odchudzające, prowokuje wymioty i przyjmuje środki prze- czyszczające. Pierwotna przyczyna bulimii, podobnie jak jadłowstrętu, nie jest znana. U chorych stwierdzano małe stężenie 5-hydroksytryptaminy w płynie mózgowo- -rdzeniowym. W niektórych przypadkach pozytywne efekty lecznicze uzyskiwano, stosując fenfluraminę, która powoduje zwiększenie stężenia 5-hydroksytryptaminy w ośrodkach mózgowych. • ...wt- ' • "A f 1! V .ib/1'o«t"ł'r v"*"*>'J'< ','. i , !• t %>..?< '•(,!,.' •- Ochrona czynna (zachowania obronne) >,.-. , .? : c; Hi «t ^ w**^ W odróżnieniu od ochrony biernej, której zazwyczaj towarzyszy ograniczenie aktywności ruchowej lub nawet znieruchomienie, istotą ochrony czynnej są aktywne zachowania obronne. Do działań tych należy ucieczka, czyli oddalenie się od napastnika do bezpiecznego miejsca, i samoobrona, polegająca na kontratako- waniu napastnika. ;.—??"?? Ucieczka Ucieczka może polegać na wycofaniu się z zagrożonego miejsca, zakopywaniu się w piasku, chowaniu się do nory gniazda, pod liście itp. Najbardziej jednak typową ucieczką jest oddalenie się od napastnika. Celem ucieczki może być uchronienie się przed niebezpieczeństwem albo odciągnięcie napastnika od młodych. Popędem wyzwalającym ucieczkę jest strach czynny. Zwierzęta nie tylko ratują się ucieczką przed konkretnym napastnikiem, lecz również uciekają na widok poruszającego się obiektu - zwykle zwierzęcia innego gatunku lub człowieka, gdy znajdą się w pewnej minimalnej od niego odległości, zwanej dystansem ucieczki. Odległość ta zależy od wielu czynników, takich jak rodzaj, wielkość i szybkość poruszania się obiektu oraz indywidualne doświadczenie osobnika. Na przykład dystans ucieczki dzikiej kaczki przed człowiekiem normalnie wynosi 30-40 m, jednak przy częstej obecności ludzi na danym terenie zmniejsza się do 20-30 m. , . Samoobrona Działania zwierząt w bezpośredniej konfrontacji z napastnikiem są sterowane przez popęd strachu, wyzwalający ucieczkę, i popęd wściekłości, wyzwalający kontratak. Strategie samobrony zostały prześledzone u dzikich szczurów obserwowanych w warunkach laboratoryjnych. Znalazłszy się w obliczu ataku napastnika, szczur ucieka, nieruchomieje, przejawia pozy grożenia lub kontratakuje. Te sposoby obrony stosuje w sposób elastyczny, zależny od sytuacji. Gdy napastnik znajduje się daleko, dzikie szczury przeważnie uciekają, a gdy jest to niemożliwe, nieruchomieją. Gdy napastnik zbliża się na odległość 1 m, zagrożony szczur przybiera pozę grożenia (wokalizacja z prezentacją zębów). Jeżeli mimo to napastnik nie rezygnuje z ataku, napadnięty sam atakuje - wykonuje gwałtowny skok, gryzie napastnika w okolicę oczu i pyska, a następnie ucieka. Podobne zasady dzikie szczury stosują w warunkach naturalnych. Zwierzęta zwykle uciekają od poruszającego się osobnika innego gatunku, gdy znajdzie się on w pewnej minimalnej odległości, zwanej dystansem ucieczki. Podobnie też 431 ratują się ucieczką przed zbliżającym się rozpoznanym wrogiem. Gdy napastnik zbliży się na pewną krytyczną odległość, zwaną dystansem bezwględnej obrony (ok. 1 m u małych zwierząt), zagrożone zwierzę zaczyna się aktywnie bronić i atakuje napastnika. Atak jest często poprzedzony pozą grożenia. , . < Neurofizjologiczny mechanizm agresji i czynności obronnych Zachowaniem agresywnym i czynnościami obronnymi zwierząt sterują ośrodki układu limbicznego. Spełniają one trzy funkcje: 1) analizują sytuację zewnętrzną pod względem potencjalnego lub aktualnego zagrożenia, 2) wybierają adekwatną do tej sytuacji taktykę działania i 3) uruchamiają skuteczne reakcje behawioralne. Jeżeli sytuacja w otoczeniu jest niejasna, adekwatną taktyką jest ostrożna eksploracja otoczenia. W przypadku wykrycia zagrożenia i ustalenia jego źródła zwierzę musi wybrać optymalny wariant działania - ucieczkę, odstraszanie napastnika albo ucieczkę poprzedzoną nagłym go zaatakowaniem. Pobudzanie i hamowanie agresji Struktury sterujące atakiem ofensywnym należą do dwóch systemów - systemu motywacyjnego i systemu kształtującego komponent ruchowy agresji. Bodźce czuciowe pobudzające zachowanie agonistyczne w sensie ogólnym noszą nazwę bodźców motywacyjnych agresji. Należą do nich głównie bodźce węchowe i wzrokowe. Natomiast bodźce uruchamiające specjalne akty ruchowe nazywają się bodźcami wyzwalającymi lub ukierunkowującymi. Taką rolę odgrywają głównie bodźce wzrokowe, słuchowe i dotykowe. Adams (1979) wyróżnia 3 rodzaje bodźców motywujących atak ofensywny u szczurów laboratoryjnych. Pierwszym rodzajem jest feromon wydzielany przez atakowanego samca, który wzmaga agresywność atakującego. Na feromon ten są wrażliwe samce, dlatego bodziec ten odgrywa rolę tylko w zachowaniu agonistycz- nym między samcami. Drugim rodzajem bodźców motywujących są zapachy, na podstawie których atakujący, zarówno samiec, jak i samica, odróżnia osobnika znanego, pochodzącego z tej samej kolonii, od osobnika obcego. Źródłem trzeciego rodzaju bodźców (głównie wzrokowych) są głodne osobniki tego samego gatunku, konkurujące o pokarm (rys. 17.1). W sterowaniu atakiem ofensywnym odgrywają rolę struktury przodomózgowia, takie jak przegroda przezroczysta (septum pellucidum), boczna część pola przedwzrokowego (area praeoptica), podwzgórze, ciało migdałowate oraz ośrodki śródmózgowia. Do ciała migdałowatego, przegrody i pola przedwzrokowego u szczurów docierają informacje z narządu węchu, jednak w sposób zróżnicowany, zależny od obiektu ataku. Impulsy nerwowe wywołane przez feromon pochodzący od samca omijają ciało migdałowate i dochodzą do przegrody i pola przed- wzrokowego. Natomiast zadaniem ciała migdałowatego jest odróżnianie, na podstawie zapachów, osobników obcych od pochodzących z tej samej kolonii oraz rozpoznawanie osobników konkurujących o pokarm. 432 Rys. 17.1. Organizacja ośrodków mózgowych sterujących agresją. Bodźce: wzrokowe > słuchowe i dotykowe Ośrodki sensoryczne" Zakręt obręczy Dodatkowa opuszka węchowa Ciało migdałowate, -»• część przyśrodkowa \ Ciało * migdałowate, ?»? jądro środkowe Bodźce: wzrokowe słuchowe dotykowe W Ośrodki ruchowe kory Ośrodki ruchowe ,» rdzenia wegetatywne motywujące uruchamiające agresję Uszkodzenie przyśrodkowej części pola przedwzrokowego hamuje walkę o dominację u szczurów, a także agresję „w obronie własnej" u kotów, a zatem struktura ta uczestniczy w regulacji różnych form agresji. Podobną funkcję pełni podwzgórze. Uszkodzenia przyśrodkowej części podwzgórza nasilają atak w obronie własnej u intruza, nie naruszając ofensywnego ataku rezydenta, i odwrotnie - uszkodzenia części bocznej podwzgórza upośledzają atak ofensywny, nie naruszając ataku w obronie własnej. Z tego wynika, że w sterowaniu zachowaniem ofensywnym uczestniczy boczna część podwzgórza (rys. 17.2). Agresywność hamują również uszkodzenia brzuszno-przyśrodkowej części nakrywki śródmózgowia. Rola tej części mózgowia wydaje się swoista dla ataku ofensywnego, ponieważ w wyniku jej uszkodzenia nie ulegają upośledzeniu reakcje obronne ani zachowanie łowcze. Do nakrywki śródmózgowia docierają informacje wzrokowe, które mogą odgrywać rolę w uruchamianiu komponentu ruchowego agresji. W zachowaniu agresywnym nie ma natomiast znaczenia istota szara okołowodociągowa śródmózgowia, która steruje reakcjami obronnymi. Możliwość tłumienia agresywności zwierząt przez uszkadzanie ośrodków mózgowych została po raz pierwszy wykazana przez Kliivera i Bucy'ego (1937). Badacze ci, usuwając u agresywnych rezusów znaczną część obu płatów skronio- wych, obserwowali znaczne złagodnienie operowanych zwierząt. Poprzednio niebezpieczne dla ludzi, teraz chętnie bawiły się z eksperymentatorem. Ich reakcje obronne nie były jednak wyeliminowane całkowicie, ponieważ energicznie przeciwstawiały się próbom zapędzania ich do kąta klatki. Eksperyment Kliivera i Bucy'ego powtarzano później u innych gatunków zwierząt i uzyskiwano podobne wyniki. Okazało się, że hamowanie agresywności można osiągnąć, wykonując znacznie mniejsze uszkodzenia w obrębie płatów skroniowych, ograniczone do ciała migdałowatego (Schreiner i Kling, 1953) lub hipokampa (Delgado i Kitaha, 1967; Gol i wsp., 1963). Wyniki te świadczą, że uszkadzane struktury wchodzą w skład systemu ośrodków wyzwalających agresję. 433 Rys. 17.2. Rozmieszczenie ośrodków sterujących agresją i czynnościami obronnymi. Agresja Obrona f Biegun skroniowy Agresja f Agresja f Część boczna irza ? Zespół . Kiuvera- Agresja -Bucy'ego Jądro brzuszno- -przyśrodkowe Jądra ciała \ pod. migdałowatego: \ stawne Agresja (samoobrona _. a (samooDron Obrona f , ucieczka) Obrona Agresja f _______A Pokrywa śródmózgowia Istota szara okołowodociągowa ŚRÓDMÓZGOWIE Oprócz systemu ośrodków wywołujących zachowanie agresywne istnieje w mózgu system struktur tłumiących agresję. Wskutek tego uszkadzaniem ośrodków mózgowych można też uzyskać zjawisko odwrotne - nasilenie agresywności. Efekt taki można wywołać uszkodzeniem bocznego jądra przegrody przezroczystej (Blanchard i wsp., 1977, 1979; Brady i Nauta, 1953; King, 1958). Natomiast konsekwencje uszkodzenia zakrętu obręczy (gyrus cinguli) różnią się w zależności 434 od gatunku zwierząt. Tak operowane małpy stawały się łagodne, psy zaś i koty przejawiały agresywność (Brutkowski i wsp., 1961; Kennard, 1955 a i b). Okazało się także, że ciało migdałowate, uważane za główny ośrodek kierujący zachowaniem agresywnym, nie jest jednolite pod względem funkcjonalnym. Uszkadzając poszczególne jego części można spowodować łagodność lub, odwrot- nie, wywołać wzrost agresywności zwierząt. To ostatnie zjawisko obserwowała Fonberg (1965) u psów po zniszczeniu jądra środkowego tej struktury. Natomiast uszkodzenie jądra przyśrodkowego powodowało odwrotny efekt - operowane psy stawały się łagodne. Wyniki te wskazują, że różne części ciała migdałowatego należą do dwóch różnych systemów - pobudzającego i hamującego zachowanie agresywne. Ośrodki sterujące agresywnością u człowieka ' Badania kliniczne wykazały, że zachowaniem agresywnym człowieka i zwierząt kierują podobne ośrodki mózgowe. Do ich pobudzenia może dojść w wyniku drażniącego działania różnych procesów chorobowych, na przykład nowotworów. Usuniecie ogniska chorobowego z reguły zmniejsza agresywność chorego. Zabiegi takie okazały się skuteczne w przypadkach padaczki z częstymi napadami nie poddającymi się leczeniu farmakologicznemu. Gdy ognisko padaczkowe znajdowało się w płacie skroniowym, chorzy byli agresywni i konfliktowi. Usunięcie ogniska nie tylko usuwało napady, lecz także poprawiało stan psychiczny chorego (Mempel, 1975). w-.-,-. ;+:;1-;:-Axw.--]iy.-':.;- :-:.S:.:» :: :.-?•.•.?.•-?..>,:??. , Informacji o roli ośrodków mózgowych w sterowaniu agresją u człowieka dostarczają również obserwacje pacjentów po zabiegach neurochirurgicznych, których celem było opanowanie agresji. Do zmniejszenia agresywności dochodziło po uszkodzeniu przedniej części zakrętu obręczy, niektórych jąder wzgórza, tylnej części podwzgórza i sklepienia (fornix) (Sano, 1966; Spiegel i wsp., 1951; Whitty i wsp., 1952). U jednego chorego na schizofrenię, przejawiającego wyjątkową agresywność wobec matki i młodszego brata, usunięto oba płaty skroniowe w podobnym zakresie, jak to czynili Kliiver i Bucy u małp. Operację wykonano dwuetapowo. Po pierwszym zabiegu, polegającym na usunięciu jednego płata, chory wykazywał jeszcze pewną, choć mniejszą, agresywność względem lekarzy, grożąc im śmiercią. Dopiero usunięcie drugiego płata spowodowało ustąpienie tendencji agresywnych (Terzian i Ore, 1955). Podobnie jak u zwierząt, drażnienie jednych ośrodków mózgowych wyzwala, a drażnienie innych hamuje agresję u ludzi. W latach sześćdziesiątych wszczepiano elektrody do ośrodków mózgowych u ludzi w celach diagnostycznych (np. w celu zlokalizowania ogniska epileptogennego) bądź terapeutycznych (np. w celu tłumienia bólu). King (1961) opisuje chorą, u której drażnienie okolicy ciała migdałowatego powodowało uczucia nieprzyjazne dla otoczenia oraz agresję werbalną wobec lekarza. Po zaprzestaniu drażnienia agresywność mijała, chora żałowała swych wypowiedzi i za nie przepraszała. Aczkolwiek drażnienie nie powodowało bólu, było jednak nieprzyjemne. Obserwowano również chorych, których agresywność zmniejszała się podczas drażnienia ośrodków w obrębie płata czołowego i skroniowego oraz jąder przegrody (Heath, 1963). 435 Wyzwalanie czynności obronnych - = v-!;wo; ?;?-'?? ^^.^^^.t..;^ >k Główną rolę w sterowaniu czynnościami obronnymi odgrywają trzy struktury: ciało migdałowate, podwzgórze i istota szara okołowodociągowa śródmózgowia. Zadaniem ciała migdałowatego jest analiza i integracja informacji o zagrożeniu, a także uruchamianie zachowań obronnych. W czynnościach tych uczestniczy jądro środkowe i jądro przyśrodkowe ciała migdałowatego. Zwierzęta, u których uszkodzono te struktury, stają się łagodne i nie reagują na zagrożenie. Drażnieniem prądem elektrycznym ciała migdałowatego u różnych gatunków zwierząt wyzwalano reakcje typu ucieczki lub ataku. Prawdopodobnie okolice, z których można wywołać te reakcje, są wzajemnie przemieszane. Pacjenci, u których drażniono ciało migdałowate w celach diagnostycznych przed zabiegiem neurochirurgicznym, niejednokrotnie donosili, że drażnienie powoduje u nich uczucie lęku. W reakcjach obronnych ważną rolę odgrywa podwzgórze. Sterowanie zachowa- niami obronnymi jest domeną jądra brzuszno-przyśrodkowego. Mechanizm funkcjo- nowania tego jądra stanowi pewną zagadkę, ponieważ zarówno jego uszkodzenie, jak i drażnienie prądem elektrycznym nasila reakcje obronne. Na ogół jest to interpretowane jako wynik rozległych połączeń tego jądra. Jądro brzuszno-przyśrod- kowe może uczestniczyć zarówno w wyzwalaniu reakcji obronnych za pośrednict- wem istoty szarej okołowodociągowej śródmózgowia, jak też w ich hamowaniu za pośrednictwem połączeń z przyśrodkową częścią pola przedwzrokowego i przedniej części podwzgórza. W regulacji reakcji ucieczki u szczurów główne znaczenie ma przednia część jądra brzuszno-przyśrodkowego, a część tylna kieruje reakcjami polegającymi na atakowaniu przeciwnika (Colpaert, 1975). U kotów drażnieniem jądra brzuszno-przyśrodkowego wywoływano atak, drażnieniem zaś jądra grzbieto- wo-przyśrodkowego ucieczkę (Romaniuk, 1965). Jest interesujące, że atak w obronie własnej (defensywny), normalnie rzadko dokonywany przez szczury laboratoryjne, występuje u nich po uszkodzeniach brzuszno-przyśrodkowej części podwzgórza. Jądro brzuszno-przyśrodkowe pełni jeszcze jedną ważną funkcję. Według Adamsa (1983) znajduje się tu „modulator konsocjalny", który zależnie od sytuacji przełącza zachowanie z ataku defensywnego na pozę uległości i odwrotnie. Z tej przyczyny w warunkach laboratoryjnych szczur częściej atakuje osobnika nie- znanego, natomiast w konfrontacji z osobnikiem znanym przejawia zachowanie submisywne. Ważną rolę w sterowaniu zachowaniami obronnymi pełni istota szara okołowodociągowa. Znane jest znaczenie tej struktury w mechanizmie tłumienia bólu. Przypuszcza się, że różne obszary istoty szarej mają różne znaczenie czynnościowe, lecz mogą współdziałać na przykład w hamowaniu bólu podczas zachowania agresywnego lub w wyzwalaniu reakcji obronnych przez bodźce bólowe. Do istoty szarej okołowodociągowej dochodzą włókna nerwowe z ciała migdałowatego i podwzgórza. Włókna wychodzące z istoty szarej dochodzą do ośrodków pnia mózgu sterujących reakcjami ruchowymi i wegetatywnymi. Impulsy przewodzone przez te włókna mają znaczenie dla uruchamiania reakcji behawioral- nych oraz dla towarzyszących im efektów pobudzenia układu wegetatywnego (głównie układu krążenia krwi). 436 Hamowanie czynności obronnych '• »< Oprócz struktur, których pobudzenie wyzwala reakcje obronne, istnieje inny rozległy system ośrodków, który hamuje te reakcje i powoduje łagodność zwierzęcia. Należy do nich jądro boczne przegrody przezroczystej i jądro prążka krańcowego (nucleus striae terminalis). Uszkodzenie tych ośrodków powoduje tzw. zespół przegrodowy (septalny), charakteryzujący się nasileniem różnego rodzaju zachowań obronnych, głównie grożenia i atakowania „w obronie własnej". Często samo dotykanie lub przenoszenie przez eksperymentatora tak operowanych zwierząt może wyzwolić u nich atak obronny (Brady i Nauta, 1953; Blanchard i wsp., 1979). Oba układy - pobudzający i hamujący reakcje obronne - współdziałają ze sobą. Zarówno ciało migdałowate i podwzgórze, jak i boczne jądro przegrody wysyłają projekcje do bocznej części pola przedwzrokowego. Struktura ta może modulować stopień nasilenia zachowań obronnych. Ponadto jądro boczne przegrody pozostaje w ścisłym związku anatomicznym i funkcjonalnym z hipokampem. Istnieje hipoteza, że przegroda i hipokamp odgrywają rolę w eksplorowaniu przez zwierzę otoczenia i wykrywaniu obecności napastnika. Hamowane są przy tym zachowania zakłócające eksplorację, takie jak zachowanie pokarmowe czy seksualne. Agresywność a hormony ?•« Wśród hormonów wpływających na agresywność stosunkowo najlepiej została poznana rola testosteronu. Wiadomo, że kastracja samców, od dawna stosowana w hodowli zwierząt gospodarskich, powoduje ich złagodnienie. Podobne zjawisko występuje u zwierząt laboratoryjnych: reakcje agresywne zanikają u szczurów kastrowanych, natomiast pojawiają się ponownie u tych samych zwierząt po iniekcji testosteronu. Testosteron wnika z krwi do mózgu i jest wychwytywany przez struktury należące do systemu sterującego zachowaniami obronnymi, takie jak przyśrodkowa część pola przedwzrokowego, przednia część podwzgórza, jądro brzuszno-przy- środkowe podwzgórza, jądro prążka krańcowego, jądro boczne przegrody i istota szara okołowodociągowa śródmózgowia. Na agresywność zwierząt wpływają również żeńskie hormony płciowe. Ciężarne myszy są agresywne wobec samca wchodzącego na ich terytorium. Efekt ten zależy od progesteronu. Agresywne są również samice w okresie karmienia potomstwa. , ,. 4 ....... Rola testosteronu w dominacji u małp Obce samce wprowadzone do kolonii rezusów są zazwyczaj obiektem ataku i wykazują niski poziom testosteronu we krwi. Zmiany stężenia tego hormonu występują też u małp żyjących w koloniach o ustabilizowanej hierarchii socjalnej. Bernstein i wsp. (1983) stwierdzili, że samiec o niższej randze, który atakował osobnika alfa, tj. osobnika o najwyższej randze, i został pobity, miał obniżony 437 poziom testosteronu we krwi. Natomiast osobnik alfa, który wyszedł z walki zwycięsko, ale z ranami, mimo to miał podwyższony poziom testosteronu. Z powodu ran został poddany leczeniu. Gdy wrócił do grupy, towarzysze nie uznali jego dominacji i go pobili. Badanie krwi wykazało u niego niski poziom testosteronu. W innych sytuacjach, gdy mieszano grupy małp stwierdzono, że podwyższony poziom testosteronu mieli zarówno osobnik alfa, który obronił swą dominację, jak i osobnik, który nie dał się pobić. W okresie formowania się hierarchii w stadzie poziom testosteronu koreluje z pozycją socjalną (osobnik alfa ma najwyższy poziom tego hormonu). Gdy osobnik alfa zostaje zabrany z kolonii, obniża się u niego poziom testosteronu, który się podnosi, gdy osobnik zostanie ponownie włączony do grupy. Natomiast jeśli w grupie dochodzi do walki o nową dominację, nowy osobnik alfa wykazuje najwyższy poziom testosteronu. Różnic takich nie obserwuje się w grupach o ustabilizowanej, niezakłóconej hierarchii. A zatem nie posiadanie pozycji dominanta, lecz zdobywanie tej pozycji w walce decyduje o stężeniu testosteronu. Różnice w stężeniu testosteronu u zwierząt zanikają, gdy hierarchia w stadzie jest już dobrze ustalona. Hormony płciowe a agresywność i dominacja u człowieka Wyraźny związek między poziomem testosteronu we krwi a agresywnością zwierząt skłoniły badaczy do poszukiwania podobnej korelacji u człowieka. Dodatkową przesłanką było stwierdzenie, że kastracja stosowana w przeszłości w niektórych krajach wobec sprawców przestępstw na tle seksualnym zmniejszała ich agresywność. Wynik ten można było jednak interpretować jako skutek zmniejszenia popędu płciowego po kastracji, a tym samym także ograniczenia agresywnych tendencji na tle seksualnym (Hawke, 1951). Dodać należy, że ten niehumanitarny zabieg nie jest już wykonywany. Pomiary stężenia testosteronu wykonywano u więźniów skazanych za brutalne napady na ludzi, którzy w czasie pobytu w więzieniu przejawiali różne formy agresywności wobec innych więźniów - od otwartej walki do ataków słownych czy też konfliktów socjalnych. Nie stwierdzono jednak istotnej korelacji między tego rodzaju zachowaniami a poziomem hormonu we krwi (Kreuz i Rosę, 1972). Ehrenkranz i wsp. (1974) wykonali badania na trzech grupach więźniów. Do pierwszej grupy zaliczono osobników skazanych za przestępstwa bez związku z agresją, którzy - zdaniem strażników - wykazywali tendencję do dominacji socjalnej w zespole. W drugiej grupie znaleźli się przestępcy z wyrokami za brutalne akty agresji i wykazujący agresywność podczas pobytu w więzieniu. Trzecia grupa obejmowała więźniów nieagresywnych i niedominujących w zespole. U osób z tej grupy stwierdzono mniejsze stężenie testosteronu we krwi w porów- naniu z pozostałymi grupami. Jednakże taki sam wysoki poziom testosteronu wykazywali więźniowie agresywni (druga grupa) i dominujący lecz nieagresywni (pierwsza grupa). Z wyników tych i wielu innych badań można wnioskować o braku wyraźnego związku między poziomem testosteronu a skłonnościami agresywnymi u człowieka, 438 choć niektórzy badacze sugerują, że taki związek może istnieć w okresie dojrzewania. Są natomiast dane wskazujące na to, że poziom testosteronu może wzrastać w sytuacjach powodzenia i sukcesu życiowego. Mazur (1983) przytacza wyniki obserwacji u studentów współzawodniczących o zwycięstwo sportowe (np. w grze w tenisa lub w zapasach). U wygrywających stwierdzano wzrost, u przegrywających spadek poziomu testosteronu we krwi. Ciekawe, że stężenie testosteronu zmniejszyło się u wszystkich graczy przy remisowym wyniku rozgrywek, kiedy nikt nie uzyskał przewagi nad zespołem konkurencyjnym. Podwyższony poziom testosteronu obserwowano także u studentów w czasie uzyskiwania stopnia akademickiego. Zmiany nastroju u kobiet w związku z cyklem miesiączkowym są powszechnie znane. Do drażliwości i obniżenia nastroju dochodzi w dniach poprzedzających miesiączkę oraz podczas samej miesiączki (Parlee, 1973). W przypadkach patologicznych w okresie tym występują częściej niż w innych okresach cyklu zaburzenia zachowania w postaci zamachów samobójczych i aktów agresji. Obserwacje przeprowadzone u chorych w szpitalu psychiatrycznym oraz u więź- niarek wskazywały na nasilenie werbalnych i fizycznych aktów agresji w tym właśnie okresie (Ellis i Austin, 1971; Hands i wsp., 1974). Niektórzy badacze uważają, że przyczyną agresywności może być zakłócenie relacji między stężeniami progesteronu i estradiolu we krwi (Reid i Yen, 1981). ?<- • - • • Stany lękowe ; ...••• U człowieka popędem zbliżonym do strachu (ang. fear) jest lęk (ang. anxiety). W odróżnieniu od strachu, który wyzwala odpowiednie zachowania dopiero w obliczu bezpośredniego realnego niebezpieczeństwa, lęk dotyczy zagrożeń potencjalnych i steruje zachowaniami uprzedzającymi (antycypacyjnymi), a często motywuje plan działania. Lęk i związane z nim troski i zaspokojenia odgrywają ważną rolę w życiu człowieka i mają znaczenie adaptatywne. Na przykład lęk przed możliwą chorobą może skłaniać do poddawania się okresowym badaniom mimo dobrego samopoczucia. Istnieją jednak patologiczne postacie lęku, zakłócające normalny przebieg procesów psychicznych i prawidłowe działanie człowieka w życiu codziennym. .,?..*?? Klasyfikacja stanów lękowych Wśród patologicznych postaci lęku wyróżnia się fobie i stany lękowe (nerwice lękowe). Do fobii należy na przykład agorafobia, czyli lęk otwartych przestrzeni, albo klaustrofobia (lęk małych pomieszczeń). Osoby cierpiące na stany lękowe przeżywają niepokój wobec różnych wydarzeń w ich życiu. Towarzyszy temu drażliwość, trudności w skupieniu uwagi, zaburzeniu snu. Stan lękowy może się pojawić w odpowiedzi na sytuację stresową. Okoliczności towarzyszące tej sytuacji są ciągle przeżywane na nowo; chory unika bodźców kojarzących się z tą sytuacją. Taki stan często występuje u osób, które przeżyły wypadek samochodowy, 439 i dlatego przez pewien czas unikają jazdy. W stanach lękowych występują też natrętne myśli, nie związane z realną sytuacją. Często towarzyszą im natręctwa ruchowe. Wykonywanie natrętnych ruchów zmniejsza dolegliwości związane z natrętnymi myślami. Odrębną postacią patologicznego lęku są napady paniki. Uczucie strachu jest wtedy szczególnie nasilone, osoba nim dotknięta obawia się choroby psychicznej, bliskiej śmierci, występuje uczucie niedowładu kończyn, zaburzenia widzenia. Stanom tym towarzyszy przyspieszenie czynności serca, pocenie, drżenie mięśni, zaburzenia czynności jelit. Wyodrębnienie postaci lęku z napadami paniki jest usprawiedliwione odmienną reakcją chorych na leki i w związku z tym - odmiennym podłożem neurochemicznym. Leczenie stanów lękowych . • Przełomem w leczeniu stanów lękowych było w 1960 r. wprowadzenie do lecznictwa diazepamu - preparatu z grupy benzodiazepin. Skuteczność tych leków ugruntowała hipotezę o roli neuronów GABAergicznych w sterowaniu lękiem (Friedman, 1990; Shader i Greenblatt, 1993). Miejsce uchwytu benzodiazepin znajduje się w obrębie receptora GABAergicznego typu GABAA. Aktywacja tego receptora prowadzi do otwarcia kanałów chlorowych. Wskutek tego jony Cl~ wchodzą do wnętrza komórki powodując hiperpolaryzację jej błony, a zatem hamowanie czynności neuronu. Na receptory GABAA działają, oprócz ben- zodiazepin, barbiturany i alkohol etylowy. Wśród receptorów GABAA rozróżnia się kilka podtypów, o różnej zdolności wiązania benzodiazepin i różnej lokalizacji w mózgu. Anksjolityczny efekt benzodiazepin prawdopodobnie zależy głównie od pobudzenia receptorów GABAA w neuronach hipokampa, choć liczba (gęstość) tych receptorów jest również znaczna w korze nowej (Zorumski i Isenberg, 1991). Mechanizm anksjolitycznego działania benzodiazepin nie został w pełni wyjaśniony. Pierwotnie próbowano wyjaśnić to najprościej: benzodiazepiny, aktywując receptor GABAergiczny, wspomagają działanie GABA na tenże receptor. Jednak w takim razie samo zwiększenie stężenia GABA w synapsie, bez benzodiazepin, powinno hamować lęk, ale eksperymenty na zwierzętach tego nie potwierdziły: ani zahamowanie rozpadu GABA, ani podawanie agonistów GABA nie zmniejsza reakcji typu strachu. Powstała zatem hipoteza, że receptor ben- zodiazepinowy jest stale blokowany przez naturalny endogenny (wewnątrzus- trojowy) związek, którego działanie jest niezbędne do normalnego przeżywania lęku. Związek ten mógłby działać podobnie do P-karbolin - substancji psychogen- nych pochodzenia roślinnego, wywołujących stany lękowe (Skolnik i wsp., 1984). W terapii stanów lękowych uzyskiwano korzystne efekty, stosując także leki działające na układ serotoninergiczny. W różnych postaciach lęku, z wyjątkiem napadów paniki, występowała poprawa po stosowaniu leków pobudzających receptory serotoninergiczne typu 5-HT,A, jak buspiron (Riblet, 1984), natręctwa zaś myślowe i ruchowe zmniejszały się po zastosowaniu leków hamujących zwrotny wychwyt serotoniny (a zatem po zwiększeniu ilości tego przekaźnika w synapsach). Interesujące, że leki te hamują również przymusowe ruchy spotykane 440 u psów, które polegają na uporczywym lizaniu kończyn, aż do powstania ran i infekcji (Rapoport i wsp., 1992). Zachowanie to może mieć zatem podobne podłoże biochemiczne, jak natręctwa ruchowe u człowieka. Eksperymentalne badania lęku '? ' Testy pozwalające ocenić natężenie lęku u zwierząt są przeważnie oparte na konflikcie dwóch antagonistycznych popędów: jednego o pozytywnej walencji (np. ciekawości, głodu), wyzwalającego ruch w kierunku bodźca, i drugiego o negatyw- nej walencji, motywującego unikanie bodźca. Jako bodźców awersyjnych używa się naturalnych sytuacji unikanych przez zwierzę, na przykład silnego oświetlenia, chodzenia po wysoko umieszczonej kładce lub też sztucznego lecz konkretnego bodźca - prądu elektrycznego. Podchodząc do układu doświadczalnego w sposób antropomorficzny można założyć, że w pierwszym przypadku mamy do czynienia z ludzkim analogiem lęku, w drugim - strachu. Do testów, w których wykorzystuje się naturalne zachowania lękowe szczurów i myszy, należą próby labiryntowe. W wielu laboratoriach do badania lęku używa się tzw. uniesionego labiryntu plus. Urządzenie to ma kształt krzyża (lub znaku +). Od centralnego kwadratu odchodzą w przeciwnych kierunkach dwie alejki odsłonięte i dwa korytarze, tzn. takie same alejki, lecz mające po obu bokach ścianki. Labirynt znajduje się na wysokości 50 cm nad podłogą. Zwierzę umieszcza się w części centralnej, a następnie obserwuje, jak długo przebywa w alejkach z osłoną i bez osłony. Normalne zwierzęta, badając dostępne im pomieszczenia labiryntu, więcej czasu spędzają w korytarzach osłoniętych, natomiast po otrzymaniu leku z grupy benzodiazepin, np. diazepamu, równie chętnie odwiedzają alejki bez osłony i nie lubiany przedtem widok przestrzeni w dole przestaje już być dla nich groźny (Rodgers i Cole, 1994). W innych testach konflikt między pozytywnym popędem a lękiem jest jeszcze wyraźniejszy. Na przykład głodnego szczura wpuszcza się na silnie oświetlone pole, na którym znajduje się stoliczek z pokarmem. Zwierzę, bojąc się silnego światła, rzadziej podchodzi do stoliczka i zjada mniej pokarmu niż gdy w takim samym stanie wygłodzenia otrzymuje pokarm w swojej klatce. I w tym eks- perymencie otwarta jasna przestrzeń staje się po diazepamie mniej straszna i nie hamuje reakcji pokarmowej. Z testów wykorzystujących jako bodziec awersyjny prąd elektryczny bardzo przydatna okazała się warunkowa reakcja emocjonalna, opisana przez Estesa i Skinnera w 1941 r., a więc na długo przed odkryciem benzodiazepin. Szczur umieszczony w klatce Skinnera jest uczony naciskać na dźwignię w celu otrzymania pokarmu. Gdy zwierzę opanowało reakcję instrumentalną, w czasie doświadczenia dwukrotnie włącza się ton (na 3 lub 5 minut), po zakończeniu którego kończyny zwierzęcia zostają podrażnione prądem elektrycznym. Po kilku takich skojarzeniach ton staje się bodźcem warunkowym, wyzwalającym strach przed bodźcem awersyjnym, a więc strach wtórny, czyli nabyty przez warunkowanie. W czasie działania tonu szczur nieruchomieje i zaprzestaje naciskania na dźwignię w celu otrzymania pokarmu. To hamowanie przez warunkowy bodziec strachowy pokar- 441 mowego zachowania się zwierzęcia jest właśnie istotą warunkowej reakcji emocjonalnej. Jest ona wyrazem konfliktu między dwoma antagonistycznymi popędami - głodem i strachem. Okazało się, że po iniekcji leku z grupy benzodiazepin szczury nie przerywały naciskania na dźwignię przy włączonym tonie sygnalizującym prąd elektryczny. - , Stany lękowe z napadami paniki Napady paniki są oporne na leczenie benzodiazepinami, natomiast ustępują po stosowaniu preparatów przeciwdepresyjnych, np. imipraminy. Imipramina z kolei nie jest skuteczna w leczeniu uogólnionej postaci stanów lękowych. Dało to podstawę do przypuszczeń, że napady paniki mają inne podłoże neurochemiczne. Modele zwierzęce napadów paniki są nieliczne. Aczkolwiek podobne jak u ludzi objawy paniki obserwowano u małp, nie jest to jednak gatunek powszechnie dostępny do badań farmakologicznych. Wygodniejszym modelem okazały się myszy, reagujące charakterystycznym zachowaniem na głos sowy. Polująca sowa najpierw wydaje dźwięki znakujące jej terytorium, po czym odlatuje do miejsca wypadowego, z którego w kompletnej ciszy wypatruje ofiary. Do badania reakcji myszy na te dźwięki Hendrie i Weiss (1994) skonstruowali klatkę z podłogą zaopatrzoną w nory. Z magnetofonu przez głośnik odtwarzali sekwencję - 3 minuty mowy ludzkiej i 2 minuty dźwięków sowy, po czym następowało 5 minut ciszy. W tym układzie dźwięków najpierw występował bodziec biologicznie obojętny, a potem głosowy wzorzec zachowania łowczego sowy. Uporządkowaną reakcją obronną myszy w tej sytuacji jest schowanie się do norki. Natomiast wychodzenie z norki i bezładne bieganie po podłodze klatki jest wyrazem panicznej zdezor- ganizowanej ucieczki. Diazepam i inne benzodiazepiny pozostawały bez wpływu na bieganie myszy po klatce, co wskazywało, że według wyłożonych powyżej kryteriów zachowania tego nie można uważać za model uogólnionego zespołu lękowego. Natomiast uprzednie długotrwałe (przez 10 dni) podawanie myszom imipraminy zwiększało czas ich przebywania w norce, czyli - inaczej mówiąc - zmniejszało bezładne paniczne bieganie po klatce. Napady paniki obserwowano u ludzi po infuzjach izoproterenolu. Izoproterenol jest substancją o działaniu podobnym do amin katecholowych. Silne uczucie lęku występuje po dożylnej iniekcji adrenaliny. Adrenalina działa na oba typy receptorów adrenergicznych, a i (3, natomiast izoproterenol tylko na receptory p\ Powstała zatem hipoteza o roli receptorów adrenergicznych (3 w zaburzeniach lękowych o cechach paniki. Przemawiało za nią ustępowanie napadów po iniekcjach antagonisty tych receptorów, propranololu (Rainey i wsp, 1984). Stwierdzono, że u szczurów wykazujących objawy strachu dochodzi do wzmożonej aktywności neuronów noradrenergicznych jądra sinawego (nucleus coeruleus). Stąd powstało przypuszczenie, że napady paniki mogą zależeć od wzmożonej aktywności noradrenergicznych struktur mózgu (Uhde i wsp., 1984). I 18. Czynności rozrodcze ile instynkty i popędy omawiane w poprzednich rozdziałach służą utrzymaniu osobnika przy życiu, o tyle celem instynktu rozrodczego jest rozmnażanie się, a tym samym utrzymanie gatunku. Kolejnymi etapami instynktu rozrodczego steruje kilka popędów, takich jak popęd płciowy, popęd budowy gniazda czy popęd opieki nad potomstwem. .-< ?-:'"-. Niższe organizmy mogą się rozmnażać bezpłciowo. Przykładem rozmnażania bezpłciowego jest hermafrodytyzm, występujący u niektórych owadów, a nawet ryb. Wyższym sposobem rozmnażania się jest rozród płciowy, ponieważ przez właściwy dobór partnerów umożliwia przekazywanie potomstwu „najlepszych" genów, które determinują najkorzystniejsze pod względem adaptacyjnym cechy fenotypowe. Zgodnie z koncepcją Darwina, dobór partnerów do tego rozrodu (tzw. dobór płciowy) jest, oprócz doboru naturalnego, czynnikiem warunkującym ewolucję gatunków. Wszystkie gatunki zwierząt rozmnażających się płciowo charakteryzują się różną budowa ciała samców i samic. Samce zwykle są większe, silniejsze, sprawniejsze fizycznie, agresywne i często mają specyficzne cechy anatomiczne, takie jak upierzenie, ubarwienie ciała i rogi. Głównym atrybutem płci są gruczoły płciowe (gonady), uważane za tzw. pierwszorzędowe cechy płciowe. Cechami drugorzędowymi są żeńskie i męskie narządy płciowe. Czynnościami rozrodczymi steruje złożony system hormonów. Hormony wpływają na samczy i samiczy behawior seksualny, u ptaków stymulują budowę gniazd dla przyszłego potomstwa i wyzwalają zachowania rodzicielskie. Do rozmnażania płciowego prowadzi złożony łańcuch reakcji organizmu zwanych zachowaniem (behawiorem) seksualnym. Zachowanie to ostatecznie umożliwia połączenie się gamet, czyli komórek rozrodczych: ojcowskiej - plemnika i matczynej - jaja. Powstała w ten sposób zygota zawiera materiał genetyczny pochodzący od obojga rodziców. i. ; > '?: ; 443 Gruczoły płciowe Męskimi gruczołami płciowymi są jądra, a żeńskimi jajniki. Gruczoły płciowe (gonady) wytwarzają męskie lub żeńskie komórki rozrodcze oraz wydzielają męskie lub żeńskie hormony płciowe. Mimo odrębnej budowy i czynności, jądra i jajniki powstają w życiu płodowym z tych samych gonad pierwotnych. 'i J ; i Budowa i czynność jąder. Spermatogeneza Głównymi składnikami jądra o znaczeniu dla czynności rozrodczych są kanaliki nasienne oraz komórki Leydiga (rys. 18.1). Ściana kanalików nasiennych jest utworzona przez komórki nabłonkowe, zwane spermatogoniami, z których powstają plemniki. W ścianie kanalików znajdują się komórki Sertoliego, których cytoplazma tworzy liczne rozgałęzione wypustki. W sieci tych wypustek uwięzione są komórki prekursory plemników o różnym stopniu rozwoju, powstałe ze spermatogonii. Komórki Leydiga, które znajdują się w tkance jądra między kanalikami nasiennymi, wydzielają męskie hormony płciowe, głównie testosteron. ? ?? ?•'?/? .'.. ??'??.??'???' ' v '? ??' '?'? ?'"-'? ?'? '-?? Brak rozłączenia chromosomów lub chromatyd O Komórki niezdolne do życia 452 na ubytku fragmentu ramienia chromosomu albo na wystąpieniu tzw. izo- chromosomu, gdy chromosom składa się z dwóch jednakowych ramion długich lub krótkich. Anomalie te mogą być przyczyną zaburzeń rozwoju narządów płciowych występujących pod różnymi postaciami obojnactwa (hermafrodytyzmu). Gdy w miejscu krótkiego ramienia chromosomu X występuje ramię długie, dochodzi do poważnego zaburzenia rozwoju gonad. Innym rodzajem patologii jest nieprawidłowa liczba chromosomów w ko- mórce, spowodowana defektem rozłączania się chromosomów podczas pierwszego podziału mejotycznego lub rozdzielania się chromatyd podczas drugiego podziału mejotycznego (rys. 18.5). W normalnym podziale mejotycznym z komórki zarodkowej o kariotypie diploidalnym powstają gamety o kariotypie haploidalnym: komórki jajowe zawierające chromosom płciowy X oraz plemniki zawierające chromosom X lub Y. W toku podziału komórek proces ten może być zakłócony. W pierwszym podziale mejotycznym oba chromosomy płciowe mogą się nie rozdzielić i przejść razem do jednej komórki potomnej. W drugim podziale mejotycznym mogą się nie rozdzielić chromatydy i razem przejść do jednej gamety. Jajo zawiera wówczas dwa chromosomy X, a plemnik chromosom X i Y. Jeżeli w procesie zapłodnienia nieprawidłowy plemnik XY połączy się z prawidłową komórką jajową X, bądź też nieprawidłowa komórka jajowa XX połączy się z prawidłowym plemnikiem Y, powstanie zygota o typie trisomii (XXY). Objawy kliniczne u mężczyzn z takim kariotypem noszą nazwę zespołu Klinefeltera. Główną cechą tego zespołu jest niedorozwój (dys- genezja) kanalików nasiennych, brak spermatogenezy i bezpłodność. Najczęstszym zaburzeniem typu monosomii jest występowanie w kariotypie tylko jednego chromosomu X. Kariotyp taki powstaje, gdy w procesie zapłodnienia normalna komórka jajowa połączy się z „wybrakowanym" plemnikiem, który w procesie spermatogenezy utracił chromosom płciowy (zwykle Y). Powstałe zarodki odznaczają się dużą śmiertelnością, tak że zaledwie 3% dożywa porodu. Kobiety z monosomią typu X wykazują objawy zespołu Turnera, na który składa się brak miesiączki, szczątkowe jajniki, niedorozwinięte zewnętrzne narządy płciowe oraz niski wzrost. Funkcjonalne zróżnicowanie podwzgórza ze względu na płeć Sposób uwalniania hormonów gonadotropowych w przysadce, zwłaszcza hormonu luteinizującego, jest różny u samic i samców. Stałe (tzw. toniczne) wydzielanie gonadotropin, choć z zaznaczoną rytmiką dobową, zachodzi pod kontrolą jądra łukowatego (nucleus arcuatus) podwzgórza. Natomiast u samic przed kolejnymi owulacjami występują nagłe wyrzuty hormonu luteinizującego. Wydzielanie o takim przebiegu nazywa się fazowym. Steruje nim pole przedwzrokowe (area praeoptica). W zależności od tego, czy hormony gonadotropowe są uwalniane wyłącznie w sposób toniczny, czy również fazowy, rozróżnia się „podwzgórze męskie" i „podwzgórze żeńskie". 453 ; U niektórych zwierząt (np. u szczurów, myszy, chomików, świnek morskich) męski lub żeński typ wydzielania hormonów gonadotropowych ustala się w pewnym krytycznym okresie po urodzeniu. Zachodzi wtedy również proces, który decyduje, jakie formy behawioru seksualnego - męskie czy żeńskie - będzie przejawiał dany osobnik, gdy dorośnie. Podwzgórze tych zwierząt, niezależnie od płci chromo- somalnej, wykazuje predylekcję do samoistnego różnicowania się w kierunku żeńskim. U samców zapobiega temu testosteron, który działając w pierwszych dniach życia powoduje maskulinizację lub, według niektórych badaczy, raczej „defeminizację" podwzgórza. Świadczą o tym następujące fakty eksperymentalne: 1. Samice szczurów, którym w pierwszych dniach po urodzeniu wstrzyknięto testosteron, są bezpłodne, ponieważ nie występuje u nich cykliczny wyrzut hormonu luteinizującego niezbędny do zainicjowania owulacji (Barraclough i Haller, 1970). Zaburzenia te nie występują u samic, które otrzymały iniekcję testosteronu w późniejszym wieku. 2. U samców szczurów kastrowanych tuż po urodzeniu można wywołać draż- nieniem narządów płciowych w wieku dorosłym charakterystyczne dla samic grzbietowe wygięcie tułowia zwane lordozą. Ta forma samiczego behawioru seksualnego występuje wówczas u samców po uprzednim wstrzyknięciu estradiolu (Feder i Whalen, 1965). Nie daje tego efektu kastracja wykonana w późniejszym wieku. .,........., . Funkcjonalnemu zróżnicowaniu podwzgórza u szczurów towarzyszą różnice w budowie mikroskopowej pola przedwzrokowego spowodowane działaniem testosteronu u samców. Płeć psychiczna ? 1 .? Na płeć „psychiczną" składają się następujące elementy: 1) świadomość własnej płci, 2) męskie lub żeńskie cechy zachowania socjalnego, 3) preferencja seksualna i 4) męskie lub żeńskie cechy psychiki. U naczelnych nie zachodzi, jak pod wpływem testosteronu u samców gryzoni, proces maskulinizacji podwzgórza w krytycznym okresie życia po urodzeniu. Z tego powodu gdy na ludzki płód płci żeńskiej działa testosteron lub inne androgeny, powoduje to stosunkowo niewielkie, przeważnie poddające się leczeniu zaburzenia, znane pod nazwą obojnactwa rzekomego (pseudohermafrodytyzmu). Żeńskie obojnactwo rzekome powstaje w wyniku ekspozycji płodu żeńskiego na androgeny własne (np. wytwarzane w nadmiarze przez nadnercza płodu) lub pochodzące z organizmu matki. Dzieci z żeńskim obojnactwem rzekomym, choć poddane w życiu płodowym działaniu androgenów, mają normalne poczucie przynależności do płci żeńskiej, ale wykazują cechy osobowości charakterystyczne dla chłopców. Nie bawią się lalkami, dążą do współzawodnictwa sportowego, niekiedy wykazują agresywność (Rosę, 1985). Przyczyną męskiego obojnactwa rzekomego jest niedostateczny rozwój męskich narządów płciowych wskutek upośledzenia syntezy testosteronu albo 454 niewrażliwości tkanek na androgeny. Rozwijają się wówczas, wraz z niedoroz- winiętymi narządami męskimi, różne formy narządów żeńskich. Przy przewadze narządów żeńskich zaleca się wychowywanie dziecka jako dziewczynki, usunięcie jąder i podawanie żeńskich hormonów płciowych na początku okresu doj- rzewania. Gdy przeważają narządy płciowe męskie, a istniejącą „domieszkę" narządów żeńskich można łatwo usunąć chirurgicznie, dziecko wychowuje się jako chłopca. . Cykliczność żeńskich czynności rozrodczych U większości zwierząt ruja zajmuje nie więcej niż 15% całego cyklu estralnego. Samica staje się wtedy wrażliwa na zachowanie seksualne samca, a u wielu gatunków wykazuje aktywny behawior seksualny. Podstawową rolę w wyzwalaniu tego behawioru odgrywa estradiol, który współdziała z progesteronem. Działanie progesteronu jest złożone i niejednakowe u różnych gatunków. U większości zwierząt progesteron początkowo uwrażliwia organizm samicy na działanie estradiolu i ułatwia wystąpienie rui. Natomiast w drugiej fazie, przypadającej na okres po owulacji, hormon ten, wydzielany wówczas w znacznych ilościach, redukuje wrażliwość seksualną zwierzęcia. Współdziałanie obu hormonów powo- duje, że gotowość seksualna samicy przypada na czas owulacji, zapobiega zaś kopulacjom w innych okresach cyklu, kiedy zapłodnienie nie jest możliwe. U samic ptaków progesteron hamuje behawior seksualny pobudzany przez estradiol i wyzwala zachowania sprzyjające wykluciu i wychowaniu potomstwa, takie jak wysiadywanie jaj, budowanie gniazda i opieka nad młodymi. U naczelnych przejawem rytmiki czynności rozrodczych są cykle miesiącz- kowe. Za początek cyklu miesiączkowego przyjmuje się moment pojawienia się krwawienia miesiączkowego (miesiączki), które jest spowodowane rozpadem błony śluzowej macicy. Krwawienie utrzymuje się od 3 do 7 dni i powtarza się średnio co 28 dni, choć bywają cykle dłuższe i krótsze. W cyklu miesiączkowym rozróżnia się fazę pęcherzykową (folikularną) - od początku krwawienia do owulacji i fazę lutealną - od owulacji do następnej miesiączki. W fazie folikularnej pewna liczba pęcherzyków jajnikowych zaczyna się rozwijać, a jeden z nich - dominujący, osiąga etap pęcherzyka Graafa i dojrzewa do owulacji. Owulacja polega na pęknięciu pęcherzyka i wyrzuceniu jaja, które dostaje się do jajowodu. Rozpoczyna się wtedy faza lutealną, w której pozostałe po owulacji części pęcherzyka - błona ziarnista i osłonka, przekształcają się w ciałko żółte (corpus luteum). Fazy cyklu miesiączkowego przebiegają pod kontrolą hormonów gonado- tropowych przysadki i hormonów płciowych wydzielanych przez jajnik (rys. 18.6). W fazie pęcherzykowej, gdy rozwija się pęcherzyk jajnikowy, we krwi stopniowo zwiększa się stężenie estradiolu. Początkowo wskutek hamującego działania estradiolu na przysadkę stężenie hormonu luteinizującego jest niewielkie. Dopiero pod koniec fazy folikularnej, gdy szybko rosnący pęcherzyk Graafa wydziela znaczne ilości estradiolu, dochodzi do nagłego zwiększenia stężenia tego hormonu 455 Rys. 18.6. Cykl miesiączkowy u kobiety. Krzywe oznaczają zmiany stężenia hormonów we krwi w kolejnych dniach cyklu. Schematycznie przedstawiono kolejne stadia rozwoju pęcherzyka oraz stan błony śluzowej macicy; M - miesiączka. Hormon pęcherzykowy (FSH) I I 4 8 Faza pęcherzykowa 16 20 24 28 Faza Dni lutealna Owulacja we krwi. Przy dużym stężeniu estradiołu jego oddziaływanie na przysadkę zmienia się z hamującego na pobudzające. Dochodzi do wyrzutu hormonu łuteinizującego, którego stężenie we krwi wielokrotnie się zwiększa. Hormon luteinizujący jest niezbędny do owulacji. Równocześnie wzrasta, choć w mniejszym stopniu, wydzielanie hormonu pęcherzykowego. Po owulacji rozpoczyna się faza lutealna cyklu miesiączkowego. Hormon pęcherzykowy, współdziałając z estradiolem, powoduje znaczny wzrost liczby receptorów hormonu łuteinizującego w komórkach pęcherzyka Graafa pozostałych w jajniku po wyrzuceniu jaja. Pod wpływem hormonu łuteinizującego komórki ziarniste i komórki osłonki ulegają luteinizacji, czyli przekształcają się w ciałko żółte. Jest to gruczoł wydzielania wewnętrznego, wytwarzający, oprócz estradiołu, znaczne ilości progesteronu. Równolegle ze zmianami w wydzielaniu hormonów przebiegają zmiany w strukturze błony śluzowej macicy. Po zakończeniu krwawienia zniszczona błona śluzowa szybko się odbudowuje, a po owulacji zostaje przygotowana do przyjęcia zapłodnionego jaja. Do utrzymania śluzówki w stanie gotowości niezbędny jest progesteron. Gdy jajo nie zostaje zapłodnione i poziom progesteronu obniża się wskutek zaniku ciałka żółtego, dochodzi do rozpadu śluzówki macicy i do kolejnej miesiączki. Natomiast w przypadku zapłodnienia jaja ciałko żółte nie zanika, lecz przekształca się w ciałko żółte ciążowe. 456 Synchronizacja czynności rozrodczych : s « ; Wiele gatunków zwierząt charakteryzuje się sezonowym cyklem rozrodczym. Dzięki temu potomstwo przychodzi na świat w optymalnej porze roku, w korzyst- nych warunkach klimatycznych, zapewniających obfitość pokarmu. Roczne cykle rozrodcze są sterowane przez światło, a właściwie przez stosunek jasnej do ciemnej części doby. Ten sam bodziec świetlny, który wywołuje w organizmie samicy zmiany hormonalne przygotowujące ją na wystąpienie rui, nie jest obojętny dla samców. Na przykład wzrost poroża u samców jeleni jest sterowany przez światło w taki sposób, że w okresie godowym zwierzę dysponuje pięknymi, rozłożystymi rogami, atrakcyjnymi dla łani i skutecznymi w walkach z rywalami, natomiast zrzucanie i regeneracja poroża przypada na miesiące, w których samice są niewrażliwe seksualnie. U zwierząt o sezonowym rozrodzie rytmice okołorocznej podlega spermatoge- neza, która jest najintensywniejsza w okresie godowym. Rytm ten, zależny od warunków oświetlenia, jest kontrolowany przez jądro nadskrzyżowaniowe (nucleus suprachiasmaticus) podwzgórza. U chomika masa jąder zmniejsza się dziesięciokrot- nie, gdy noce są długie, powiększa się natomiast pod wpływem długiego okresu oświetlenia. Funkcjonowanie zegara biologicznego regulującego sezonową rytmikę czynności rozrodczych opiera się na dwóch mechanizmach. Pierwszy, wyzwalany przez początek oświetlenia dziennego o świcie, dostraja endogenny rytm okołodobo- wy funkcji fizjologicznych do 24-godzinnego cyklu słonecznego. Drugi wykrywa długość trwania oświetlenia i u chomika jest uruchamiany, gdy czas ten przekracza 12 godzin. W regulacji rytmiki czynności rozrodczych odgrywa rolę hormon szyszynki melatonina. U gatunków, u których do zapłodnienia dochodzi wiosną lub latem, gdy dni są długie, melatonina, jak u chomika, hamuje czynność gonad. I odwrotnie, u zwierząt, u których do zapłodnienia dochodzi jesienią lub zimą, a więc wtedy, gdy dni są krótkie, melatonina pobudza czynność gonad. F1 Rola bodźców węchowych Cykle estralne zwierząt żyjących w grupie, na przykład myszy i szczurów laboratoryjnych, są często zsynchronizowane w taki sposób, że ruja występuje w tym samym czasie u większości samic. U niektórych gatunków zsynchronizowane są porody. Umożliwia to wspólną opiekę nad potomstwem, a w warunkach zagrożenia ze strony wrogów przynajmniej pewna jego część ma szansę przeżycia. Wykazano, że w tego rodzaju synchronizacji ważną rolę odgrywa sygnalizacja węchowa za pomocą specjalnej klasy bodźców zapachowych - feromonów. Feromonem nazywa się związek chemiczny wydzielany przez zwierzę „nadawcę", który wyzwala odpowiednie zachowanie zwierzęcia „odbiorcy" tego samego gatunku lub wpływa na czynność jego układu hormonalnego. Feromony są potężnymi atraktantami uruchamiającymi zachowanie seksualne owadów. Ich rola nie jest bynajmniej mniejsza u kręgowców. Bodźce zapachowe pochodzące z narządów płciowych lub zawarte w moczu samicy służą samcom wielu gatunków ssaków do wykrywania rui. Znana jest niezwykła wrażliwość niektórych zwierząt 457 na feromony. Na przykład psy wyczuwają sukę w rui z odległości kilometra. Feromony o charakterze atraktantów są wydzielane również przez samce. Samice myszy reagują na mocz samca intensywnym węszeniem (Scott i Pfaff, 1970). Reakcja ta nie występuje, gdy mocz pochodzi od samca kastrowanego, natomiast jest intensywniejsza wobec moczu samca dominującego w hierarchii niż wobec moczu osobnika podporządkowanego (Jones i Noweli, 1974). Męskie feromony wpływają na cykle estralne samic wielu gatunków zwierząt. Obecność tryka przyspiesza wystąpienie rui i owulacji u owiec, a u myszy taki wpływ wywiera nawet spryskanie moczem samca ściółki w klatce, w której przebywa samica. Niekiedy feromony działają odwrotnie - zagnieżdżenie się i rozwój zapłodnionego jaja jest zahamowany, gdy zapłodniona samica miała po zapłodnieniu kontakt z moczem innego, nieznanego jej samca. Ciąża nie rozwija się i powracają normalne cykle estralne (Bruce, 1960). Samice różnych gatunków są wrażliwe nie tylko na feromony męskie, lecz także na substancje zapachowe wydzielane przez inne samice tego samego gatunku. Tego rodzaju bodźce chemiczne odgrywają rolę w synchronizacji cykli estralnych u samic żyjących w grupie. Bodźce węchowe odgrywają rolę w sterowaniu zachowaniem seksualnym również u gatunków o słabym powonieniu, w tym u naczelnych. Obwąchiwanie okolicy pochwy w celu wykrycia rui obserwuje się u samców wielu gatunków małp. Samice naczelnych, na przykład lemurów (Lemuridae) i niektórych człeko- kształtnych, mają zwyczaj znakowania terenu wydzieliną pochwową. Zachowanie to nie ma związku z terytorializmem, lecz sygnalizuje obecność samicy w rui (Keverne, 1978). W ten sposób rozmieszczone bodźce chemiczne służą do zwabiania samców oraz do synchronizacji rui u samic danej grupy. Mechanizm działania sygnałów węchowych na zachowanie seksualne zwierząt zależy od budowy układu węchowego u danego gatunku. Większość ssaków, z wyjątkiem naczelnych, ma podwójny układ węchowy. Główny układ rozpoczyna się w nabłonku węchowym jamy nosowej i dociera do prążka węchowego bocznego. Jego zadaniem jest wykrywanie bodźca seksualnego. Zwierzę reaguje nań ogólną reakcją wzbudzenia. Drugi, dodatkowy układ bierze początek w narzą- dzie przylemieszowym i dochodzi do struktur układu limbicznego, m.in. do ciała migdałowatego i przedniej części podwzgórza. Informacje z tego układu odgrywają ważną rolę w uruchamianiu behawioru seksualnego. O roli ciała migdałowatego w behawiorze seksualnym świadczą wyniki badań doświadczalnych. Robinson i Mishkin (1968) wykazali, że drażnienie prądem elektrycznym korowo-przyśrod- kowej części ciała migdałowatego wywołuje erekcję prącia u rezusa (Macaca mulatta). Stwierdzono też, że odwrotny zabieg - uszkodzenie podobnej okolicy u samców szczurów, uniemożliwia kopulację (Kaada i wsp., 1968). W świetle tych danych jest zrozumiałe, że pobudzenie ciała migdałowatego przez sygnały węchowe uruchamia adekwatne formy behawioru seksualnego. Natomiast przednia okolica podwzgórza zawiera ośrodki sterujące wydzielaniem hormonów przez przysadkę. Informacja węchowa może mieć zatem znaczący udział w funkcjonowaniu tych ośrodków i odgrywać rolę w takich zjawiskach, jak synchronizacja rui u szczurów w obecności samca czy też u samic żyjących w grupie. ? •» ?! 458 U naczelnych, nie mających narządu przylemieszowego, sygnały węchowe docierają do mózgu za pośrednictwem jednego układu węchowego, odpowiadają- cego układowi głównemu u ssaków niższych. W opuszkach węchowych naczelnych, oprócz drogi do korowych okolic węchowych, biorą także początek połączenia nerwowe zmierzające do układu limbicznego, głównie do podwzgórza. Za pośrednictwem tej drogi informacje węchowe mogą wpływać na wydzielanie hormonów przez przysadkę i pojawianie się rui. Substancje zapachowe typu feromonów mogą odgrywać pewną rolę w za- chowaniu seksualnym człowieka. Istnieją dane wskazujące pośrednio na taką możliwość. Stwierdzono, że kobiety mieszkające wspólnie (np. w domach akademickich) mają zsychronizowane cykle miesiączkowe (McClintock, 1971). Kobiety w porównaniu z mężczyznami mają bardziej wrażliwe powonienie i wrażliwość ta zmienia się w zależności od fazy cyklu miesiączkowego. Systemy kojarzeń Sposoby tworzenia pary do rozrodu zależą od podziału ról obojga rodziców w utrzymaniu i wychowaniu potomstwa. W świecie zwierząt spotyka się systemy monogamiczne, polegające na długotrwałej więzi między samcem i samicą, oraz systemy poligamiczne, kiedy samiec kryje daną samicę tylko raz, najczęściej raz w życiu. Spośród systemów poligamicznych najczęstsza jest poligynia, kiedy samiec zapładnia kilka samic, a niekiedy, jak u jeleni, tworzy z nimi zespoły haremowe. Teoretycznie kojarzenia poligamiczne powinny dawać potomstwo lepiej przystosowane do środowiska, a walki godowe i związany z nimi sukces rozrodczy większych, silniejszych, zdrowych samców powinien się przyczyniać do szybkiego doskonalenia się puli genowej populacji. Aby podkreślić znaczenie doboru naturalnego w ewolucji gatunków, często przytacza się właśnie behawior rozrodczy zwierząt poligamicznych. Wadą systemu poligamicznego jest czasochłonność zachowań poprzedzających kopulację: poszukiwanie i zwabianie partnerów, zaloty, walki godowe. System ten może się okazać niewydolny, gdy sezon rozrodczy jest krótki, a optymalne dla rozrodu warunki klimatyczne pojawiają się nagle. Większy sukces rozrodczy może wtedy osiągnąć para osobników znających się od dawna, o wcześniej ustalonej między nimi więzi. Taką strategią posługują się niektóre gatunki zięb australijskich, wykorzystujące do rozrodu sprzyjającą porę po nieoczekiwanych opadach deszczu. Ptaki te żyją w długotrwałych ustabilizowanych związkach i mogą niezwłocznie przystąpić do czynności rozrodczych, gdy nagle zaistnieją korzystne do tego warunki. U gatunków o monogamicznym systemie kojarzeń często oboje rodzice współdziałają w wychowaniu potomstwa. Ich uzupełniające się działania, takie jak zaloty, kopulacja, budowanie gniazda, wysiadywanie jaj i opieka nad potomstwem, muszą być zsynchronizowane w ciągu całego cyklu rozrodczego. Interesujących danych dostarczyły obserwacje kształtowania się działań pary gołębi gatunku Streptopelia risoria budujących gniazdo (Martinez-Vargas, 1974). 459 W czynności tej występuje wyraźny podział ról: samiec zbiera materiał i przynosi go na „plac budowy", natomiast właściwa praca budowlana jest zadaniem samicy. Współpraca obojga partnerów rozwija się stopniowo. Inicjatorem budowy jest samiec, który wybiera miejsce i odpowiednim zachowaniem przyciąga do niego samicę. Wkrótce jednak opuszcza je i samica odlatuje razem z nim. Dzieje się tak kilkakrotnie w ciągu tygodnia, potem samica nie towarzyszy już odlatującemu samcowi, lecz zostaje na miejscu i rozpoczyna dzieło budowy. Gdy dochodzi do opisanego powyżej przełomu w zachowaniu się samicy, w jej organizmie wzrasta wydzielanie estradiolu i progesteronu. W warunkach laboratoryjnych samice, którym wstrzykiwano te hormony, już pierwszego dnia po konfrontacji z samcami nie opuszczały terenu przyszłego gniazda. Co więcej, takie postępowanie samic skłaniało samce do zbierania i dostarczania materiału budulcowego. Czynności tej nie wykonywały samce kastrowane, podejmowały ją dopiero po iniekcjach testosteronu (Martinez-Vargas i Erickson, 1973). Wyniki te wskazują, że czynnościami budowlanymi zarówno samicy, jak samca sterują hormony płciowe. W synchronizacji tych czynności odgrywa rolę czynnik socjalny - wzajemne oddziaływanie między partnerami za pomocą specyficznych form behawioralnych. Podobna synchronizacja działań obojga partnerów występuje także na dalszych etapach rozrodu. U wielu gatunków ptaków (jak mewa trojpalczasta Rissa tridactyla) oboje rodzice wysiadują jaja, a następnie karmią potomstwo. Do osiągnięcia pożądanego efektu konieczna jest więc precyzyjna koordynacja ich wysiłku (Erickson, 1978). Wybór partnera seksualnego ; .-, . • Korzyścią, jaką zwierzę odnosi z czynności rozrodczych, jest przekazanie swych genów potomstwu. Z rozrodem związane są pewne koszty, na które składa się wytworzenie gamet, ciąża i poród, karmienie i opieka nad potomstwem. Ponieważ opieka ta na pewien czas oddala możliwość kolejnego zapłodnienia i wydanie następnego potomstwa, ekonomika rozrodu wymaga, aby potomstwo urodziło się zdrowe, płodne i aby jak największa jego liczba osiągnęła dojrzałość płciową. Zazwyczaj większym kosztem rozrodu obarczona jest samica i ona też ponosi większe straty w przypadku nieefektywnego zapłodnienia. Koszty, jakie ponosi samiec, są znacznie mniejsze, zwłaszcza gdy w danym cyklu rozrodczym może on zapłodnić kilka samic. Dlatego strategia rozrodu spotykana u większości gatunków niejako uprzywilejowuje samicę pod względem możliwości wyboru kandydata na ojca swego potomstwa, natomiast zmusza samce do ubiegania się o względy samicy czy wręcz do walk o samicę. Udział samca w kosztach rozrodu jest większy u niektórych gatunków ptaków, u których oboje rodzice, pozostając w związku monogamicznym, razem wychowują potomstwo. I tu jednak zdecydowanie większy koszt ponosi samica, choćby dlatego, że masa pojedynczego jaja stanowi 15-20% ogólnej masy jej ciała. Wraz z większym kosztem rozrodu również konsekwencje kopulacji z nie- właściwym partnerem są większe u samicy niż u samca. Gdy samiec jest bezpłodny, samica traci jeden cykl jajnikowy przed następnym możliwym 460 zapłodnieniem. Natomiast dla samca zmiana niewłaściwej partnerki jest kwestią niedługiego tylko czasu. W ewolucji behawioru seksualnego wykształciła się reguła, zgodnie z którą samiec ubiega się o samicę „reklamując" swe walory w formie zalotów, samica zaś wybiera partnera spośród zainteresowanych nią „zalotników". Mniej wartoś- ciowe samce są również eliminowane w toku walk godowych. Gatunkowe mechanizmy izolacyjne Mechanizmy ewolucyjne doprowadziły do znacznego ułatwienia procesów rozrodu w obrębie gatunku, natomiast stworzyły skuteczne przeszkody (bariery rozrodcze) dla krzyżowania się osobników o różnej przynależności gatunkowej. Istnieją gatunki tak blisko spokrewnione, że z krzyżowań między nimi rodzą się sprawne, płodne mieszańce. Na przykład jeleń europejski (Cervus elaphus) krzyżuje się z jeleniem kanadyjskim (Cervus canadensis), praktycznie nie jest to jednak możliwe, ponieważ oba te gatunki zamieszkują odrębne rejony świata. Inne bariery rozrodcze występują u gatunków żyjących na tym samym terenie, których przedstawiciele niemal codziennie się ze sobą spotykają. Mogą one polegać na niemożności zapłodnienia jaja przez obcogatunkowy plemnik, na poronieniu zarodka w różnych stadiach jego rozwoju czy też na urodzeniu bezpłodnego mieszańca. Bariery te są jednak nieekonomiczne. Samica traci niepotrzebnie czas i energię na nieefektywną ciążę albo rodzi potomstwo niezdolne do dalszego rozmnażania się. Bariery bardziej „racjonalne" z punktu widzenia ekonomiki reprodukcji polegają na niekompatybilności anatomicznej lub funkcjonalnej potencjalnych partnerów różnogatunkowych. Niekompatybilność anatomiczna może polegać na takiej budowie narządów płciowych samców i samic, że kopulacja jest fizycznie niemożliwa. Bardzo subtelną niekompatybilność funkcjonalną stwierdzono u muszek z rodzaju Drosophila. Zachowanie seksualne samców tych owadów składa się z następujących etapów: najpierw samiec zwraca się ku samicy, potem wydaje dźwięk wibrując skrzydełkami, liże narządy płciowe samicy i czyni próby kopulacji. Dźwięk skrzydełek pełni funkcję „pieśni godowej" i wywołuje u samicy reakcję behawioralną polegającą na przybraniu odpowiedniej pozycji ciała. Bez tego nie jest możliwa intromisja prącia. Ewing (1969) wykazał, że geny sterujące wzorcem „pieśni godowej" znajdują się na chromosomie płciowym X. Prawdopodobnie te same geny występują u samicy i sterują, odmiennie niż u samca, odbiorem pieśni. Wzorzec pieśni jest gatunkowo swoisty. W badaniach przeprowadzonych na dwu gatunkach muszek, Drosophila pseudoobscura i Drosophila persimilis, wykazano, że samice każdego z gatunków reagują tylko na pieśń samców tego samego gatunku, pozostają zaś obojętne na wzorzec pieśni drugiego gatunku. Rola wpajania (imprinting) Zdolność rozpoznawania cech własnego gatunku jest nabyta wskutek uczenia się percepcyjnego, nazwanego wpajaniem (imprinting). Oprócz wpajania afiliacyjnego, w wyniku którego kształtuje się „poczucie" przynależności gatunkowej, rozróżnia 461 I się wpajanie seksualne. Dzięki niemu zwierzę na pewnym etapie rozwoju przyswaja sobie pewne cechy, które w przyszłości będzie preferować przy wyborze partnera seksualnego. Wzorzec partnera zakodowany w młodości w układzie nerwowym zostaje wykorzystany dopiero w okresie dojrzałości płciowej zwierzęcia. Na znaczenie wpajania seksualnego w takim właśnie ujęciu wskazują wyniki wielu badań. Harris (1970) wkładał zapłodnione jaja jednego gatunku mew do gniazd zajmowanych przez mewy bliskiego, lecz innego gatunku. Pisklęta były obrączkowane i po osiągnięciu dojrzałości obserwowane pod względem behawioru seksualnego. Tak wychowane mewy wykazywały preferencję seksualną wobec osobników nie swego gatunku, lecz gatunku, wśród którego się wychowały. Nie brakło jednak obserwacji świadczących o wrodzonym charakterze „poczucia" przynależności gatunkowej. Kurczęta wykluwane w inkubatorach nabywają reakcję podążania za obsługującym je człowiekiem. Jednak spośród prezentowanych im głosów różnych ptaków preferują gdakanie kur, których nigdy nie widziały (Gottlieb, 1987). Wskazywano także, że wpajanie seksualne jest dłuższym procesem, na który mają wpływ różne czynniki zewnętrze, a także stan wewnętrzny organizmu. U niektórych gatunków ptaków wpływ wczesnych bodźców socjalnych jest wyrażony słabo. Na przykład samice kaczki krzyżówki wy- chowywane w środowisku innego gatunku kaczek wybierają za partnerów seksualnych samców własnego gatunku, a dopiero po iniekcji testosteronu przenoszą wybór na gatunek, z którym stykały się po wykluciu (Schutz, 1975). Świadczy to o tym, że ukryty efekt wpajania seksualnego może się ujawnić pod wpływem hormonów. Wpajanie seksualne polega nie tylko na przyswajaniu sobie cech partnera preferowanego, lecz także partnera odrzucanego. Zwierzęta wielu gatunków nie wykazują preferencji wobec osobników, najczęściej braci lub sióstr, z którymi wychowywały się przed osiągnięciem dojrzałości płciowej. Dobór partnerów seksualnych ma wpływ na zdolności adaptacyjne potomstwa. Gdy do rozrodu dobierają się osobniki o podobnym genotypie, w pewnym stopniu spokrewnione, należące do populacji o ustabilizowanej puli genowej, ich potomstwo będzie dysponować cechami fenotypowymi korzystnymi dla przeżycia w danym środowisku. Jednak gdy ujawnią się ujemne skutki inbredu albo gdy zmiany środowiska spowodują nową presję selekcyjną, korzystniejszy może się okazać outbred, czyli dobór partnerów genotypowo różnych. Wśród ich potomstwa znajdą się bowiem osobniki lepiej przystosowane do nowych warunków i te będą miały większe szansę przeżycia i rozrodu. : Wpajanie seksualne u ludzi polega na odrzucaniu jako partnerów seksualnych osób, z którymi człowiek wychowywał się w krytycznym okresie dzieciństwa (tj. w wieku 5-6 lat). W warunkach wychowania rodzinnego ten rodzaj wpajania dotyczy rodzeństwa, również przyrodniego, ale może się rozciągać na osoby spoza bliskiej rodziny. Badania wykonane w izraelskich kibucach wykazały, że dzieci z różnych rodzin, wspólnie wychowywane, później rzadko zawierają między sobą związki małżeńskie i wybierają zupełnie obcych partnerów. Wpajanie (imprinting) może być biologicznym podłożem zakazu incestu, czyli kazirodczych stosunków płciowych, który eliminuje niekorzystne skutki inbredu. 462 Wewnątrzgatunkowe preferencje seksualne - « Aby wydać potomstwo o dobrych walorach adaptatywnych, samica musi wybrać samca o odpowiednim genotypie. Z kolei samiec, aby przekazać swe geny potomstwu (czyli osiągnąć sukces rozrodczy), dąży do zapłodnienia jak największej liczby samic. W jakim stopniu cel ten zostanie osiągnięty, zależy od atrakcyjności samca, a u gatunków poligamicznych również od tego, czy zwycięży on w konkurencji z innymi samcami. W ten sposób dobór płciowy wraz z doborem naturalnym zwiększają zdolności adaptacyjne zwierząt należących do danej populacji. Dobór płciowy doprowadził do wykształcenia się cech morfologicznych i behawioralnych ułatwiających samcowi przyciągnięcie lub zdobycie samicy. Należy do nich m.in. upierzenie ptaków, rozwinięte poroże u jeleniowatych, rozbudowany „zrytualizowany" behawior zwany zalotami czy też niezbędne do walki duże rozmiary ciała i siła mięśniowa. Walki godowe ; Walki godowe są rodzajem zachowania agonistycznego wewnątrzgatunkowego. Ich celem jest bezpośrednie odpędzenie rywala i zdobycie samicy. U jelenia Cervus elaphus ruja występuje sezonowo pod koniec września i w październiku. W okresie tym, zwanym rykowiskiem, jelenie wydają dźwięki (ryki) zwabiające samice, a także samce, między którymi dochodzi do zaciętych, często spektakularnych walk godowych. W walkach tych zwyciężają osobniki starsze i większe, mające największe rogi. Tylko tym udaje się „skompletować" harem złożony z kilku łań. Samce większości gatunków jeleni mają rozwinięte poroże, utworzone przez kostne wyrostki czaszki. Wzrost, rogowacenie i zrzucanie poroża odbywa się w cyklu rocznym, sterowanym przez światło, a właściwie przez zmieniający się wraz z porami roku stosunek jasnej do ciemnej pory doby. Wzrost poroża jest stymulowany przez testosteron. Rogami posługują się jelenie w walkach godowych, są one także bodźcem przyciągającym łanie w rui. W porze roku, w której jelenie żyją w stadach samczych oddzielnie od samic, rogi służą do ustalania hierarchii w stadzie. Samiec ze słabo rozwiniętymi rogami nigdy nie osiągnie wysokiej pozycji społecznej i ma znikome szansę na zdobycie samicy. Gatunki jeleni o małych rogach są mniejsze, nie tworzą haremów i przeważnie pozostają w związkach monogamicznych. Rola terytorializmu w osiąganiu sukcesu rozrodczego Samiec może zdobyć samicę bez walk godowych, zająwszy wcześniej terytorium preferowane przez nią ze względu na obfitość pokarmu lub korzystne dla rozrodu warunki klimatyczne. W tym przypadku terytorializm można traktować jako element behawioru seksualnego. Samce niektórych gatunków ptaków skupiają się na terenie, na którym znajdują się miejsca ekologicznie bardziej i mniej korzystne. Samica kolejno odwiedza poszczególne miejsca i wybiera samca, który zajął najlepszy teren. Terytorializm rozrodczy występuje również u samic. Samice nornicy rudej (Clethrionomys glareolus) nie dojrzewają płciowo, jeśli nie zdobędą terytorium. 463 \ Współdziałanie samców w ubieganiu się o samicę Niekiedy potencjalni rywale łączą swe wysiłki w celu przyciągnięcia samicy. Wykazano, że głosy cietrzewi i ich popisy są dostrzegane z większej odległości, gdy pochodzą od kilku osobników, dlatego mogą być łatwiej zauważone przez samicę. Współdziałanie samców nie wyklucza późniejszej walki, gdy zwabiona samica znajdzie się w bezpośrednim zasięgu konkurentów. Interesującym zagadnieniem jest synchronizacja działań kilku samców. U żab, gromadzących się na okres godowy w stawach, jest to osiągane dzięki tzw. torowaniu socjalnemu (social facilitatioń), opartemu na dodatnim sprzężeniu zwrotnym. Gdy jeden samiec wydaje dźwięki, odpowiada mu drugi, dźwięki drugiego aktywują następnego i tak coraz więcej osobników zostaje wciągniętych do współpracy. Niezwykłość i nowość jako preferowane cechy partnera * ' Samice niekiedy preferują samców o cechach rzadko występujących w populacji, wyraźnie odbiegających wyglądem od ogółu osobników. Na przykład w warunkach doświadczalnych samice muszki Drosophila pseudoobscura wybierają samców o pomarańczowych oczach, gdy ogół osobników ma oczy czerwone, i odwrotnie (Ehrman, 1970). Mechanizm ten, zwany „efektem niezwykłego samca", ma ważne znaczenie biologiczne. Samiec wyróżniający się wyglądem jest jednocześnie posiadaczem rzadko występującego genotypu, jego sukces rozrodczy zwiększa zmienność genetyczną populacji. U gatunków o poligamicznym systemie rozrodu samiec ma tym większe szansę przekazania swych genów potomstwu, im więcej samic zapłodni. Wielokrotne kopulacje z tą samą samicą są zatem reprodukcyjnie nieefektywne, a niekiedy wręcz utrudniają transport nasienia z poprzedniej ejakulacji w drogach rodnych samicy. Przeciwdziała temu tendencja samców wielu gatunków do przenoszenia swego behawioru seksualnego na nowe partnerki. Zjawisko to, znane jako tzw. efekt Coolidge'a, zostało wykazane w warunkach doświadczalnych. Szczury wykazują większą aktywność seksualną, gdy po każdej ejakulacji udostępnia im się nową samicę, niż gdy kopulują stale z tą samą. Doświadczony seksualnie szczur woli zapach nowej samicy od zapachu samic, z którymi poprzednio kopulował (Carr i wsp., 1970). Rola hormonów w regulacji popędu płciowego u zwierząt W zachowaniu seksualnym samic małp rozróżnia się trzy składowe: atrakcyjność, proceptywność i receptywność. O atrakcyjności samicy decydują jej walory jako partnerki seksualnej. Im bardziej atrakcyjna jest samica, tym więcej wspinań będzie wykonywał na nią samiec spontanicznie lub na jej zaproszenie. Proceptyw- nością nazywa się czynny „inicjujący" behawior seksualny samicy. Trzecia składowa, receptywność, wyraża się skłonnością samicy do przyjęcia ubiegającego się o jej względy samca. Opracowano wiele metod służących ilościowej ocenie tych składowych. Na przykład atrakcyjność samicy ocenia się na podstawie skuteczności „zapraszających" gestów samicy, czyli liczby „zaproszeń", na które samiec zareagował pozytywnie spośród ogólnej liczby „zaproszeń". Z kolei miarą 464 receptywności jest stosunek liczby wspinań skutecznych, tj. przyjętych przez samicę, do ogółu usiłowań zrealizowania tego przez samca. Wykorzystywane są też metody oparte na warunkowaniu instrumentalnym. Na przykład atrakcyjność samicy mierzy się intensywnością naciskania przez samca na dźwignię w celu uzyskania dostępu do partnerki (Herbert, 1978). W celu zbadania roli hormonów płciowych w żeńskim behawiorze seksualnym małpom rezusom (Macaca mulatta) usuwano jajniki, a następnie zwierzęta poddawano terapii hormonalnej. Kastrowana samica rezusa niewiele interesuje samca. Atrakcyjność jej zostaje przywrócona dopiero po iniekcjach estradiolu. Efektu tego nie uzyskiwano, gdy wraz z estradiolem wstrzykiwano małpom progesteron. Pozytywny wpływ estradiolu na atrakcyjność samicy występuje również po wprowadzeniu tego hormonu miejscowo do pochwy. Stwierdzono, że estradiol powoduje wytwarzanie przez błonę śluzową pochwy substancji o charak- terze feromonów, wyzwalających zachowanie seksualne samca (Michael i Saayman, 1968). Odwrotny wpływ wywiera progesteron, który hamuje wytwarzanie tych związków, a zatem działa antagonistycznie względem estradiolu (Michael i Welegal- la, 1968; Michael i wsp., 1968). Powyższe obserwacje dodatkowo dowodzą, że w behawiorze seksualnym naczelnych mimo słabego rozwoju narządu powonienia odgrywają rolę, jak u wielu ssaków niższych, bodźce węchowe. Aktywność samicy małpy rezusa względem samca (proceptywność) zależy od androgenów wytwarzanych przez korę nadnerczy. Samice, którym wstrzyknięto testosteron, wykazują więcej gestów „zapraszających" samca do kopulacji, a badane metodą warunkowania instrumentalnego naciskają na dźwignię z większe inten- sywnością, aby uzyskać dostęp do samca. Zachowanie to nie występuje u samic, którym usunięto nadnercza, zostaje jednak przywrócone po iniekcji testosteronu. Ponieważ ten sam efekt uzyskiwano po mikroiniekcji testosteronu do przedniej części podwzgórza, można sądzić, że wpływ testosteronu na zachowanie seksualne samicy zależy od działania tego hormonu na specjalne ośrodki w mózgu. Interesujące, że wymienione zabiegi wywierały stosunkowo mały wpływ na receptywność samic. Okazała się ona zmniejszona o około 25% po adrenalektomii, natomiast usunięcie jajników miało stosunkowo niewielki skutek (Everitt i wsp., 1972; Everitt i Herbert, 1975). ..;;....;;; - ; ,,: : v. Obserwacje behawioralne wykazały, że samice rezusa kopulują w fazie pęcherzykowej (folikularnej) cyklu i w dniach odpowiadających owulacji, natomiast liczba ich kontaktów płciowych w fazie lutealnej jest znikoma. Ten wzorzec aktywności seksualnej jest zgodny z uwalnianiem hormonów w poszczególnych fazach cyklu. W fazie folikularnej zwiększa się stężenie estradiolu i testosteronu we krwi, małe jest natomiast stężenie progesteronu. Taki profil hormonalny jest korzystny dla atrakcyjności, a zarazem aktywności seksualnej samicy. Najkorzys- tniejsze warunki występują w środku cyklu, tj. w okresie owulacji, kiedy stężenie estradiolu i testosteronu osiąga wartość szczytową. Natomiast niekorzystne warunki dla obu składowych występują w fazie lutealnej wskutek zwiększonego wydzielania progesteronu, przy jednocześnie zmniejszonym wydzielaniu testosteronu. Nie trzeba dowodzić, że szansę zapłodnienia przy takim wzorcu czasowym zachowania seksualnego są największe (Herbert, 1978). 19. Uczenie się i warunkowanie odanie uniwersalnej definicji uczenia się nie jest łatwe. Terminem tym można określić tak odległe zjawiska, jak aktywne zdobywanie wiedzy przez człowieka i nabywanie prostej formy reagowania na bodźce przez zwierzę. Stąd inne jest podejście do problematyki uczenia się psychologa, pedagoga (który skłonny jest wiązać ten proces z wychowaniem) czy też biologa. Ostatnio pojęcie uczenia się zostało rozszerzone na zjawiska, które powstają w sieciach nerwowych czy nawet w pojedynczych neuronach w wyniku powtarzanego drażnienia tych elementów prądem elektrycznym i polegają na trwałym zwiększeniu zdolności synaps do przekazywania stanów czyn- nościowych. Pojęcie uczenia się Według Włodarskiego (1996) za uczenie się można uważać „proces prowadzący do zmian w zachowaniu osobnika, które nie zależą wyłącznie od funkcji jego receptorów i efektorów, zachodzą na podstawie indywidualnego doświadczenia i jeżeli nie odznaczają się trwałością, to zawsze polegają na występowaniu elementów nowych w porówaniu z poprzedzającym je zachowaniem". Definicja ta może mieć zastosowanie również w naukach biologicznych, które ujmują uczenie się jako proces poznawczy, w wyniku którego dochodzi do powstawania nowych lub modyfikacji istniejących elementów zachowania zwierzęcia. Z problematyką uczenia się wiąże się problematyka pamięci. W zasadzie można by powiedzieć, że uczenie się jest procesem, w wyniku którego powstają zmiany w układzie nerwowym nazywane śladami pamięciowymi (engramami), a pamięć jest zdolnością organizmu do przechowywania tych śladów i wykorzys- tywania ich później w innych okolicznościach. W praktyce jednak często trudno jest całkowicie oddzielić pamięć od uczenia się. Na przykład w pierwszej fazie wielu testów opracowanych do eksperymentalnego badania pamięci ludzie i zwie- rzęta najpierw muszą nauczyć się konfiguracji bodźców, asocjacji czy procedur, a dopiero później jest sprawdzana trwałość wytworzonych engramów. 466 Nowoczesne podejście do mechanizmów uczenia się i pamięci zapoczątkował Hermami Ebbinghaus, który wykonywał badania nad uczeniem się na jednym tylko osobniku - sobie samym i wyniki opublikował w 1885 r. w pracy Uber das Geddchtnis (O pamięci). Eksperyment polegał na uczeniu się serii arbitralnie dobranych krótkich wyrazów i sylab do momentu, gdy mógł je bezbłędnie powtórzyć dwa razy. Następnie powtarzał wyuczony ciąg po różnych odstępach czasu i mierzył czas potrzebny do ponownego opanowania materiału. Inny eksperyment polegał na codziennym powtarzaniu materiału i sprawdzaniu, ile powtórzeń było koniecznych do bezbłędnego odtworzenia go. Okazało się, że liczba koniecznych powtórzeń była największa w pierwszym dniu, a następnie zmniejszała się w następnych dniach. W ten sposób Ebbinghaus zapoczątkował sposób oceny konsolidacji śladu pamięciowego za pomocą krzywych uczenia się. Rodzaje uczenia się u zwierząt ? *. ?.:?-!:?? •- Klasyfikację rodzajów i form uczenia się można przeprowadzić według najroz- maitszych kryteriów. Badacze biologicznego podłoża tego procesu u zwierząt zazwyczaj wyróżniają uczenie się percepcyjne i asocjacyjne. Podział ten jest usprawiedliwiony zarówno odmienną metodyką badania obu rodzajów, jak też innym zaangażowaniem struktur mózgowych w kodowanie śladów pamięciowych spostrzeżeń i asocjacji. Uczenie się percepcyjne , Uczenie się percepcyjne polega na zapoznawaniu się z cechami przedmiotów (barwa, kształt), z topografią środowiska i cechami innych osobników jedynie na podstawie informacji sensorycznej. Skutkiem uczenia się percepcyjnego jest pamięć rozpoznawcza, czyli zdolność rozpoznawania uprzednio widzianych bodźców. Przypuszcza się, że w wyniku tego rodzaju uczenia się neurony, głównie w obszarach asocjacyjnych kory, tworzą zespoły rozpoznające dany bodziec. Neurony o takich właściwościach zostały nazwane przez Konorskiego (1969) jednostkami gnostycznymi. Wskutek uczenia się percepcyjnego zestawy bodźców reprezentujące obiekty mogą być traktowane przez organizm jako wzorce i wówczas wywołują jednorodne spostrzeżenia o cechach całościowych, a więc działają jako postać (Gestalf). Na przykład wzorcowy charakter u zwierząt i ludzi ma znajomość topografii terenu, w którym żyją, a u naczelnych wizerunki twarzy innych osobników. Rodzajami uczenia się percepcyjnego są uczenie się utajone i wpajanie (imprinting). ?;.r;i> o Uczenie się utajone W eksperymentach wykonanych w pracowni Edwarda C. Tolmana (1949/1995) stwierdzono, że szczury, którym umożliwiono „zwiedzenie" labiryntu bez stoso- wania żadnej nagrody, szybciej uczyły się później znajdować w nim pokarm niż 467 inne szczury, nie znające labiryntu. Wynik tego doświadczenia można wyjaśnić w taki sposób, że w neuronach hipokampa szczura zostaje zakodowana topo- graficzna mapa korytarzy labiryntu (O'Keefe i Ostrovsky, 1971). Dodatkową informacją może być impulsacja z receptorów narządu ruchu (proprioceptorów), powstająca przy skrętach ciała podczas zmian kierunku poruszania się w labiryncie. Ślady pamięciowe tych bodźców oraz reprezentacja przestrzeni zakodowana w hipokampie umożliwiają zwierzęciu szybkie nauczenie się najkrótszej drogi do miejsca pokarmu. , ??.... Wpajanie (imprinting) Według Konrada Z. Lorenza wpajanie jest to szybkie uczenie się, w wyniku którego młody osobnik nabywa szczególną formę zachowania podążania za matką. Decydującą rolę odgrywają tu właściwości fizyczne wpajanego obiektu. Dlatego w warunkach doświadczalnych takim obiektem może być przedmiot zastępczy, na przykład atrapa o cechach matki, zwłaszcza podobnie ubarwiona. W szczególnych sytuacjach surogatem matki może być sam eksperymentator, z którym zwierzę miało kontakt w pewnym okresie swojego życia. Wpajanie, szczególnie demonst- ratywne u ptaków, obserwowano również u ssaków. Wpajanie wywiera wpływ na całe przyszłe życie zwierzęcia. Na przykład ptak śpiewający, który we właściwym czasie nie doznał wpajania, nie jest w stanie później nauczyć się śpiewu. Wpajanie cechuje się następującymi właściwościami: 1. Jest to uczenie się bez wzmocnienia - niezbędnego czynnika w powstawaniu odruchów warunkowych. 2. Zachodzi w pewnym krytycznym okresie życia. 3. Do jego dokonania wystarczy krótkotrwały kontakt osobnika z przedmiotem. 4. Jego skutek jest trwały i nieodwracalny. u:t,\ Przedstawione wyżej wpajanie, zwane afiliacyjnym, przejawia się u piskląt kaczek, gęsi i kurcząt podążaniem za pierwszym spostrzeżonym poruszającym się obiektem. Proces ten zachodzi najefektywniej między 13.00 a 16.00 godziną po wykluciu. W jego wyniku pisklę będzie podążać tylko za tym obiektem. Zjawisko to dokładnie badali Bateson i Horn (1994), którzy wykazali, że kurczę wyraźnie odróżnia taki obiekt ćwierkając na jego widok i zbliżając się do niego, natomiast wyraźnie unika, a nawet oddala się od innych przedmiotów. W zaproponowanym modelu wpajania uwzględniają zatem trzy elementy: 1) rozpoznanie obiektu, wobec którego wytworzono wpajanie, 2) odróżnianie innych, poznawanych później obiektów i 3) ruchową reakcję podążania za obiektem preferowanym. Wpajanie afiliacyjne występuje również u ssaków, choć krytyczny okres jest u nich dłuższy i wynosi do kilkunastu tygodni. Występuje także u człowieka. Wpajanie tonów serca matki w życiu płodowym ma powodować, że noworodek trzymany przez matkę uspokaja się słysząc bicie jej serca. Oprócz wpajania afiliacyjnego wyróżnia się wpajanie seksualne, dotyczące gatunkowych cech osobnika drugiej płci, a także wpajanie topograficzne, utrwalające wygląd ojczystego terenu. Ma być ono szczególnie rozwinięte u gatunków filopatrycznych (przywiązanych do miejsca urodzenia). Niektórzy nadają wpajaniu 468 znaczenie znacznie szersze, traktując je jako ważny czynnik w ustalaniu więzi rodzinnych i socjalnych, także u człowieka. Doświadczenia wykonane przez badaczy z laboratorium Gabriela Horna w latach 1971-1999 wykazały, że podczas wpajania dochodzi do zmian mor- fologicznych i biochemicznych w strukturze przodomózgowia zwanej hyper- striatum ventrale24. U kurcząt w pierwszym dniu po wykluciu wytwarzano reakcję podążania za obracającym się dyskiem, za migającym światłem albo za atrapą matki. Pisklęta, u których uszkodzono hyperstriatum ventrale, nie wykazywały preferencji do tego bodźca, podczas gdy uszkodzenia sąsiednich części mózgu nie zakłócały podążania. Dokładniejsze badania wykazały, że podczas wpajania nasila się ekspresja genu c-fos w komórkach części przy- środkowej i pośredniej lewego hyperstriatum ventrale (Ambalavanar i wsp., 1999; Brown i Horn, 1990; Horn, 1998; Horn i wsp., 1979; Johnson i Horn, 1987). Świadczy to o tym, że w strukturze tej podczas wpajania dochodzi do nasilenia procesów przemiany materii, prowadzących do strukturalnej i funk- cjonalnej przebudowy neuronów. Jak wykazano w badaniach przy użyciu mi- kroskopu elektronowego, powoduje to 20-procentowy wzrost liczby aktywnych synaps w tej części mózgu. Wszystkie te zmiany mogą odzwierciedlać po- wstawanie śladu pamięciowego bodźca wywołującego u ptaka reakcję podążania. Uczenie się asocjacyjne Uczenie się asocjacyjne polega na tworzeniu związków (asocjacji) między bodźcami (np. między bodźcem warunkowym i bezwarunkowym w warunkowaniu klasycz- nym, między różnymi cechami przedmiotu, takimi jak kształt i barwa) oraz między bodźcem i reakcją. Uczenie to może się odbywać metodą prób i błędów, przez wgląd i przez naśladowanie. Uczenie się metodą prób i błędów Metoda prób i błędów jest najczęściej stosowanym sposobem wytwarzania instrumentalnych odruchów warunkowych. Uczenie się polega tu na eliminowaniu ruchów, które kilkakrotnie wykonane okazały się nieskuteczne, utrwalaniu zaś tych, które prowadzą do właściwego efektu - osiągnięcia nagrody lub uniknięcia bodźca awersyjnego. Podobną strategię stosują w warunkach naturalnych zwierzęta przy rozwiązywaniu nowych, nieoczekiwanych zadań. Gdy zwierzę znajdzie się w miejscu, z którego wydostanie się jest trudne, wykonuje zazwyczaj różne działania, aż jedna przypadkowa czynność doprowadza je do uwolnienia. Znalazłszy się ponownie w podobnej sytuacji zwierzę przystąpi do wykonywania tej właśnie czynności. 24 Hyperstriatum ventrale odpowiada pod względem funkcjonalnym obszarowi asocjacyjnemu kory mózgu u ssaków. Jest to zatem struktura predestynowana do kodowania śladów pamięciowych. Nie wiadomo jednak, w jakim stopniu obserwowane zmiany były swoiste dla wpajania. Inni bowiem badacze wykazali, że ta sama okolica jest zaangażowana w inne formy uczenia się, polegające np. na unikaniu niesmacznego ziarna. ,. ....,„?. ., » - 469 #u \ Uczenie się przez wgląd (insight) Wgląd polega na nagłym przeorganizowaniu uprzedniego doświadczenia i przenie- sieniu go na aktualną sytuację. Istotą wglądu jest znalezienie wspólnych elementów występujących w nowej i poprzednich sytuacjach, a nawet porównanie ich ze wzorcem zakodowanym genetycznie. Uczenie się przez wgląd jest bardziej ekonomiczne niż metoda prób i błędów, ponieważ eliminuje działania przypadkowe i promuje czynności najłatwiej prowadzące do celu. Gdy cel zostaje osiągnięty, poprzedzające ten moment zachowanie zostaje wzmocnione i utrwalone. > i Uczenie się przez wgląd było przedmiotem szczególnego zainteresowania zwolenników kierunku zwanego psychologią postaci. Dopatrywali się oni w tym uczeniu przejawów całościowego opanowywania przez zwierzę elementów danej sytuacji. W eksperymencie przeprowadzonym przez Wolfganga Kóhlera (1925), głównego przedstawiciela tego kierunku, dawano małpom do rozwiązania dwa problemy: posługiwania się skrzynką i kijem. W pierwszym przypadku zwierzę, aby zdobyć zawieszony wysoko banan, musiało podstawić skrzynkę albo nawet posłużyć się kilkoma skrzynkami, stawiając jedną na drugiej. W drugim przypadku dawano małpie kij, którym mogła przyciągnąć banan znajdujący się poza zasięgiem klatki. W innej wersji małpa miała do dyspozycji dwa krótkie kije, które trzeba było połączyć, aby takim przyborem sięgnąć po nagrodę. Zachowania oparte na wglądzie występują nie tylko u naczelnych. Inne zwierzęta stosują ten sposób zwłaszcza przy obchodzeniu przeszkody. Uczenie się przez naśladowanie Naśladowaniem nazywa się wykonywanie przez osobnika nowych działań, podobnych do zaobserwowanych aktualnie lub wcześniej u innych osobników. Przejęcie cudzego zachowania i przejawianie go później bez obserwowania wzoru nazywa się uczeniem przez naśladowanie. W warunkach laboratoryjnych kot, który obserwuje innego kota wykonującego zadanie uwieńczone zdobyciem pokarmu, opanowuje później to zadanie łatwiej niż inny kot, któremu nie dano możliwości takiej obserwacji. Uczenie się przez naśladowanie jest podstawą „kulturowego" przekazywania informacji, występującego u człowieka, lecz opisanego też u szympasów, a nawet u sikorek. > Habituacja "T ;..?.-->> i Habituacją nazywa się stopniowe zmniejszanie się i zanik reakcji na często powtarzający się bodziec, po którym nie następuje ważne wydarzenie. Habituacja zabezpiecza organizm przed zbędnym reagowaniem na nieistotne bodźce. Ponieważ każdy nieoczekiwany bodziec może sygnalizować zagrożenie, zwierzę reaguje nań reakcją orientacyjną, reakcją wzdrygnięcia, ucieczką lub znieruchomieniem. Gdy jednak ten bodziec - często się powtarzając - okazuje się bez znaczenia, reakcje te wygasają. W badaniach laboratoryjnych habituacji najczęściej obserwuje się reakcję wzdrygnięcia i odruch orientacyjny. Reakcja wzdrygnięcia u szczura polega na 470 nagłym ruchu całego ciała i przybraniu charakterystycznej pozycji (tzw. przycup- nięcia) na nagły silny bodziec, najczęściej akustyczny. W warunkach naturalnych reakcja wzdrygnięcia bywa przygotowaniem do ataku agresywnego, a także do obrony przed atakiem napastnika. Odruch orientacyjny jest reakcją na nowy bodziec; wyraża się znieruchomie- niem, zwolnieniem czynności oddechowej i częstości skurczów serca. Często przechodzi w odruch celowniczy, polegający na zwrocie głowy, a nawet całego ciała w celu jak najlepszego odbioru tego bodźca. Odruch orientacyjny zmniejsza się w miarę powtarzania bodźca, czyli ulega habituacji, aż zwierzę przestaje nań reagować. . .,. ; Mechanizm fizjologiczny habituacji próbują wyjaśnić trzy teorie. Teoria Hernandeza-Peona (1960) wiąże habituację z zanikiem reakcji wzbu- dzenia na powtarzający się bodziec. Początkowo żywa reakcja, której towarzyszy desynchronizacja czynności bioelektrycznej mózgu, zmniejsza się i zanika, gdy bodziec ten pojawia się wielokrotnie, nie powodując istotnych dla organizmu konsekwencji, w elektroencefalogramie zaś mogą się pojawić fale wolne. Układ siatkowaty wywiera wówczas wpływ hamujący, za pośrednictwem dróg zstępują- cych, na transmisję impulsów w ośrodkach czuciowych rdzenia kręgowego. Zgodnie z poglądem Sokołowa (1960), również uwzględniającym rolę układu siatkowatego, ślady bodźców są czasowo przechowywane w obszarach asocjacyj- nych kory mózgu. Ślad aktualnego bodźca jest najpierw porównywany ze śladami już istniejącymi. Gdy w rejestrze znajduje się ślad bodźca podobnego, bodziec aktualny nie wywołuje reakcji. Natomiast w przypadku braku śladu zwierzę reaguje na bodziec żywą reakcją orientacyjną. Rolę komparatora śladów odgrywa hipokamp, który zależnie od stwierdzonej zgodności czy niezgodności odpowiednio hamuje lub pobudza układ siatkowaty. Wagner i wsp. (1968) wyróżniają habituację krótko- i długotrwałą. Habituacja krótkotrwała rozwija się przy krótkich przerwach między bodźcami. Jeśli w pamięci utrzymuje się jeszcze świeży ślad po poprzednim bodźcu, nadchodzący kolejny bodziec nie ma do niej dostępu, dlatego staje się nieskuteczny. Bodziec ten może jednak po pewnym czasie, na przykład nazajutrz, znów okazać się skuteczny, czyli ulec dyshabituacji. Habituacja długotrwała prowadzi do powstania asocjacji między bodźcem a tłem (kontekstem), w jakim jest on powtarzany bez istotnych dla organizmu konsekwencji. Siad tego bodźca jest wtedy kodowany w pamięci długotrwałej. Gdy organizm znajdzie się w sytuacji tej samej co poprzednio, ślad bodźca zostaje wydobyty z pamięci. Jeżeli w tym samym kontekście znów pojawi się ten bodziec, okaże się on nieskuteczny, ponieważ reakcja nań organizmu zostanie zahamowana przez jego aktywowany ślad. Habituacja odgrywa ważną rolę w życiu człowieka. Dzięki habituacji przestajemy reagować na bodźce nieistotne (np. nie słyszymy tykania zegara) i możemy skierować uwagę na odbiór potrzebnej nam informacji. Niekiedy jednak trzeba przeciwdziałać niekorzystnym skutkom habituacji, zwłaszcza gdy bodźce, mimo monotonnego powtarzania się, są dla nas ważne. Sytuacje takie występują na przykład podczas długotrwałej jazdy samochodem przez mało urozmaicony 471 teren. Pomocne mogą się wówczas okazać dodatkowe bodźce dystrakcyjne powodujące dyshabituację, jak słuchanie radia lub rozmowa z towarzyszami podróży. Odruchy warunkowe ; • ? Organizm zwierzęcy dysponuje bardzo dużą liczbą odruchów wrodzonych, odziedziczonych po przodkach. W odróżnieniu od tych odruchów znane są także odruchy nabyte, powstające w określonych warunkach w konfrontacji organizmu z bodźcami środowiska i dlatego nazywane odruchami warunkowymi. Zgodnie z tą terminologią, odruchy wrodzone i wywołujące je bodźce są odruchami i bodźcami bezwarunkowymi. Rozróżnia się odruchy warunkowe klasyczne i instrumentalne. Procedura ich wytwarzania nazywa się warunkowaniem. W warunkach laboratoryjnych klasyczne odruchy warunkowe powstają w wyniku wielokrotnego kojarzenia bodźca biologicznie obojętnego (dzwonka, światła lampki) z bodźcem bezwarun- kowym. Postępowanie to nazywa się wzmacnianiem bodźca warunkowego bodźcem bezwarunkowym. Bodziec obojętny nabiera wówczas cech bodźca warunkowego i wyzwala odruch warunkowy, który jest podobny do odruchu bezwarunkowego. W odruchu instrumentalnym zwierzę musi wykonać wyuczoną reakcję, tzw. instrumentalną, najczęściej ruchową, która jest wzmacniana bodźcem bezwarunkowym (np. podaniem pokarmu). Tak więc główna różnica między warunkowaniem klasycznym a instrumentalnym polega na tym, że w pierwszym jest wzmacniany bodziec warunkowy, a w drugim reakcja warunkowa. . . . Warunkowanie klasyczne Doświadczenia Pawłowa Obiektem badań Iwana P. Pawłowa był pies, a podstawową metodą badawczą był pomiar wydzielania śliny. W tym celu u zwierzęcia wykonywano prosty zabieg operacyjny, polegający na wyprowadzeniu na zewnątrz przewodu jednego z gru- czołów ślinowych (rys. 19.1). Ślina wydzielana przez ten gruczoł była zbierana do szklanego balonika przyklejonego do skóry policzka i połączonego z urządzeniem pomiarowym. Pies, przyzwyczajony do warunków doświadczenia, stał swobodnie na stojaku, lekko przytrzymywany szelkami. Spożywaniu przez zwierzę pokarmu towarzyszyło obfite wydzielanie śliny. Był to odruch bezwarunkowy wywołany pobudzeniem przez pokarm receptorów smakowych i dotykowych w jamie ustnej. Prowadząc badania nad trawieniem Pawłów zauważył, że ślina wydziela się nie tylko pod wpływem pokarmu znajdującego się w jamie ustnej, lecz także wówczas, gdy pokarm jest dopiero przez psa widziany. Widok pokarmu jest w tym przypadku bodźcem warunkowym, a wydzielanie śliny odruchem bezwarunkowym. Odruch na widok pokarmu jest nabyty i bardzo silnie utrwalony, ponieważ w ciągu całego życia pies chwytając i zjadając pokarm zazwyczaj go widzi. 472 Rys. 19.1. Badanie ślinowych odruchów warunkowych u psów. Balonik do zbierania Źródła śliny bodźców warunkowych Pomiar ślinienia Karmnik W toku dalszych badań okazało się, że bodźcem warunkowym wywołującym ślinienie może zostać jakikolwiek bodziec, niemający żadnego związku z pokarmem, ani też z jego widokiem. Aby powstał odruch warunkowy, bodziec ten musi być wielokrotnie kojarzony z bodźcem bezwarunkowym, tj. podawaniem pokarmu. W pracowni Pawiowa rutynowymi bodźcami warunkowymi były: dzwonek albo brzęczyk, stuk metronomu, światło, pokazywanie figur geometrycznych (koła lub elipsy), dotykanie skóry odpowiednim przyrządem. Do powstania odruchu warunkowego okazały się konieczne następujące warunki: 1. Bodziec obojętny, który ma się stać bodźcem warunkowym, musi działać jednocześnie z bodźcem bezwarunkowym. 2. Początek bodźca obojętnego musi poprzedzać początek bodźca bezwarun- kowego. Optymalny odstęp między początkami obu bodźców wynosi od 500 do 700 milisekund. 3. Po wytworzeniu odruchu warunkowego bodziec warunkowy musi być regu- larnie wzmacniany bodźcem bezwarunkowym zgodnie z powyższymi regułami. W badaniach nad odruchami warunkowymi brało udział liczne grono współpracowników Pawiowa. W toku tych badań zbadano wiele zjawisk związanych z warunkowaniem. Do najważniejszych należy wygasanie odruchów warunkowych i różnicowanie bodźców warunkowych. Jeżeli bodziec warunkowy stosuje się wielokrotnie bez wzmocnienia, tak że mimo jego włączenia pies nie otrzymuje pokarmu, to odruch warunkowy wygasa, tj. wydzielanie śliny na bodziec warunkowy ustaje. Nie jest to jednak równoznaczne z zanikiem odruchu warunkowego, gdyż odruch ten odnawia się już po jedno- razowym ponownym zastosowaniu wzmocnienia (podaniu pokarmu). Bezpośrednio po wytworzeniu odruchu warunkowego okazuje się, że wyzwala go nie tylko bodziec (np. ton niski), na który odruch ten został pierwotnie wytworzony, lecz także inne bodźce tej samej, a nawet innej modalności (np. tony wysokie albo też światło). Jeżeli po wytworzeniu tego odruchu wzmacnia się tylko 473 jeden określony bodziec (np. ton niski), a inny zbliżony do niego bodziec (np. ton wysoki) stosuje się bez wzmocnienia, po pewnym czasie dochodzi do różnicowania obu bodźców: na bodziec wzmacniany (zwany bodźcem dodatnim) wydziela się ślina, natomiast bodziec nie wzmacniany (zwany bodźcem ujemnym lub hamul- cowym, albo hamulcem warunkowym) nie wywołuje tej reakcji. Wygasanie odruchów warunkowych i różnicowanie bodźców warunkowych zaliczył Pawłów do hamowania wewnętrznego, zwanego warunkowym. Oprócz tego rozróżniał hamowanie zewnętrzne (bezwarunkowe). Hamowanie zewnętrzne powstaje wówczas, gdy podczas działania bodźca warunkowego włącza się inny bodziec, biologicznie obojętny; odruch warunkowy jest wtedy częściowo lub całkowicie zahamowany. Na przykład gdy u psa wytworzono odruch warunkowy na zapalenie lampki, ślinienie nie występuje lub jest zmniejszone, gdy bodziec warunkowy zastosowano wraz z bodźcem obojętnym, zwłaszcza nowym, na przykład z dzwonkiem (rys. 19.2). ; ;, Oprócz bezwarunkowego bodźca pokarmowego Pawłów stosował też dwa rodzaje bezwarunkowych bodźców awersyjnych: wlewanie do pyska psa słabego roztworu kwasu solnego i drażnienie kończyny tylnej prądem elektrycznym. / ,-.<•,., .; .r,. , |flys. 19.2. Wytwarzanie odruchu warunkowego u psa. • • ' * Pierwsze próby... ' ? Bodziec warunkowy Krople śliny Odruch •!1' t bezwarunkowy Odruch wytworzony Bodziec warunkowy Krople śliny MMMMIII Odruch warunkowy bezwarunkowy Hamowanie odruchu Bodziec dodatkowy Bodziec warunkowy Pokarm | Krople śliny MMIII Odruch bezwarunkowy ?-? > 474 Wlewanie kwasu odbywało się za pomocą specjalnej rurki wprowadzonej do pyska. Reakcją był bezwarunkowy odruch obronny w postaci obfitego ślinienia, powodującego wypłukanie roztworu kwasu z jamy ustnej. W celu drażnienia kończyny nakładano na nią opaskę z elektrodami połączonymi ze źródłem napięcia elektrycznego, które było tak dobrane, by wywołało bezwarunkowy odruch obronny w postaci uniesienia (zgięcia) kończyny. Na podstawie obu powyższych odruchów obronnych - wydzielniczego i ruchowego - wytwarzano obronne odruchy warunkowe przy zachowaniu podobnych zasad, jak w przypadku wytwarzania warunkowego odruchu pokarmowego. Należy w tym miejscu wyraźnie podkreślić, że ruchowy odruch obronny badany w doświadczeniach Pawłowa nie miał nic wspólnego z reakcją ucieczki czy unikania, powstał bowiem w wyniku wzmacniania bodźca, a nie reakcji, czyli według kryteriów warunkowania klasycznego. W książce Wykłady o czynności mózgu Pawłów przedstawił interpretację wyników wieloletnich badań nad warunkowaniem. Według niego, w wyniku zastosowania bodźca bezwarunkowego i warunkowego w korze mózgu powstają jednocześnie dwa ogniska pobudzenia, z tym że ognisko wywołane bodźcem bezwarunkowym jest silniejsze. W miarę powtarzającego się współwystępowania obu ognisk powstaje między nimi połączenie zwane więzią czasową25, stanowiące istotę odruchu warunkowego. A zatem warunkowanie jest związane z procesem pobudzenia zachodzącym w obszarze kory mózgu. Natomiast za wygasanie odruchu warunkowego i różnicowanie bodźców warunkowych odpowiedzialny jest proces hamowania, nazwany przez Pawłowa hamowaniem warunkowym. Siedliskiem tego procesu, podobnie jak mechanizmu warunkowania, jest również kora mózgu. Późniejsze badania nie potwierdziły wyłącznego znaczenia kory mózgu w warunkowaniu. W doświadczeniach na królikach stwierdzono, że w warun- kowaniu odruchu mrugnięcia na bodziec akustyczny, kojarzony z podrażnieniem strumieniem powietrza rogówki oka, ważną rolę odgrywa nie kora mózgu lecz - nieoczekiwanie - móżdżek. Procesy podobne do warunkowania wykazano też u zwierząt bezkręgowych z prostym układem nerwowym. , .; Istota klasycznego odruchu warunkowego ,n W modelach warunkowania stosowanych przez Pawłowa reakcja warunkowa ma taki sam przebieg jak odruch bezwarunkowy, na podstawie którego została wytworzona. Dotyczy to pokarmowego i obronnego odruchu wydzielania śliny, a także obronnego odruchu ruchowego (wywoływanego podrażnieniem kończyny psa prądem elektrycz- nym). Na tej podstawie ugruntowało się przekonanie o identyczności odruchu warunkowego i bezwarunkowego. Późniejsze badania dostarczyły dowodów, że nie zawsze jest to regułą. Niekiedy bowiem odruch warunkowy i wytworzona na jego bazie reakcja warunkowa mają diametralnie przeciwny charakter. ; Typowym przykładem takiego odruchu jest reakcja szczurów na bodziec nocyceptywny w postaci elektrycznego drażnienia kończyn. Na włączenie prądu 25 Widoczny jest tu wpływ teorii dominanty, stworzonej przez szkołę Uchtomskiego-Wwedens- kiego; wg tej koncepcji silniejsze ognisko pobudzenia niejako „ściąga" proces pobudzenia z ogniska słabszego. Teoria ta nie jest dostatecznie udokumentowana i ma znaczenie jedynie historyczne. 475 -----Okno 7--------------------------------------------------------------------------------- Warunkowanie u ślimaka morskiego Ślimak morski {Aplysia californica) został wykorzystany do badań nad warunkowaniem i uczeniem się ze względu na prosty układ nerwowy z dużymi neuronami, łatwo dostępnymi dla technik elektrofizjologicznych i neurochemicznych (Carew i wsp., 1983; Kandel, 1992). Zwierzę to ma narząd oddechowy - skrzela - otoczony osłoną zwaną syfonem. Normalnie zadaniem syfonu jest usuwanie wody ze skrzei. W warunkach doświadczalnych stwierdzono, że dotykanie okolicy syfonu powoduje odruchowe cofnięcie skrzei. Reakcja ta, zwana odruchem syfonowo-skrzelowym, przebiega za pośrednictwem prostego łuku odruchowego, składającego się z neuronu czuciowego i ruchowego. Jej natężenie jest niewielkie i niestałe, ponieważ w miarę powtarzania bodźca dotykowego stopniowo się zmniejsza. Silne cofnięcie skrzei można również wywołać elektryczym podrażnieniem ogona. Droga tego odruchu jest bardziej złożona, ponieważ oprócz neuronów czuciowych w jej skład wchodzą interneurony. Osobliwa jest też jej organizacja. Akson interneuronu pobudzanego przez neuron czuciowy tworzy połączenie synaptyczne z aksonem innego neuronu czuciowego, unerwiającego syfon (rys. 19.3). Impulsy nerwowe z receptorów ogona na drodze do neuronu ruchowego unerwiającego skrzela wykorzystują zatem końcowy (presynaptyczny) odcinek włókna nerwowego innego neuronu czuciowego (rys. 19.4 A). Ten układ połączeń stwarza unikalne warunki do badania mechanizmu warunkowania na poziomie neuronalnym. Gdy kojarzono dotykanie syfonu (bodziec warunkowy) z elektrycznym drażnieniem ogona (bodziec bezwarunkowy) zgodnie z zasadami warunkowania klasycznego, po kilku skojarzeniach reakcja na dotykanie syfonu stała się silniejsza niż zwykle i, co najistotniejsze, nie zmniejszała się w miarę powtarzania tego bodźca; przypominała zatem bardziej silny odruch obronny na elektryczne drażnienie ogona niż słaby odruch syfonowo-skrzelowy. Reakcję cofania skrzei, o podobnych właściwościach jak reakcja na drażnienie syfonu, można wywołać dotykając innego obszaru ciała ślimaka morskiego - płaszcza. Również ta reakcja ulega nasileniu i nie zanika w miarę kolejnych dotknięć po kilkakrotnym skojarzeniu z elektrycznym drażnieniem ogona. Istotne jest to, że jeśli dotykanie jednego z tych obszarów, na przykład syfonu, stało się bodźcem warunkowym i wywołuje, jak elektryczne drażnienie ogona, silny odruch cofania skrzei o stałym natężeniu, dotykanie drugiego obszaru wyzwala jedynie słabą reakcję, zanikającą w miarę powtarzania bodźca. Tak więc u zwierzęcia bezkręgowego, mającego prostą sieć nerwową, udało się nie tylko wytworzyć klasyczny odruch warunkowy, lecz także uzyskać różnicowanie bodźców (Carew i wsp., 1983). Rys. 19.3. Odruchy występujące u ślimaka morskiego {Aplysia californica). Syfon Bodziec dotykowy Bodziec dotykowy Bodziec elektryczny Dotknięcie ^> Syfon -+ Skurcz skrzeli, ^^ w mjarę Dotknięcie Płaszcz —^ Skurcz skrzeli J powtarzania bodźca 476 Ry«. 19.4. Schemat warunkowania odruchu cofania skrzel u ślimaka morskiego (Aplysia californica); A - Organizacja neuronalna odruchu warunkowego i bezwarunkowego (objaśnienia w tekście); B - schemat ilustrujący zjawiska zachodzące w synapsie oznaczonej kwadratem w części A; 1 - w wyniku impulsów nerwowych wywołanych zadziałaniem bodźca warunkowego (dotykanie syfonu) otwierają się kanały wapniowe, jony wapnia wchodzą do zakończenia synaptycznego i tworzą kompleks z białkiem kalmoduliną; 2 - Impulsy wywołane zadziałaniem bodźca bezwarunkowego powodują uwolnienie przekaźnika •'" 5-hydroksytryptaminy (5-HT); pobudzenie receptora 5-HT w błonie ?' postsynaptycznej aktywuje enzym cyklazę adenylanową; pod wpływem kompleksu wapń/kalmodulina dochodzi do dalszej aktywacji cyklazy adenylanowej; 3 - cyklaza adenylanową katalizuje powstanie cyklicznego adenozynomonofosforanu (cAMP); Cykliczny AMP inicjuje procesy biochemiczne, których skutkiem jest uwolnienie znacznych ilości przekaźnika. Uwolniony przekaźnik powoduje pobudzenie neuronu ruchowego unerwiającego skrzela (na podst. badań Kandela, 1992). BODZIEC WARUNKOWY Dotykanie ,// Neuron czuciowy Ogon Drażnienie elektryczne BODZIEC BEZWARUNKOWY Dotykanie BODZIEC RÓŻNICOWY B BODZIEC WARUNKOWY BODZIEC WARUNKOWY Receptor serotoninergiczny Impulsy nerwowe BODZIEC BEZWARUNKOWY 5-HT Ca2* \ Impulsy + kalmoduliną nerwowe 2+ Ca /kalmoduliną Impulsy nerwowe CA A 2*/ Ca2*/ kalmoduliną \ \ caW \ Przekaźnik 477 Badania elektrofizjologiczne i neurochemiczne wykazały, że warunkowanie u ślimaka morskiego opiera się na mechanizmie torowania transmisji synaptycznej. Podrażnienie ogona prądem elektrycznym wywołuje pobudzenie neuronu czuciowego, a następnie interneuronu tworzącego synapsę akso-aksonalną z aksonem neuronu czuciowego związa- nego z syfonem (lub z płaszczem). Ustalono, że podczas pobudzenia interneuronu na zakończeniu jego aksonu uwalnia się 5-hydroksytryptamina (serotonina) (Bailey i Chen, 1983). Za pośrednictwem tego przekaźnika stan pobudzenia przenosi się na akson neuronu czuciowego, a tym samym na jego synapsę z neuronem ruchowym (rys. 19.4 B). Jeśli ten stan pobudzenia kilkakrotnie powstanie w czasie, gdy w aksonie neuronu czuciowego biegną impulsy spowodowane dotknięciem syfonu, dochodzi do uwrażliwienia synapsy między neuronem czuciowym i ruchowym na dochodzące do niej impulsy. Wskutek tego pobudzenie neuronu czuciowego związanego z syfonem oddziałuje na neuron ruchowy niejako ze zwiększoną siłą, podobnie jak działa pobudzenie wywołane elektrycznym drażnieniem ogona. Droga od ślimaka morskiego do ssaka jest daleka. Niemniej jednak opisany wyżej eksperyment przybliża nam mechanizm, jaki może leżeć u podstaw warunkowania w ogóle: uwrażliwienie połączeń synaptycznych między neuronami, jednocześnie i wielokrotnie pobudzanymi w wyniku działania bodźców warunkowego i bezwarunkowego. elektrycznego (bodziec bezwarunkowy) szczury reagują wzmożoną ruchliwością (biegają po klatce, skaczą). Natomiast jeżeli elektryczne drażnienie kończyn zostanie skojarzone z bodźcem obojętnym (np. tonem lub światłem), bodziec ten, gdy stanie się bodźcem warunkowym, wywołuje reakcję o odwrotnym charakterze - znieruchomienie. Dysocjacja między odruchem bezwarunkowym i warunkowym może wskazywać na różne przystosowawcze znaczenie obu reakcji. W sytuacji bezpośredniego zagrożenia (jak atakujący napastnik) właściwym ratunkiem jest ucieczka, natomiast gdy zagrożenie jest sygnalizowane, lecz w danej chwili nie występuje, skuteczniejszym sposobem jego uniknięcia może być znieruchomienie, dzięki któremu jest szansa, że napastnik nie zauważy ofiary. Zdaniem Wagnera (1981) odruch warunkowy może się różnić od odruchu bezwarunkowego wtedy, gdy ten ostatni ma charakter dwufazowy i gdy warun- kowaniu podlega jego druga faza, przeciwstawna względem pierwszej fazy. W podobny sposób powstaje awersja do smaku pokarmu, który spowodował objawy chorobowe, i unikanie tego pokarmu w przyszłości. Na warunkowej awersji smakowej opiera się jedna z metod odwykowego leczenia alkoholików. Normalnie smak napoju alkoholowego kojarzy się z przyjem- nym („nagradzającym") działaniem alkoholu, które motywuje człowieka do picia. Jeśli jednak wypicie alkoholu spowoduje silny efekt awersyjny (nudności, wymioty), smak alkoholu, a nawet okoliczności towarzyszące piciu, staną się sygnałem warunkowym tego negatywnego efektu. Tak dzieje się w przypadku stosowania środków farmakologicznych, takich jak disulfiram (Antabus, Esperal), powodują- cych, że awersyjny efekt występuje już po wypiciu niewielkiej ilości alkoholu i kojarzy się z piciem ulubionego trunku. Rodzaj asocjacji w odruchach warunkowych Według Pawiowa bodziec obojętny, który ma się stać bodźcem warunkowym, musi być kojarzony z bodźcem bezwarunkowym. Na ówczesne poglądy na powstawanie 478 odruchu warunkowego miała wpływ, nie zawsze uświadamiana, koncepcja Arystotelesa, że asocjacja między dwoma wydarzeniami zachodzi wtedy, gdy współistnieją one w przestrzeni i w czasie. Tego rodzaju współistnienie wydarzeń nazywa się stycznością (ang. continuity). Późniejsze badania dostarczały coraz więcej dowodów, że sama styczność w czasie bodźca warunkowego i bezwarunkowego nie zawsze jest konieczna lub wystarczająca do powstania odruchu warunkowego. Według Rescorli (1968) podstawą warunkowania jest nie współistnienie obu bodźców, lecz prawdopodobień- stwo26 wystąpienia po pierwszym bodźcu (warunkowym) drugiego bodźca (bez- warunkowego). W eksperymencie, który był punktem wyjścia powyższej teorii, wytwarzano u szczurów klasyczny odruch warunkowy, kojarząc ton z elektrycznym drażnieniem kończyn. Typową reakcją warunkową na ten ton jest znieruchomienie. Te same szczury były też nauczone innej reakcji - naciskania na dźwignię w celu otrzymania pokarmu, którą nieustannie wykonywały, gdy znajdowały się w klatce doświad- czalnej. Jeżeli jednak w trakcie naciskania na dźwignię usłyszały ton sygnalizujący podrażnienie kończyn, na czas trwania tego bodźca nieruchomiały i przerywały naciskanie. jH^nowanie wyuczonego zachowania pokarmowego zachodzi pod wpływem tonu wyzwalającego stan emocjonalny typu strachu, dlatego zostało nazwane warunkową reakcją emocjonalną^(rys. 19.5). We właściwym doświadczeniu w trakcie wykonywania przez szczury reakcji pokarmowej włączano na 2 minuty ton i pod koniec jego działania przez pręty podłogi klatki przepuszczano krótkotrwały prąd elektryczny. Postępowano tak jednak tylko w 10, 20 lub 40 procentach prób z tonem. Doświadczenie było dodatkowo skomplikowane tym, że w 0, 10, 20 lub 40 procentach przerw między tonami również drażniono kończyny szczura prądem. Dysponowano zatem kilkoma grupami szczurów, u których w różnych kombinacjach procentowych stosowano drażnienie kończyn podczas tonu i poza tonem. Hamowanie instrumentalnej reakcji pokarmowej określano na podstawie współczynnika obliczanego ze wzoru (A —P)/(A + P), w którym A oznacza liczbę naciśnięć na dźwignię przy braku tonu, a P - liczbę naciśnięć w czasie działania tonu. Wartość zerowa tego współczynnika oznacza, że ton nie ma wpływu na wykonywanie reakcji pokarmowej (czyli nie ma klasycznego warunkowego odruchu strachowego), współczynnik zaś równy jedności wyraża pełne hamowanie (czyli występowanie klasycznego warunkowego odruchu strachowego). Okazało się, że stopień hamowania reakcji pokarmowej przez ton zależał od stosunku prawdopodobieństwa wystąpienia szoku w czasie tonu do prawdopodobieństwa szoku poza tonem. Gdy prawdopodobieństwo szoku poza tonem było równe zeru (tzn. gdy nigdy nie stosowano szoku, gdy nie działał ton), wówczas hamowanie reakcji pokarmowej przez ton było największe. Gdy prawdopodobieństwo szoku w czasie tonu było równe prawdopodobieństwu 26 W języku angielskim taka relacja między bodźcami nazywa się contingency - zbieżność. Według K. Zielińskiego (1993) pojęcie to zawiera informację o prawdopodobieństwie pojawiania się elementów stosowanych parami, o kolejności ich w parze, a także informację o prawdopodobieństwie stosowania elementów poza parami. 479 fłys. 19.5. Warunkowa reakcja emocjonalna. Instrumentalna reakcja pokarmowa Naciskanie dźwigni Podawanie pokarmu iiiiiMiiiiiiiiiiiiii Kojarzenie tonu z prądem J Ton L n Prąd Warunkowa reakcja emocjonalna I Ton 1 Naciskanie dźwigni IIIIIIIIIIIIIII Prąd III Iii Podawanie pokarmu IIIIIIIIIIIIIII III iii szoku poza tonem, wówczas ton nie hamował reakcji pokarmowej. Gdy praw- dopodobieństwo wystąpienia szoku poza tonem było mniejsze (ale nie zerowe) niż prawdopodobieństwo szoku podczas tonu, współczynnik hamowania reakcji pokarmowej przybierał wartości pośrednie (rys. 19.6) __—__.__ Z powyższego eksperymentu wypływa następujący wniosek:(warunkowanie zachodzi wówczas, gdy prawdopodobieństwo wystąpienia bodźca bezwarunkowego podczas działania bodźca warunkowego jest większe niż bez bodźca warunkowegi (czyli podczas przerw między próbami). ,1 Na powstawanie asocjacji między bodźcem warunkowym i bezwarunkowym ma wpfyw informatywność (czyli „waga") bodźca warunkowegalZagadnieniem tym zajmował się Leo J. Kamin (1968), przeprowadzając następujący eksperyment (rys. 19.7). W jednej grupie szczurów skojarzono zespół dwóch bodźców - dźwięku i światła z elektrycznym drażnieniem kończyn. Następnie sprawdzono wytworzenie odruchu warunkowego na podstawie warunkowej reakcji emocjonalnej (obserwując hamowanie przez te bodźce naciskania przez zwierzę dźwigni w celu otrzymania pokarmu). Okazało się, że reakcję tę hamował zarówno dźwięk, jak i światło. W drugiej grupie szczurów warunkowanie przeprowadzono w dwóch etapach. Najpierw kojarzono z elektrycznym drażnieniem kończyn sam dźwięk, później zaś, jak w pierwszej grupie, zespół dźwięk + światło. Gdy sprawdzano odruch warunkowy na podstawie warunkowej reakcji emocjonalnej, reakcję naciskania na dźwignię hamował tylko dźwięk, natomiast bodziec świetlny był nieskuteczny.[z]awisko to, polegające na blokowaniu działania jednego bodźca przez drugi bodziec, zostało nazwane przesłanianiem bodźca. ] 480 Rys. 19.6. Warunkowa reakcja emocjonalna a prawdopodobieństwo pojawienia się prądu elektrycznego na tle warunkowego bodźca strachowego i poza tym bodźcem w eksperymencie R. A. Rescorli (1968). Objaśnienia w tekście. Prawdopodobieństwo prąd po bodźcu = 1; prąd bez bodźca = 0 pełna WRE * pełna WRE pełna WRE 11 Reakcje wzmacniane pokarmem Prawdopodobieństwo prąd po bodźcu > prąd bez bodźca słaba, WRE f ł słaba i WRE f 1 słaba WRE liiliiiiiiiinii n i n iiiiiiiiiiiiin iiiiiiiiiiiiiiiiiiin i miii iiiiiiiiniii i n n iiiiiiiiiiiimimiiiiiii Reakcje wzmacniane pokarmem Prawdopodobieństwo prąd po bodźcu = prąd bez bodźca brak WRE f brak * WRE brak WRE f Reakcje wzmacniane pokarmem Bodziec warunkowy 7 Prąd 2 min WRE ~ warunkowa reakcja emocjonalna LĘrzęsłonięty bodziec można odblokować, zwiększając jego wartość infor- macyjnąTlW doświadczeniach Kamina udało się to osiągnąć, zwiększając natężenie prądu elektrycznego drażniącego kończyny. Gdy sam dźwięk kojarzono nadal z prądem o natężeniu 1 mA, a zespół dźwięk + światło z prądem 4 mA, wówczas samo światło, podobnie jak sam dźwięk, skutecznie hamowało reakcję naciskania na dźwignię w celu uzyskania nagrody, zyskało bowiem nową wartość informacyjną, sygnalizując silniejszy prąd. Innym sposobem odblokowania bodźca jest przejściowe osłabienie siły odruchu warunkowego przez kilkakrotne zastosowanie zespołu bodźców bez wzmocnienia. Gdy następnie ten sam zespół ponownie wzmacnia się prądem, poprzednio przesłonięty składnik zespołu staje się 481 .......U "W ?Jt.. 9L7. Zjawi Rys. f9L7. Zjawisko przesłaniania bodźca w eksperymencie Kamina (1968). c?„ BEZ PRZESŁANIANIA BODŹCA r ,, Zespół bodźców •'<-??- równoważnych , cłsiwUi j-i Prąd MIII [Warunkowanie —' strachu II WRE IIII JJ Reakcje wzmacniane pokarmem B MIII WRE II II Reakcje wzmacniane pokarmem i Test 1 C IIIIIIIIIIIIII WRE MMMMIII MMMM Reakcje wzmacniane pokarmem Z PRZESŁANIANIEM BODŹCA I Warunkowanie ' strachu D MMIII IMI III WRE *l I I I I I I I III II I I I I II * Prąd Reakcje wzmacniane pokarmem Bodziec przesłaniają^ Bodziec E MMIMMMIM WRE "IIIIIIIIIIIIII Reakcje wzmacniane pokarmem Bodziec przesłaniający «*«*«>...>.?... Test F IIIIIIIIIIIIII WRE I I I I I I I I I I I I I I I I I I Reakcje wzmacniane pokarmem Bodziec przesłonięty J T..t I I I I I I II I I I I II I I I I I I I I I || I I I Reakcje wzmacniane pokarmem brak WRE WRE- warunkowa reakcja emocjonalna Zjawisko przesłaniania bodźca warunkowego tłumaczy teoria Rescorłi i Wag- nera (1972) zakładająca, że w miarę postępu warunkowania siła asocjacji między bodźcem warunkowym i bezwarunkowym narasta asymptotycznie do maksimum. Gdy od początku stale wzmacnia się zespół dwóch bodźców warunkowych (np. 482 dźwięku i światła), stopniowo narasta siła asocjacji pomiędzy każdym z tych bodź- ców a bodźcem bezwarunkowym. Natomiast gdy asocjacja w wyniku wzmacniania jednego bodźca osiągnęła maksymalną siłę, nie może już powstać asocjacja z drugim, współistniejącym bodźcem, dlatego nie jest on skuteczny. W przedstawionych wyżej eksperymentach bodźce wchodzące w skład zespołu stawały się odrębnymi bodźcami warunkowymi. Można jednak wytwarzać odruchy warunkowe na szczególne układy bodźców, np. AB, lecz nie na A lub B, albo też na A lub B, ale nie AB. Takie bodźce nazywają się bodźcami konfiguracyjnymi. Mają one duże znaczenie w warunkowaniu instrumentalnym. Warunkowanie instrumentalne Warunkowanie instrumentalne wiąże sie z nazwiskiem Edwarda L. Thorndike'a, jednak badacze analizujący historię tego odkrycia zwracają uwagę, że Thorndike jedynie przedstawił eksperymentalny model zjawiska powszechnie znanego od stuleci pedagogom, pracodawcom czy też ludziom hodującym i tresującym zwierzęta. Polega ono na tym, że odpowiednia forma zachowania utrwala się (albo nie występuje), jeśli jej konsekwencją jest nagroda (albo kara).t Thorndike próbował wyjaśnić nabywanie tych zachowań prawem efektu, które głosi, że „zadowalający stan rzeczy^po zastosowaniu nagrody utrwala reakcję, która bezpośrednio poprzedziła nagrodęj Problematyka warunkowania instrumentalnego obraca się wokół następujących zagadnień: rola wewnętrznego stanu organizmu, czyli popędu, w powstawaniu i utrzymywaniu się reakcji instrumentalnych, mechanizm wytwarzania reakcji instrumentalnych i rola wzmocnienia oraz sterowania reakcjami instrumentalnymi przez bodźce zewnętrzne. Rola popędu w warunkowaniu instrumentalnym Reakcje instrumentalne są wytwarzane na bazie popędów apetytywnych i awersyj- nych, oraz niekiedy popędu ciekawości. Z popędem związany jest charakter wzmocnienia, które w przypadku popędów apetytywnych jest nazywane wzmoc- nieniem pozytywnym, a w przypadku popędów awersyjnych - wzmocnieniem negatywnym. Popędy apetytywne i wzmocnienie pozytywne Reakcje instrumentalne o wzmocnieniu pozytywnym, nazywanym też nagrodą, wytwarza się najczęściej na bazie popędu głodu, ponieważ ich wykonanie jest wzmacniane (nagradzanie) pokarmem. Nagrodą może być też podanie roztworu niekalorycznej substancji o smaku lubianym przez zwierzę, np. roztworu sacharyny. Niektórzy badacze wytwarzają reakcje warunkowe na bazie popędu seksualnego, wzmacniając reakcje instrumentalne umożliwieniem kontaktu z osob- nikiem drugiej płci. Osobną kategorię czynników wzmacniających stanowią leki, na przykład morfina lub heroina. Zwierzęta uczą się naciskać na dźwignię w celu wstrzyknięcia sobie leku. Tego rodzaju doświadczenia są stosowane w celu badania lekozależności. I wreszcie nagrodą bywa też elektryczne podrażnienie „układu nagrody" w mózgu. 483 Metodycznie podobne do nagradzania reakcji jest udostępnianie zwierzęciu nieznanego widoku. Sposób ten, oparty na popędzie ciekawości, jest stosowany u małp. Wzmocnienie negatywne Wzmocnienie negatywne polega na stosowaniu bodźca awersyjnego, którym jest najczęściej drażnienie kończyn zwierzęcia prądem elektrycznym o natężeniu wywołującym reakcję obronną. Ponieważ bodziec ten pobudza nocyceptory, nazywany jest bodźcem nocyceptywnym. W czasie eksperymentu zwierzę (naj- częściej szczur) znajduje się w klatce z podłogą utworzoną z metalowych prętów, do których jest przykładane napięcie elektryczne. Reakcje instrumentalne nabywane przez zwierzę umożliwiają mu albo usunięcie się spod działania bodźca nocycep- tywnego albo uniknięcie jego działania. Pierwszy rodzaj tych reakcji nazywa się ucieczką, drugi - unikaniem. Ucieczka najczęściej polega na przejściu do bezpiecznego miejsca klatki albo na wykonaniu ruchu (np. naciśnięcia na dźwignię) wyłączającego prąd27. Ucieczkę wyzwala bezwarunkowy popęd, jakim jest najczęściej ból, lecz także strach, na przykład przed jaskrawym oświetleniem. Natomiast wykonując reakcję unikania zwierzę zapobiega zadziałaniu prądu i może się nauczyć w ogóle wyeliminować jego działanie. Tego typu reakcje są zaliczane do unikania czynnego. Wyróżnia się unikanie jedno- i dwukierunkowe. Przykładem unikania jedno- kierunkowego jest naciskanie na dźwignię w celu uniknięcia elektrycznego podrażnienia kończyn. Do wytwarzania dwukierunkowej reakcji unikania używa się klatki wahadłowej (część górna rys. 19.8). Na zadziałanie bodźca warunkowego szczur musi w określonym czasie przejść do drugiej połowy klatki. Zwierzęta uczą się też powstrzymywać się od wykonania czynności, której konsekwencją jest zadziałanie bodźca elektrycznego. Zachowanie to nazywane jest unikaniem biernym, a bodziec nocyceptywny - karą. Stosując odpowiednio karę można nauczyć szczura, aby wbrew naturalnej tendencji tego gatunku nie wchodził do ciemnych pomieszczeń i pozostawał w nielubianej oświetlonej przestrzeni. Reakcje typu unikania są wyzwalane przez strach jako popęd wtórny (nabyty, warunkowy). /r« «:p Wytwarzanie reakcji instrumentalnych o wzmocnieniu pozytywnym W doświadczeniach Thorndike'a i Skinnera zwierzęta samodzielnie, stosując metodę prób i błędów, odnajdywały właściwą reakcję instrumentalną prowadzącą do pożądanego celu. Skinner (1938) do badań nad warunkowaniem skonstruował specjalną klatkę, powszechnie stosowną pod nazwą klatki Skinnera (część dolna rys. 19.8). Zasadniczym elementem urządzenia był metalowy pręt o średnicy 3 mm i długości 8 cm, umieszczony poziomo 8-10 cm nad podłogą w odległości 1 cm 27 W języku angielskim reakcja ta nazywa się escape. Ta nazwa odróżnia ją od innego rodzaju ucieczki (flighi), polegającej na szybkim oddaleniu się od niebezpieczeństwa (np. ucieczka przed wrogiem). W języku polskim oba te zjawiska określa się jednym terminem ucieczka, co może być źródłem nieporozumień. 484 Rys. 19.8. Urządzenia do badania instrumentalnych odruchów warunkowych u szczurów. Klatka wahadłowa i klatka Skinnera. : .n. '? i Klatka Skinnera od ściany klatki. Naciśnięcie na pręt z siłą 10 G powodowało jego obniżenie 0 1,5 cm i uruchamiało podajnik dostarczający porcję pokarmu (najczęściej w postaci granulki) do tacki umieszczonej pod prętem. Aby uzyskać pokarm, szczur musiał położyć jedną lub obie przednie kończyny na pręcie i nacisnąć go z odpowiednią siłą. Umieszczony po raz pierwszy w klatce, badał otoczenie 1 przypadkowo nacisnął na dźwignię, uzyskując pokarm. Kolejne naciśnięcia, zdarzające się co kilkudziesiąt minut, też były przypadkowe. Dopiero po czwartym naciśnięciu reakcje występowały już co kilkanaście sekund i wskazywały na opanowanie zadania. Gdy prawdopodobieństwo przypadkowego wystąpienia wymaganej reakcji jest bliskie zeru, trzeba stosować odpowiednie sposoby prowokujące zwierzę do jej wykonania. Procedury te nazywane są kształtowaniem reakcji instrumentalnej. Zjawiskiem podobnym do kształtowania jest samokształtowanie (autoshaping), po raz pierwszy opisane u gołębi (Brown i Jenkins, 1968). Typową reakcją instrumentalną stosowaną u tych ptaków jest pukanie dziobem w okienko. Gdy okienko oświetlano i bodziec ten wzmacniano pokarmem, gołąb zaczynał pukać w okienko, choć sytuacja doświadczalna tego nie wymagała. Co więcej, pukając, ptak otwierał dziób, jak gdyby przygotowując się do chwycenia ziarna. Inaczej zachowywał się gołąb pukający w celu otrzymania wody - jego dziób przybierał kształt, jaki występuje podczas picia. Eksperymenty z samokształtowaniem reakcji instrumentalnej świadczą o tym, że w procesie warunkowania są wykorzystywane czynności ruchowe należące do repertuaru instynktowych zachowań danego gatunku. Według terminologii etologicznej są to przeważnie sztywne wzorce zachowań, na podstawie których formują się ruchy instrumentalne. 485 -----Okno 8-------------------------------------------------------------------------------- Jak zwierzęta uczą się reakcji instrumentalnych? Mechanizm wzmocnienia w warunkowaniu instrumentalnym nie został dotychczas zadowa- lająco wyjaśniony. Najstarsza teoria, ujęta przez Edwarda L Thorndike'a w prawo efektu głosi, że zastosowanie nagrody po wykonaniu przez zwierzę danej reakcji ruchowej zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia tejże reakcji w podobnych okolicznościach w przyszłości. Nie tłumaczy to jednak fizjologicznego aspektu wzmocnienia. Do poglądów Thorndike'a nawiązywała teoria redukcji popędu, zaproponowana przez Clarka L. Hulla (1943) i później modyfikowana przez różnych badaczy. Zgodnie z tą koncepcją czynnikiem wzmacniającym jest nagłe osłabienie popędu w momencie reakcji konsumacyjnej. Zjawisko to zostało najlepiej zbadane na modelu odruchów instrumentalnych wzmacnianych pokarmem. Wiadomo, że popęd głodu, na bazie którego są wytwarzane te reakcje, jest na krótko hamowany w wyniku tzw. sytości krótkotrwałej. Ta przejściowa sytość pojawia się nagle w momencie reakcji konsumacyjnej, gdy pobrana porcja pokarmu zaczyna drażnić receptory smakowe i mechaniczne w jamie ustnej, i równie nagle znika po połknięciu kęsa pokarmowego. Następuje wtedy krótkotrwałe wzmożenie głodu, tzw. odrzut (rebound), pod wpływem którego zwierzę sięga po następną porcję, a w toku warunkowania wykonuje kolejną reakcję instrumentalną. Teoria redukcji popędu nie wyjaśnia niektórych faktów doświadczalnych, świadczących o tym, że zachowanie zwierzęcia może być ukierunkowane nie na redukcję, lecz - przeciwnie - na wzmożenie popędu lub na otrzymanie zwiększonej ilości informacji (np. w instrumentalnych odruchach opartych na popędzie ciekawości). Fakty te lepiej tłumaczy teoria hedonistyczna, która przyjmuje, że mechanizm wzmocnienia polega na dostarczaniu zwierzęciu stymulacji sensorycznej o przyjemnym (emocjonalnie pozytywnym) zabarwieniu, która kojarzy się z wykonanym ruchem instrumentalnym. W ten sposób szczury łatwo opanowują reakcje instrumentalne wzmacniane podawaniem roztworu sacharyny - substancji o walorach smakowych, lecz pozbawionych wartości odżywczych. Zarówno teoria redukcji popędu, jak i hedonistyczna wychodzą z założenia, że do wystąpienia reakcji instrumentalnej konieczna jest styczność w czasie między reakcją a wzmocnieniem. Jednak wyniki uzyskane w doświadczeniach, w których stosowano wzmocnienie według stałego stosunku, wykazały, że sama tylko styczność w czasie nie wystarcza do utrwalenia reakcji. Wzmacnianie według stałego stosunku polega na nagradzaniu tylko określonego procentu reakcji. Częstość reakcji jest wówczas znacznie większa niż przy wzmacnianiu ciągłym. Zwierzę przejawia znaczne pobudzenie ruchowe, co wskazuje na stan wzmożonego popędu. Obserwacje zwierząt wykonujących reakcje według tego schematu przyczyniły się do ugruntowania poglądu, że warunkowanie instrumentalne możliwe jest tylko przy większym prawdopodobieństwie uzyskania wzmocnienia po wykonaniu reakcji niż bez jej wykonania. W celu sprawdzenia tej hipotezy zastosowano zmodyfikowany rozkład wzmocnienia według stałego stosunku (Hammond, 1980). Czas doświadczenia podzielono na jednosekundowe interwały. W okresie treningu każda reakcja szczura, niezależnie od tego, w którym interwale wystąpiła, była nagradzana. Później nagradzano tylko reakcje wystąpujące w 5% interwałów, a reakcje pojawiające się w pozostałych 95% były nieskuteczne. Przy tym wariancie częściowego wzmocnienia szczury naciskały na dźwignię z częstością około 50 reakcji na minutę. W drugiej fazie doświadczenia zaczęto dawać pokarm gratis w innych 5% interwałów, utrzymując wzmacnianie reakcji wykonanych, jak poprzednio, w 5% interwałów. W wyniku tej procedury szczury w ogóle zaprzestały naciskania na dźwignię. Reakcja pojawiła się ponownie, gdy przerwano podawanie pokarmu bez jej wykonania. Eksperyment ten pokazuje, że w warunkowaniu instrumentalnym, podobnie jak w klasycznym, odgrywa rolę nie styczność w czasie między reakcją instrumentalną i wzmocnieniem (continuity), lecz raczej stosunek prawdopodobieństwa otrzymania nagrody po wykonaniu reakcji do praw- dopodobieństwa otrzymania wzmocnienia bez jej wykonania (contingency). 486 Nabywaniem reakcji instrumentalnych przez zwierzęta zajmował się Konorski (1969). Według tego badacza, aby jakiś ruch z repertuaru ruchów danego zwierzęcia stał się reakcją instrumentalną, musi być spontanicznie wykonany przez zwierzę. By wytworzyć instrumentalny ruch drapania ucha, podczas treningu wkładano do ucha kota kawałek waty; usiłowania wydobycia waty z ucha nagradzano pokarmem. Po kilku próbach kot wykonywał odpowiedni ruch bez waty w uchu. Podobnie, aby nauczyć zwierzę naciskania na dźwignię w celu podrażnienia „układu nagrody" w mózgu, trzeba sprowokować zwierzę do samodzielnego wykonania tej czynności. Wynika to z faktu, że ruch instrumentalny jest w swej istocie ruchem dowolnym, a zatem jego wykonanie musi poprzedzić aktywacja jego wzorca w ośrodkowym układzie nerwowym. W warunkowaniu instrumentalnym rozróżnia się zatem dwie składowe. Pierwszą jest ruch instrumentalny, który zwierzę wykonuje pod wpływem właściwego popędu. Drugą jest reakcja konsumacyjna28, polegająca na wykorzys- taniu nagrody jako wzmocnienia ruchu instrumentalnego. Zagadnienie bodźca warunkowego .,?, ?.,,;. „ .?,.?,?,; .„.^ j , ; . w warunkowaniu instrumentalnym ... ......, v . Pierwsi badacze warunkowania instrumentalnego, wywodzący się z behawio- ryzmu, nie wiązali reakcji instrumentalnej z konkretnym, izolowanym bodźcem. Co prawda Skinner stosował bodziec zewnętrzny, który nazwał dyskrymina- cyjnym. W jego doświadczeniach naciskanie na dźwignię było wzmacniane pokarmem, gdy paliło się światło, natomiast było nieskuteczne w ciemności. Nie był to jednak typowy bodziec sporadyczny, lecz raczej bodziec sytuacyjny, czyli kontekst (tło) wykonywanej reakcji. Natomiast Konorski i Miller (1933) wytwarzając instrumentalne odruchy warunkowe u psów, od początku stosowali bodźce sporadyczne tego samego rodzaju, jakie wówczas były wykorzystywane w warunkowaniu klasycznym, a więc światło, brzęczyk lub dźwięk metronomu. Pies otrzymywał nagrodę tylko wtedy, gdy wykonał reakcję podczas działania bodźca warunkowego, natomiast ta sama reakcja wykonana bez tego bodźca była nieskuteczna. Ponieważ bodziec warunkowy powoduje, że zwierzę wykonuje reakcje instrumentalne w czasie jego działania, można przyjąć, że wyzwala on właściwy popęd, czyli wskutek treningu staje się warunkowym bodźcem popędowym. Wzmacnianie częściowe W odróżnieniu od omawianego dotychczas wzmacniania ciągłego wzmacnianie częściowe polega na nagradzaniu tylko części doświadczeń prawidłowo wykonanych przez zwierzę. Procedury wzmacniania częściowego opierają się na schematach, czyli rozkładach wzmocnienia, z których najczęściej stosuje sięcfczmacnianie według stałego stosunku (fixed ratio), stałej przerwy (fixed intewal) i zmiennej 28 Nazwa ta pochodzi od łac. consummare - spełnić, a nie consumere - spożyć. W istocie ruch instrumentalny przypomina fazę popędową, a reakcja konsumacyjna - działanie spełniające w za- chowaniach instynktowych zwierząt. , 487 M przerwy (yańable intewal). Rodzaj schematu wyraźnie wpływa na sposób wykonywania reakcji i towarzyszące mu ogólne zachowanie zwierzęcia. Przy wzmacnianiu według stałego stosunku zwierzę otrzymuje nagrodę po wykonaniu pewnej liczby reakcji. Częstość naciskania na dźwignię jest znacznie większa niż przy wzmacnianiu ciągłym. U zwierzęcia zaznacza się wtedy pobudzenie ruchowe wskazujące na stan wzmożonego popędu. Dochodzi do głosu awersyjny popęd zwany frustracją, który powoduje nasilenie aktywności ruchowej zwierzęcia i zwiększenie częstości naciskania na dźwignię. Przy wzmacnianiu według stałej przerwy nagroda jest udostępniona dopiero wtedy, gdy od ostatniego naciśnięcia upłynie pewien czas. Częstość naciśnięć nasila się w okresie bezpo- średnio poprzedzającym moment, gdy wzmocnienie staje się dostępne, natomiast jest najmniejsza bezpośrednio po wzmocnieniu. Taki przebieg reakcji instrumental- nych świadczy o wytworzeniu się odruchu warunkowego na czas. W rozkładzie wzmocnienia według zmiennej przerwy nagroda jest również udostępniana dopiero po upływie pewnego czasu od wykonania reakcji, czas ten jednak zmienia się w sposób losowy. Zwierzę naciska wówczas dźwignię rzadko, lecz regularnie. Przy^ tym schemacie wzmocnienia reakcja warunkowa jest bardzo odporna na wygaszanie. Zachowanie zabobonne Jeżeli zwierzętom podaje się pokarm w stałych odstępach czasu bez wyuczonej reakcji instrumentalnej, obserwuje się tendencję do wykonywania ruchów, które przypadkowo zostały wzmocnione. Zjawisko to, opisane po raz pierwszy przez Skinnera (1948), nazywa się zachowaniem (albo uczeniem się) zabobonnym, przypomina bowiem postępowanie ludzi zabobonnych: zwierzę jak gdyby „nabiera przekonania", że wykonanie jakiegoś ruchu może mu przynieść nagrodę. W wyniku stosowania powyższej procedury gołębie uczyły się wykonywania bardzo dziwacz- nych ruchów, jak obracanie się w koło czy przestępowanie z łapki na łapkę. Niektórzy badacze uważali to za dowód, że do wytworzenia reakcji instrumentalnej wystarcza jednoczesne, przypadkowe współistnienie jakiegoś ruchu i wzmocnienia. Czynności wchodzące w skład zachowania zabobonnego mają różne podłoże motywacyjne; niekiedy przypominają ruchy zrytualizowane, stanowią wyraz frustracji wskutek braku oczekiwanego wzmocnienia albo są formą reakcji upustowych, wykonywanych przez zwierzę pod wpływem silnego popędu, bez możliwości jego zaspokojenia. Długotrwałe wzmocnienie synaptyczne Problem, jakie zmiany powstają w uczącym się mózgu, interesował badaczy od dawna. Zbliżone koncepcje zakładające wzrost aktywności synaps w procesie uczenia się wysunęli w tym samym czasie Konorski (1948) i Hebb (1949). Konorski zakładał, że między neuronami i grupami neuronów istnieją wytworzone w ontogenezie nieaktywne potencjalne połączenia, które w określonych sytuacjach mogą się przekształcać w aktualne połączenia aktywne. Podczas uczenia się, gdy pobudzenie neuronu „nadawczego" wielokrotnie współistnieje z pobudzeniem 488 neuronu „odbiorczego", dochodzi do zwiększonej aktywności synaps w miejscach kontaktu zakończeń aksonu pierwszego neuronu z drugim neuronem. Aktywność ta może się wiązać ze zmianami morfologicznymi i/lub biochemicznymi w synap- sach. Podobnie uważał Hebb: gdy akson komórki A kontaktujący się z komórką B okresowo lub stale uczestniczy w jej pobudzaniu, w jednej lub obu komórkach zachodzi proces wzrostowy lub metaboliczny, który powoduje, że skuteczność komórki A w pobudzaniu komórki B jest zwiększona. Obie koncepcje znalazły potwierdzenie w zjawisku długotrwałego wzmocnienia synaptycznego. Pod pojęciem długotrwałego wzmocnienia synaptycznego {long term poten- tation - LTP)29 rozumie się zwiększenie skuteczności pobudzającego działania synapsy na komórkę nerwową, utrzymujące się przez kilka dni lub tygodni. Zjawisko to, odkryte przez Blissa i wsp. (1973), było potem intensywnie badane w różnych wariantach doświadczalnych (Bliss i Lomo, 1983, 1986). W typowym doświadczeniu elektrofizjołogicznym objawem LTP jest zwiększenie amplitudy postsynaptycznego potencjału pobudzeniowego (EPSP), wywoływanego w badanym neuronie podrażnieniem pojedynczym impulsem lub krótką serią impulsów dochodzących do tego neuronu włókien nerwowych. Do powstania LPT dochodzi w wyniku uprzedniego podrażnienia tej samej grupy włókien krótkimi seriami impulsów, powtarzanymi z częstością kilku serii na sekundę. Po raz pierwszy LTP wykazano w hipokampie, później stwierdzono jego występowanie także w innych obszarach mózgu. Długie utrzymywanie się LTP wskazuje, że zjawisko to może być modelem śladu pamięciowego, a jego typowe występowanie w hipokampie jest zgodne z rolą tej struktury mózgu w mechanizmach pamięci. Użyteczność LTP w badaniach nad pamięcią jest tym większa, że można je śledzić nie tylko in vivo, czyli u czuwających zwierząt z elektrodami implantowanymi do hipokampa, lecz także in vitro, tj. na skrawkach hipokampa utrzymywanych przy życiu w warunkach laboratoryjnych. Rysunek 19.9 pokazuje dwa warianty eksperymentu z wywoływa- niem LTP. Pierwszy wariant polega na drażnieniu włókna bocznicy Schaffera i odbieraniu potencjału z neuronu w sektorze CA1 hipokampa. W drugim wariancie drażni się drogę przeszywającą, a potencjał odbiera się z neuronu w zakręcie zębatym. Do wystąpienia LTP konieczne jest współdziałanie wielu synaps. Wykazano to w doświadczeniach, w których drażniono odrębnymi elektrodami dwie grupy włókien dochodzących do badanej komórki. Eksperyment, w którym uzyskuje się tą drogą LTP, polega na tym, że do komórki nerwowej wprowadza się mikroelek- trodę w celu mierzenia potencjału błonowego. Inne elektrody służą do drażnienia aksonów neuronu 1 i 2, tworzących z badaną komórką synapsy. Oddzielne podrażnienie każdego aksonu wywołuje depolaryzację badanej komórki zwaną EPSP. Oczywiście amplituda EPSP zwiększa się proporcjonalnie do siły bodźca drażniącego. Następnie drażniono oba włókna seriami impulsów w taki sposób, że seria drażniąca akson neuronu 2 następowała 200 ms po serii drażniącej akson 29 Termin ten jest mylący, wzmocnienie bowiem nie oznacza tu procedury stosowanej do wytwarzania odruchów warunkowych lecz zwiększenie amplitudy postsynaptycznego potencjału pobudzeniowego. 489 ftys. 19.9. Wywoływanie długotrwałego wzmocnienia synaptycznego (LTP) w skrawku hipokampa. do przegrody Rejestracja LTP Zakręt zębaty Rejestracja i LTP Drażnienie Droga y\ *ródwęchowa przeszywająca neuronu 1. Po wielokrotnym zastosowaniu tej procedury, po podrażnieniu aksonu neuronu 2 pojawiał się EPSP o wyższej niż poprzednio amplitudzie. Ten charakterystyczny dla LTP wzrost amplitudy EPSP utrzymywał się wiele godzin, a nawet dni, już bez skojarzonego drażnienia obu aksonów. Rysunek 19.10 pokazuje, w jaki sposób wskutek wytworzenia LTP może dochodzić do przebudowy struktury synapsy. Pobudzenie włókna presynaptycznego (A) powoduje uwolnienie przekaźnika - kwasu glutaminowego (Bliss i wsp., 1986). W błonie postsynaptycznej występują dwa rodzaje receptorów tego przekaźnika: NMDA i AMPA. Kanał jonowy związany z receptorem NMDA jest zablokowany przez jon magnezu (Mg). Do jego odblokowania potrzebna jest wstępna depolaryzacja błony komórkowej. Do takiej depolaryzacji dochodzi w wyniku zadziałania kwasu glutaminowego na receptor AMPA i wejścia pewnej liczby jonów sodu do komórki. W błonie postsynaptycznej znajduje się wiele receptorów AMPA, z których jednak tylko część jest aktywna. Pozostałe są zasłonięte przez włókna białka fodryny. Odblokowanie kanału jonowego związanego z receptorem NMDA (B) umożliwia wejście do komórki znacznej liczby jonów sodu i wapnia. Szczególne znaczenie mają tu jony wapnia, które aktywują enzym kalpainę. Kalpaina przekształca włókna fodryny w taki sposób, że zostają odsłonięte i uczynnione nieczynne receptory AMPA. Po ustąpieniu skutków podrażnienia komórki włókna fodryny wracają do poprzedniego stanu, jednak liczba czynnych receptorów AMPA jest teraz większa. Proces ten powtarza się przy kolejnych pobudzeniach tym łatwiej, że w błonie postsynaptycznej jest coraz więcej aktywnych receptorów AMPA. Na pewnym etapie tego procesu (C) dochodzi do aktywacji, przy udziale jonów wapnia, enzymu syntazy tlenku azotu (NO). Tlenek azotu opuszcza komórkę, rozchodzi się w przestrzeni pozakomórkowej, wnika do zakończenia synaptycznego i stymuluje procesy syntezy i uwalniania przekaźnika - kwasu 490 Rys. 19.10. Uaktywnianie nieczynnych receptorów kwasu glutaminowego i stymulacja procesu uwalniania tego przekaźnika w wyniku wytwarzania długotrwałego wzmocnienia synaptycznego (wg hipotezy Lyncha i Baundry'ego, 1984 oraz Nicoll i wsp., 1988). Objaśnienia w tekście. Włókno presynaptyczne Błona komórkowa Cytoplazma Oscyloskop B Kwas glutaminowy NMDA Wielokrotne drażnienie Receptory nieczynne czynne O ') . ir glutaminowego. Długotrwale wzmocnienie synaptyczne polega tu zarówno na uwrażliwieniu neuronu postsynaptycznego na kwas glutaminowy (wskutek większej liczby czynnych receptorów tego przekaźnika), jak i na większym uwalnianiu przekaźnika z zakończenia presynaptycznego. „, , , 20. Pamięć p amięć jest zdolnością organizmu do przechowywania w układzie nerwowym informacji i wykorzystywania ich do aktualnych i planowanych działań. W obrębie pamięci można wydzielić etapy, takie jak zapamiętywanie, przechowywanie i odtwarzanie materiału pamięciowego oraz zapominanie. Procesy pamięci można klasyfikować pod względem trwałości śladu pamię- ciowego (pamięć krótko- i długotrwała), rodzaju zapamiętanego materiału (pamięć zdarzeń, nazw, procedur, umiejętności), czasowych właściwości pamięci (pamięć zdarzeń przeszłych i aktualnie się toczących, pamięć zamiarów i terminu ich realizacji) czy też związku ze świadomością (pamięć świadoma i nieświadoma). Powszechnie stosowanym kryterium klasyfikacyjnym jest czas utrzymywania się śladu pamięciowego. Na podstawie tego kryterium wyróżniono pamięć sensoryczną (ultrakrótkotrwałą), pamięć krótkotrwałą i pamięć długotrwałą. i i: Pamięć sensoryczną i pamięć krótkotrwała . ->-- Aby możliwa była percepcja, kolejno spostrzegane elementy muszą być łączone w jedną całość i dlatego muszą być na krótki czas zapamiętywane. Na przykład do odczytania zdania jest konieczne czasowe przechowanie śladów pojedynczych liter tworzących wyrazy i następnie zapamiętanie tych wyrazów. Zdolność tę umożliwia pamięć sensoryczną. Istotą pamięci sensorycznej, zwanej ultrakrótkotrwałą, jest bardzo krótkie (do jednej sekundy) utrzymywanie się w układzie czuciowym śladu po zadziałaniu bodźca. Najlepiej została poznana pamięć sensoryczną wzrokowa (ikoniczna) i słuchowa (echoiczna). Występuje też pamięć sensoryczną bodźców dotykowych. Pamięć sensoryczną można wykazać za pomocą prostego testu zaproponowa- nego przez Sperlinga (1960). Badany ogląda przez 50 milisekund 12 liter ułożonych w 4 kolumnach i 3 rzędach, po czym słyszy ton wysoki, średni lub niski. W zależności od wysokości tonu musi odtworzyć litery widziane w górnym, środkowym lub dolnym rzędzie. Średnia liczba odtworzonych liter z kilku prób wynosi zwykle nieco ponad 3 i drastycznie spada, jeśli zadziałanie tonu opóźni się o sekundę. 492 Ślady pamięci krótkotrwałej utrzymują się przez okres nie przekraczający kilku minut. Typowym przejawem tej pamięci jest pamiętanie numeru telefonu od chwili przeczytania go w notatniku do momentu wybrania go na tarczy aparatu. Informacja ta musi być podtrzymywana przez powtarzanie numeru w myśli, półgłosem lub głośno, inaczej zanika. ; Test na pamięć krótkotrwałą u ludzi opracowali Atkinson i Shiffrin (1968). Badanemu czyta się serię kilkunastu dwusylabowych wyrazów, z szybkością jeden wyraz na 2 sekundy, po czym poleca się mu powtórzyć je w dowolnej kolejności. Badani najlepiej odtwarzają wyrazy umieszczone na początku i na końcu serii, najgorzej zaś wyrazy środkowe. Jeżeli między zaprezentowaniem serii a jej odtworzeniem uwaga badanego zostanie zajęta nieoczekiwanym poleceniem, tzw. dystraktorem (np. polegającym na rozwiązaniu prostego zadania arytmetycznego), upośledzeniu ulega odtwarzanie wyrazów z końca serii, przy poprawnym od- twarzaniu wyrazów początkowych. Autorzy testu interpretują ten wynik następująco: W momencie odtwarzania serii świeże ślady wyrazów najpóźniej poznanych nie uległy jeszcze konsolidacji i znajdują się w pamięci krótkotrwałej. Wyrazy te są przeto najlepiej odtwarzane, pod warunkiem jednak, że nie zostaną z tej pamięci wyparte przez inną informację. Natomiast wyrazy z początku serii, wskutek wielokrotnego powtarzania ich w myśli przez badanego podczas poznawania materiału, wytworzyły już stosunkowo stabilne ślady w pamięci długotrwałej, na które nie ma większego wpływu konkurencyjne zadanie. Najmniej korzystnym umiejscowieniem jest położenie środkowe. Ślady wyrazów ze środka serii nie utrzymują się w pamięci krótkotrwałej, są bowiem z niej wypierane przez ślady kolejnych wyrazów. Zanikają zatem i nie przechodzą do pamięci długotrwałej. Taka interpretacja powyższego wyniku spotkała się z krytyką innych badaczy. Stwierdzono bowiem, że ludzie mogą przechowywać w rejestrach pamięci krótkotrwałej kilka różnych informacji, niewypierających się wzajemnie. Badanym pokazywano serie złożone z trzech liter i polecano powtórzyć je po pewnej przerwie, w czasie której wykonywali inne zadanie (np. liczyli wstecz lub oceniali logiczność lub nielogiczność usłyszanego zdania). Okazało się, że badani, mimo zastosowania tego dystraktora, odtwarzali litery poprawnie, nawet gdy ich liczbę w seriach zwiększono do sześciu. Na podstawie tego rodzaju eksperymentów Baddeley i Hitch (1974) zmodyfikowali klasyfikację pamięci i wydzielili z pamięci krótkotrwałej nietrwałą pamięć operacyjną, zwaną też pamięcią roboczą (working memory). Pamięć operacyjna Pamięć operacyjna umożliwia przechowanie informacji przez czas niezbędny do wykonywania aktualnego zadania. Uważa się ją za rodzaj buforu, w którym informacja jest podtrzymywana przez odpowiednie mechanizmy, takie jak po- wtarzanie (rehearsal) werbalne lub wyobrażanie sobie. W odróżnieniu od pamięci krótkotrwałej w klasycznym ujęciu, utrzymującej się dzięki krążeniu impulsów 493 fłys. 20.1. Schemat pamięci operacyjnej. PAMIĘĆ I KRÓTKOTRWAŁA PAMIĘĆ | DŁUGOTRWAŁA [ Wewnętrzna ___I mowa OŚRODEK WYKONAWCZY PĘTLA FONOLOGICZNA DIAGRAM WZROKOWO- -PRZESTRZENNY w kręgach neuronalnych opisanych przez Lorente de Nó (1938), pamięć operacyjna jest przejściowym pobudzeniem, stale „podsycanym" przez wpływy z zewnątrz (rys. 20.1, por. też rys. 4.24). Pamięć operacyjna składa się z ośrodka dyspozycyjnego i koordynowanych przez ten ośrodek podporządkowanych mu układów roboczych (slave systems). Wyróżniono dwa takie układy: pętlę fonologiczną, służącą do czasowego prze- chowywania informacji słuchowej, i diagram wzrokowo-przestrzenny (visuo-spatial sketchpad) przechowujący obrazy przedmiotów i ich rozmieszczenie w przestrzeni. Pętla fonologiczną Istotą pętli fonologicznej jest bezgłosowe powtarzanie materiału werbalnego, dzięki czemu jest on nieustannie odświeżany i przechowywany w pamięci krótkotrwałej. Krążenie informacji sprzyjające utrzymywaniu się w pamięci śladu tego materiału odbywa się między systemem „wewnętrznej mowy" i „wewnętrznego słuchu". Podstawą „wewnętrznej mowy" jest bezgłosowa artykulacja. O związku pętli fonologicznej z procesami mowy świadczy zakłócenie pamięci materiału, gdy badanemu poleca się głośno wypowiadać bezsensowne słowa. Znacznie lepiej są pamiętane serie złożone z wyrazów dwusylabowych, niż zawierających więcej sylab, gdyż pętla fonologiczną ma określoną pojemność i może przechowywać informację o czasie trwania nie dłuższym niż 2 sekundy. A zatem wyraz, którego wypowiedzenie mieści się w tym czasie, może być powtarzany w całości i dlatego łatwiej utrzymuje się w pamięci niż wyraz dłuższy, do którego powtarzania niezbędne jest dzielenie go na fragmenty. Do typowych czynności, w których ujawnia się funkcjonowanie pętli fonologicznej, należy liczenie, wykonywanie działań arytmetycznych, czytanie tekstu i rozumienie mowy, a także uczenie się słówek obcego języka. Zaburzenia funkcjonowania pętli, na przykład w postaci zmniejszenia zasobu zapamiętywanych 494 liczb czy trudności w rozumieniu długich zdań, obserwowano u pacjentów z ogniskowymi uszkodzeniami lewego płata skroniowego i ciemieniowego. Sugeruje to rolę lewej półkuli mózgu w tym procesie. Diagram wzrokowo-przestrzenny ! Inną formą odświeżania zapamiętanego materiału jest umieszczanie w myśli jego fragmentów na odpowiednich polach wyobrażanej matrycy. Na przykład badanemu daje się do zapamiętania kilka zdań i poleca wyobrazić sobie diagram złożony z 16 kwadratów (4 x 4). Kodowanie materiału polega na umieszczaniu w myśli każdego zdania na odpowiednim kwadracie. Okazało się, że użycie tego sposobu znacznie zwiększa liczbę zapamiętywanych zdań. Procedura ta zawodzi, gdy badanemu poleca się jednocześnie wykonać inne zadanie oparte na orientacji przestrzennej, na przykład podążać ołówkiem za przesuwającą się plamką świetlną. Świadczy to o tym, że przy wykonywaniu obu zadań jest wykorzystywany ten sam mechanizm wzrokowo-przestrzennego kodowania informacji. Ośrodek dyspozycyjny ' "?'' - '•''' -^ Ośrodek dyspozycyjny jest miejscem kodowania przejściowych śladów pamięciowych. Ślady te mogą powstawać wskutek aktualnego pobudzenia układów sensorycznych, mogą też pochodzić z materiału przechowywanego w pamięci długotrwałej. W tym przypadku ślad ulega aktywacji i zostaje przeniesiony do ośrodka dyspozycyjnego. Funkcjonowanie pamięci operacyjnej można zilustrować na przykładzie wykonywania w myśli działań arytmetycznych. Na przykład podczas mnożenia 37 x 9 w ośrodku dyspozycyjnym utrzymują się przejściowe ślady pamięciowe rodzaju operacji (mnożenie), mnożnej i mnożnika, wyników kolejnych etapów mnożenia (9x7 = 63 9x30 = 270) i wyniku ostatecznego (333). Do ośrodka dyspozycyjnego przechodzą też z pamięci permanentnej ślady związane ze znajomością tabliczki mnożenia. Dysponowanie układami roboczymi przez układ dyspozycyjny polega na wykorzystaniu danego układu do powtarzania informacji, na przykład zadanie mnożenia 37 x 9 i kolejne etapy operacji mogą być prze- chowywane i powtarzane werbalnie (w pętli fonologicznej) lub w postaci wyobrażenia wzrokowo-przestrzennego. Pamięć długotrwała Pamięć długotrwała jest u człowieka bardzo zróżnicowana. Jej ślady utrzymują się przez miesiące i lata, a ślady pamięci permanentnej przez całe życie. Ze względu na rodzaj przechowywanego materiału w obrębie pamięci długotrwałej wyróżnia się pamięć opisową, zwaną deklaratywną (declarative memory) i pamięć nieopisową {nondeclarative memory) (rys. 20.2). Domeną pamięci opisowej jest „wiedzieć, co (kto)", czyli znajomość zdarzeń, faktów, osób, przedmiotów. Treści zawarte w tej pamięci przechodzą łatwo do świadomości i mogą być zakomunikowane w sposób 495 jRys. 20.2. Rodzaje pamięci długotrwałej. PAMIĘĆ OPISOWA (ŚWIADOMA) wiedzieć, kto, co EPIZODYCZNA-^^ Fakty, zdarzenia SEMANTYCZNA Nazwy: - przedmiotów - narzędzi - zwierząt - roślin Nazwiska osób -, Nazwy geograficzne AUTOBIOGRAFICZNA PROSPEKTYWNA zamiary planowane działania X NIEOPISOWA (NIEŚWIADOMA) wiedzieć, jak NAWYKI PROCEDURY ; . POPRZEDZANIE (PRIMING) PROSTE J?Y ODRUCHY WARUNKOWE UCZENIE SIĘ ^^ NIEASOCJACYJNE Istnieją modele zwierzęce opisowy innym ludziom, toteż niektórzy utożsamiają pamięć opisową z pamięcią świadomą (explicit memory). Natomiast domeną pamięci nieopisowej jest „wiedzieć, jak", a więc głównie znajomość procedur i sposobów postępowania (Squire, 1992a). Pamięć nieopisowa bywa utożsamiana z pamięcią nieświadomą (implicit memory). Nie są to synonimy w ścisłym tego słowa znaczeniu. Dostęp do pamięci opisowej może być bowiem również nieświadomy przez zastosowanie metody poprzedzania (priming). Pamięć opisowa (deklaratywna) W obrębie pamięci opisowej rozróżnia się pamięć epizodyczną, dotyczącą faktów i zdarzeń, oraz pamięć semantyczną, dotyczącą znaczenia słów, znajomości imion własnych i nazw geograficznych (TuMng, 1972). Niejednorodność pamięci opisowej potwierdzają obserwacje chorych z zaznaczoną dysocjacją między pamięcią faktów a pamięcią znaczenia słów. Na przykład chory nie pamiętający faktów z życia publicznego (czyli zdarzeń) potrafił odtworzyć imię i nazwisko znanej osoby publicznej, gdy podano mu inicjały tego imienia i nazwiska. Inni pacjenci wykazywali odwrotny typ dysocjacji pamięci, tj. upośledzenie rozumienia słów, przy zachowanej pamięci zdarzeń (Warrington, 1975). W pamięci epizodycznej są przechowywane infonnacje o faktach i zdarzeniach zarówno natury ogólnej, jak i osobistej. Informacje te są kodowane w kontekście 496 sytuacyjnym (tj. dotyczącym miejsca zdarzenia) i czasowym. Kodowanie polega na rejestrowaniu poszczególnych faktów, bez tworzenia uogólnień. Pamięć semantyczna z kolei wiąże się z mową. Dlatego u człowieka, w odróżnieniu od zwierząt, w rejestrach pamięci jest przechowywany nie tylko ślad konkretnego przedmiotu, lecz także jego symbol słowny. Oba rodzaje pamięci opisowej ściśle ze sobą współdziałają. Trwała, czysto epizodyczna rejestracja faktów i zdarzeń nie wydaje się możliwa. Do poznawania rzeczywistości nieustannie toczącej się przed człowiekiem konieczne jest stałe uogólnianie zdarzeń o charakterze jednostkowym, które stanowi podstawę ich zrozumienia. Z kolei przy tworzeniu nowych pojęć i operowaniu nimi konieczne jest odwoływanie się do konkretnych faktów związanych z określonym miejscem, czasem i sytuacją (Włodarski, 1996). Lokalizacja pamięci opisowej w mózgu U pacjentów z upośledzeniem pamięci opisowej stwierdza się uszkodzenie struktur przyśrodkowej części płatów skroniowych. Zmiany patologiczne występują w ob- rębie hipokampa i sąsiadujących z nim struktur korowych, ciała migdałowatego, a także podstawnej części międzymózgowia. U zdrowego człowieka procesy poznawcze przebiegają przy współdziałaniu pamięci epizodycznej i semantycznej, natomiast oba te rodzaje pamięci mogą być rozdzielone w stanach patologicznych. Znane są przypadki spektakularnego wybiórczego upośledzenia jednego z dwóch rodzajów pamięci opisowej. I tak, chory o inicjałach R.F.R. mimo głębokiego upośledzenia pamięci zdarzeń z własnego życia prawidłowo odtwarzał typowe skróty i wyrazy, jak IRA czy wahadłowiec, które musiał poznać z ukazujących się wtedy komunikatów prasowych (Warrington i McCarthy, 1988). Równocześnie opisano przypadek 18-letniej dziewczyny, która po urazie czaszki utraciła większość wiadomości z przedmiotów nauczanych w szkole, ale dobrze pamiętała zdarzenia z własnego życia (Grossi i wsp., 1988). A zatem, w zależności od stopnia uszkodzenia różnych struktur mózgu może u danego pacjenta przeważać upośledzenie komponentu epizodycznego lub semantycznego pamięci opisowej. Aktualnie przeważa pogląd, że pamięć epizodyczna, będąc głównie domeną hipokampa, dodatkowo wymaga sprawnego funkcjonowania płatów czołowych. Pogląd ten nawiązuje do tzw. niepamięci źródła (source amnesia) - objawu opisywanego u pacjentów z uszkodzeniem kory czołowej (Janowsky i wsp., 1989c). Chorzy ci pamiętają wprawdzie zdarzenia z własnego życia, nie potrafią jednak odnieść ich do właściwego miejsca i czasu, czyli wykazują zaburzenie kontekstu przestrzenno-czasowego - istotnego składnika pamięci epizodycznej. Pamięć semantyczna Trudność podania nazwiska dobrze znanej osoby, nazwy miejscowości, ulicy, znalezienie właściwego określenia dla przedmiotu czy zjawiska zdarza się każdemu człowiekowi, ale w nasilonej formie może wskazywać na uszkodzenie mózgu. 497 ; Testy do badania pamięci semantycznej można podzielić na trzy grupy: 1) testy, w których badany musi podać definicję przedmiotu po usłyszeniu jego nazwy, 2) testy wymagające od badanego podania nazwy przedmiotu po zapoznaniu się z jego rysunkiem, 3) testy, w których badany wskazuje, który przedmiot na rysunku odpowiada usłyszanej przedtem jego nazwie. W testach tych używa się nazw przedmiotów codziennego użytku, zwierząt, roślin, pojęć abstrakcyjnych, a także imion własnych, nazwisk znanych ludzi i nazw geograficznych. Zaburzenia pamięci semantycznej mogą polegać na: 1) utrudnionym dostępie do magazynów pamięci, 2) upośledzeniu przechowywania informacji dotyczących znaczenia wyrazów i 3) utrudnionym odtwarzaniu materiału werbalnego. 1. Zmienność zakresu rozumianych wyrazów może świadczyć o utrudnionym dostępie do magazynów pamięci semantycznej. Pacjent najczęściej nie potrafi wtedy określić, który z oglądanych rysunków różnych przedmiotów odpowiada wcześniej usłyszanej nazwie, ale gdy jest badany wielokrotnie - wykonuje niekiedy ten sam test prawidłowo. Często okazuje się pomocna technika poprzedzania (priming). Przed podaniem nazwy przedmiotu, którego obraz pacjent ma później zidentyfikować z tą nazwą, pokazuje się inny przedmiot, pojęciowo związany z właściwym przedmiotem, na przykład przed usłyszeniem wyrazu „piramida" pacjent ogląda wizerunek sfinksa. Po takim przygotowaniu szybciej wskazuje na pokazany mu wśród wielu rysunków wizerunek piramidy. 2. Upośledzenie przechowywania nazw jest stosunkowo najgłębszym zaburzeniem pamięci semantycznej i ma charakter agnozji. Polega ona na tym, że pacjent trwale nie rozpoznaje przedmiotów po usłyszeniu ich nazwy i stan ten nie ulega okresowo poprawie. 3. Utrudnione odtwarzanie materiału z pamięci semantycznej, zwane anomią, polega na niemożności podania nazwy oglądanego przedmiotu. Za pomocą innych testów można jednak wykazać, że pacjent w istocie zna tę nazwę. Może bowiem prawidłowo wykonywać odwrotne zadanie, polegające na identyfiko- waniu przedmiotu z usłyszaną jego nazwą. Zapominanie nazw nie jest obce i ludziom zdrowym. O ile łatwo rozpoznajemy przedmiot na podstawie dobrze nam znanej jego nazwy, o tyle zdarzają się nam trudności z przypomnieniem sobie nazwy rzadko widywanego przedmiotu, nazwy ulicy, nazwiska osoby. Tego rodzaju zjawiska są podłożem hipotezy, że rozumienie wyrazów i od- twarzanie nazw przedmiotów mają inną reprezentację w mózgu. , qg Zaburzenia pamięci semantycznej często mają wybiórczy (dychotomiczny) charakter. McKenna i Warrington (1993) przytaczają wiele przykładów chorych z dychotomią dotyczącą pojęć konkretnych/abstrakcyjnych, obiektów ożywio- nych/nieożywionych czy też części mowy (rzeczowniki/czasowniki). Pacjent może prawidłowo nazywać przedmioty użytkowe, a nie pamiętać nazw obiektów żywych - zwierząt lub roślin. Aczkolwiek można by oczekiwać, że anomia powinna raczej dotyczyć rzadziej używanych pojęć abstrakcyjnych, a nie dobrze znanych nazw konkretnych przedmiotów, opisano przypadki chorych z odwrotnym charakterem zaburzeń pamięci semantycznej. Na przykład pacjent badany przez Warrington (1981) na 498 1 słowo „podnieta" wskazał rysunek osła nęconego widokiem marchwi, natomiast nie potrafił zidentyfikować, na podstawie usłyszanych nazw, konkretnych przed- miotów. Jeszcze powszechniej spotyka się chorych prawidłowo nazywających przedmioty nieożywione, a wykazujących anomię względem nazw zwierząt czy roślin, lub odwrotnie. I wreszcie wybiórczą anomię dotyczącą czasowników obserwowano u chorych, których mowa charakteryzowała się błędami gramatycz- nymi, a zatem zaburzenie to graniczyło z afazją. Chorzy ci mieli trudności z nazywaniem działań (np. jedzenie, picie), natomiast poprawnie nazywali konkretne przedmioty. Znany jest jednak przypadek chorej z odwrotnym charakterem zaburzeń, która na pokazywanym jej rysunku nie rozpoznawała filiżanki, natomiast prawid- łowo określiła nazwą „picie" wizerunek człowieka pijącego z filiżanki. Interpretacja wybiórczości zaburzeń pamięci semantycznej nie jest jednolita. Niektórzy badacze sugerowali, że wybiórczość ta może być artefaktem, spowodowa- nym rzadszymi lub częstszymi kontaktami człowieka z różnymi obiektami. Obecne poglądy na mechanizm pamięci semantycznej nawiązują do procesu kształtowania się mowy u dziecka. Przyjmuje się, że w rozwoju mowy istnieje etap przedsemantyczny, kiedy powstają kody pamięciowe przedmiotów, w późniejszym zaś etapie, semantycz- nym, są kodowane również nazwy, czyli symbole słowne tych przedmiotów. W przypadku kodowania wzorców takich obiektów, jak zwierzęta czy kwiaty, pobudzony jest głównie układ wzrokowy; przy kodowaniu wzorców przedmiotów codziennego użytku większą rolę odgrywają właściwości funkcjonalne przedmiotu, które wykorzystują głównie czucie dotyku, czucie głębokie i czucie ruchu. Natomiast kodowanie cech przedmiotów jest skorelowane z kodowaniem ich nazw, angażującym narząd słuchu, dlatego przy wybiórczym uszkodzeniu anatomicznym lub funkcjonal- nym danego układu sensorycznego najbardziej uszkodzona jest pamięć wykorzystująca ten układ. Za pomocą odpowiednio dobranych testów można wykazać, że dostęp do rejestrów pamięci semantycznej jest możliwy przez różne układy sensoryczne (tzw. wejścia). Nawet zablokowanie wejścia słuchowego - najbardziej istotnego dla kodowania nazw - nie znosi pamięci semantycznej przedmiotów. Opisano pacjenta, który prawidłowo zestawiał rysunki dwóch pojęciowo bliskich przedmiotów, na przykład łyżki i widelca, choć wskutek głębokiej anomii nie potrafił ich nazwać. Pamięć autobiograficzna * ;;,*^;; ,> U człowieka ważną rolę odgrywa pamięć własnego życia (autobiograficzna). Na podstawie badań psychologicznych wyodrębiono w niej trzy elementy: struktury tematyczne, magazyn śladów pamięciowych i mechanizm odtwarzający (Conway, 1993). Struktury tematyczne (tzw. tematy) odnoszą się do określonego okresu życia i stanowią rodzaj rozdziałów życiorysu. Podobnie jak rozdziały i podrozdziały w książce, mają układ hierarchiczny. Na szczycie hierarchii znajduje się jakaś wiedza ogólna związana z danym okresem, na przykład okresem dłuższego pobytu za granicą. Pośrednie miejsce zajmuje pamięć jakiegoś ważniejszego zdarzenia w tym okresie, na przykład wycieczki do określonej miejscowości. Najniższe miejsce w hierarchii zajmuje pamięć konkretnych faktów związanych z tą wycieczką. 499 Magazyn śladów pamięci autobiograficznej jest zbiorem zakodowanych informacji o jednostkowych konkretnych zdarzeniach. Ślady te powstają w ścisłym związku z określonymi strukturami tematycznymi i trwają albo wskutek powtarzania się zdarzenia albo ze względu na szczególny związek zdarzenia z danym tematem. Ślady nie spełniające tych warunków nie są kodowane. Magazyn ten zazwyczaj nie jest bezpośrednio dostępny. Odtwarzanie zawartych w nim informacji jest procesem trzyetapowym. Najpierw musi powstać tło (kontekst), odpowiednio do którego będą prze- szukiwane zasoby wiedzy w pamięci długotrwałej. Na tło składa się rodzaj informacji, jaka ma być odtworzona, indywidualna struktura pamięci danej osoby i jej aktualnie przeżywane doświadczenie. Tło można uważać za nietrwały ślad pamięciowy zarejestrowany w ośrodku wykonawczym pamięci operacyjnej. W drugiej fazie odbywa się przeszukiwanie magazynu pamięci długotrwałej i wydobywanie informacji odpowiednio do tła. W trzeciej wreszcie fazie dochodzi do oceny, czy odtworzona informacja odpowiada zapotrzebowaniu. Jeśli nie, powstaje nowe tło i opisany przed chwilą proces powtarza się. Zakres pamięci autobiograficznej zależy od okresu życia, którego dotyczy. Bardzo mało osób pamięta zdarzenia z wczesnego dzieciństwa (poniżej 3 lat), dlatego niepamięć dotycząca tego okresu jest uważana za fizjologiczną. Następ- nie szybko wzrasta pamięć zdarzeń między 5. i 6. rokiem życia. Ludzie, którzy przekroczyli 35. rok życia, szczególnie dobrze pamiętają okres między 10. a 25. rokiem życia. U zdrowych ludzi 40-letnich i starszych zaznacza się lepsza pamięć zdarzeń, z ostatniej dekady życia w porównaniu z okresami wcześniej- szymi. ? ? ? '...' ?"•??• ?'.'?• '. -::.' Zaburzenia pamięci autobiograficznej mogą dotyczyć jej różnych elementów składowych. W opisach niektórych chorych dominuje uszkodzenie pamięci struktur tematycznych. Na przykład pacjentka cierpiąca na padaczkę dobrze pamiętała zdarzenia związane z osobami, z którymi stykała się w życiu, natomiast wykazywała ubytki pamięciowe bezpośrednio dotyczące tych osób. Znane są jednak zaburzenia odwrotnego typu: pacjent dobrze identyfikuje osoby, gubi się jednak, gdy musi relacjonować poszczególne zdarzenia związane z tymi osobami. Analiza lokalizacji uszkodzeń mózgu i rodzaju stwierdzonych ubytków pamięci pozwala sądzić, że pamięć autobiograficzna jest domeną wielu struktur. Wiedza o strukturach tematycznych jest kodowana w różnych okolicach kory nowej, rejestry fenomenologiczne są przechowywane w asocjacyjnych obszarach sensorycznych, natomiast centralny mechanizm odtwarzający jest umiejscowiony w przednich obszarach płatów czołowych kory. Pamięć nieopisowa w: •• Pamięć nieopisowa jest pojęciem heterogennym, dlatego trudno jest ustalić jej adekwatną definicję. Jej najczęściej badanym rodzajem są umiejętności i nawyki. Przyczyną wyodrębnienia pamięci nieopisowej jest jej stosunkowo dobra sprawność u osób z głębokim upośledzeniem pamięci opisowej. 500 f Rys. 20.3. Testy na pamięć procedur. 1 » V Jednym z testów stosowanych do badania pamięci nieopisowej jest tzw. Wieża Hanoi. Badany ma przed sobą trzy pręty; na lewy pręt nałożono pięć kółek, o wielkości narastającej od najmniejszego na górze do największego na dole. Zadanie polega na ułożeniu wszystkich kółek w takiejże kolejności na prawym pręcie, wykorzystując przejściowo pręt środkowy. Zgodnie z regułami zadania, za każdym razem wolno przełożyć tylko jedno kółko z dowolnego prętu na dowolny pręt i to w taki sposób, by nigdy większe kółko nie znalazło się nad mniejszym. Najmniejsza liczba ruchów niezbędnych do wykonania zadania wynosi 31. Badany drogą treningu stopniowo dochodzi do tej liczby (rys. 20.3). Pacjenci z głębokimi zaburzeniami pamięci opisowej po rozległych uszkodzeniach struktur przysrodkowej części płata skroniowego wykonują to zadanie nie gorzej od ludzi zdrowych. Różnice w wykonywaniu zadań opartych na pamięci opisowej i nieopisowej świadczą, że w mózgu istnieje wiele systemów, obsługujących różne rodzaje pamięci (Squire, 1992b; Squire i wsp., 1993, 1995; Zola-Morgan i Squire, 1993). System hipokampalny, niezbędny dla pamięci opisowej, nie uczestniczy w pamięci nieopisowej, dlatego zadania angażujące tę pamięć są sprawnie rozwiązywane przez chorych mimo uszkodzenia hipokampa. Ze względu na heterogenność pamięci nieopisowej poszczególne jej rodzaje angażują różne systemy. Niektóre obserwacje u ludzi i zwierząt wskazują, że w pamięci niektórych procedur mogą odgrywać rolę jądra podstawne (Markowitsch, 1995). Pamięć nieświadoma ; Rozróżnienie pamięci nieświadomej (implicit) i świadomej (explicit) wprowadzili w 1985 r. Graf i Schacter. Przyczyną tego podziału było stwierdzenie, że chorzy z amnezją spowodowaną uszkodzeniem płatów skroniowych wraz z hipokampem mają trudności w świadomym odtwarzaniu zapamiętywanego materiału, natomiast względnie dobrze odtwarzają go nieświadomie, w wyniku procedury zwanej poprzedzaniem (priming). Nasunęło to przypuszczenie, że oba te rodzaje pamięci zależą od różnych mechanizmów i prawdopodobnie są też związane z odmiennymi strukturami mózgu. Pamięć nieświadoma odgrywa ważną rolę w życiu człowieka. Występuje najwyraźniej jako znajomość reguł postępowania, dlatego ten zakres pamięci nieświadomej został wyodrębniony jako pamięć procedur. Pamięć nieświadoma jest podstawą umiejętności ruchowych, sprawności manualnej, posługiwania się narzędziami oraz czynności ruchowych w znacznym stopniu zautomatyzowanych, 501 wykonywanych przy niewielkim udziale świadomości. Często przytaczanym przykładem pamięci nieświadomej jest umiejętność jazdy na rowerze, której zasady trudno jest sformułować słownie, a która jest osiągana tylko drogą praktyki i treningu. : ;.?... :: ,_?•;.-.. .,. ,iL. fc - ?.-;?? Pamięć nieświadoma dotyczy także czynności percepcyjnych. Taki charakter ma pamięć raz usłyszanej melodii, która później natrętnie „prześladuje" człowieka przez dłuższy czas. Również podczas uczenia się, przy kolejnym czytaniu tego samego tekstu szybkość czytania jest większa niż przy pierwszym zapoznawaniu się z tymże tekstem, ponieważ informacja zawarta w aktualnie czytanym fragmencie działa jak procedura poprzedzania dla treści następnych fragmentów i ułatwia ich wydobycie z pamięci. Często natrafienie na jakiś szczegół związany ze zgubionym przedmiotem ułatwia jego odnalezienie. Człowiek może także w sposób nie- świadomy nadmiernie powtarzać pewne zwroty w pisanym tekście; czytając ten tekst po kilku dniach jest często zdziwiony z powodu popełnienia tylu niezgrabności stylistycznych. ?•.?...... . i ..???:??> Badanie pamięci nieświadomej ?'.*? Wśród metod badania pamięci nieświadomej wyróżnia się testy rozpoznawcze i proceduralne (Roediger III i McDermott, 1993). W testach rozpoznawczych badana jest pamięć specyficznego rodzaju informacji: słowa, rysunku, twarzy, a zatem testy te mogą być werbalne (oparte na percepcji wyrazów) i niewerbalne (wymagające percepcji przedmiotów). Testy proceduralne dotyczą umiejętności wykonania zadania ruchowego, czyli znajomości procedur. Przegląd obu rodzajów testów zawiera tabela 20.1. Ntit-M ' i Istotą testów rozpoznawczych jest podawanie informacji wstępnej ułatwiającej dostęp do właściwej zakodowanej informacji. Postępowanie to nazywa się Tabela 20.1. Testy na pamięć nieświadomą Kategorie testów Rodzaje testów Testy rozpoz- nawcze .?•}hiv<< ' -'i', Vr*H5{f?'. Testy percepcyjne Werbalne Uzupełnianie brakujących liter w wyrazie Rozwiązywanie anagramów Decyzja leksykalna Niewerbalne Identyfikacja niekompletnego rysunku Ocena realności rysunku Testy koncepcyjne Oparte na semantycznym znaczeniu wyrazów Oparte na asocjacjach i„, ,;;,,(.' rv* Oparte na wiedzy ogólnej Testy procedu- ralne Czuciowo-ruchowe Czytanie w lustrze Wodzenie za przesuwającym się przedmiotem Oparte na znajomości reguł postępowania Rozwiązywanie zadań typu Wieża Hanoi Gry komputerowe 502 poprzedzaniem. Testy rozpoznawcze dzieli się na testy percepcyjne i koncepcyjne. W teście percepcyjnym badany najpierw zapoznaje się z materiałem zawierającym ukryty klucz do rozwiązania zadania, które otrzymuje w drugiej fazie. Często zadanie to polega na uzupełnieniu brakujących liter w „uszkodzonym" wyrazie. Wyraz ten lub odpowiadający mu rysunek znajduje się wśród kilku wyrazów lub rysunków, z którymi badany miał możność zapoznać się we wstępnej fazie testu. Na przykład w przedstawionym wtedy materiale znajdowały się rysunki wielu różnych przedmiotów, w tym również tygrysa. Zadaniem badanego jest uzupełnienie niekompletnego wyrazu t-r-s. Czas wykonania zadania jest znacznie krótszy niż wtedy, gdy w oglądanym na wstępie zestawie nie było rysunku tego zwierzęcia. Powyższe zadanie należy do werbalnych testów per- cepcyjnych (tj. opartych na percepcji wyrazów). Zamiast uzupełniania nie- kompletnego wyrazu - można badanemu polecić rozwiązanie anagramu („roz- sypanki"), na przykład sytryg. Testem werbalnym może być także tzw. decyzja leksykalna, czyli szybkość oceny, który z prezentowanych zespołów liter jest wyrazem mającym sens (np. elmok, komel, mleko, mokel, emkol). W testach niewerbalnych badany musi zidentyfikować przedmiot na podstawie niekompletnego rysunku, po uprzednim zapoznaniu się z serią rysunków kompletnych, w tym także rysunku tego przedmiotu. Klucz do rozwiązania testu koncepcyjnego zazwyczaj nie dostarcza bezpo- średniej informacji o prezentowanym później wyrazie czy rysunku, może natomiast zawierać rysunek innego przedmiotu, bliskiego semantycznie. Na przykład badanemu można pokazać obraz autostrady, a we właściwym teście dać do skompletowania fragment wyrazu samochód. W testach proceduralnych czuciowo-ruchowych nie podaje się informacji wstępnej, lecz mierzy się szybkość rozwiązywania zadania ruchowego, na przykład rysowania w lustrze, podążania ołówkiem za przesuwającym się przedmiotem. W testach opartych na nabywaniu znajomości reguł postępowania daje się do rozwiązania zagadki typu Wieży Hanoi. Testy te wymagają stawiania i sprawdzania hipotez, planowania działań i umiejętności prawidłowej oceny ich skutków. c Lokalizacja procesów pamięci nieświadomej w mózgu W tabeli 20.2 wymieniono rodzaje zaburzeń pamięci nieświadomej występujące przy różnych uszkodzeniach mózgu. Pacjenci z uszkodzeniem płata skroniowego obejmującym hipokamp mimo znacznego upośledzenia pamięci świadomej na ogół dobrze wykonują większość testów na pamięć nieświadomą. Jest to szczególnie uderzające, gdy badany nie potrafi odtworzyć oglądanej wstępnie serii rysunków lub wyrazów (czyli przejawia deficyt pamięci świadomej tego materiału), natomiast równie szybko jak człowiek zdrowy uzupełnia brakujące litery w wyrazie, który występował w prezentowanej serii. Natomiast chorzy na chorobę Parkinsona, którzy prawidłowo rozwiązują zadania percepcyjne, znacznie gorzej wykonują testy na pamięć procedur, a więc czynności ruchowych. Przemawia to za tym, że w wykonywaniu testów sprawdzających umiejętności ruchowe może być zaan- gażowane ciało prążkowane oraz okolica przedczołowa płata czołowego, czyli 503 Tabela 20.2. Upośledzenie pamięci nieświadomej przy różnych uszkodzeniach mózgu 1 I Rodzaj choroby i uszkodzenia mózgu Pamięć nieświadoma typu rozpoznawczego proceduralna Uszkodzenia przyśrodkowej części pła- ta skroniowego, hfpokampa i ciała mig- dałowatego o różnej etiologii Niezaburzona Niezaburzona Choroba Huntingtona, choroba Parkin- sona: uszkodzenie jąder podstawy (cia- ło prążkowane), upośledzenie czynno- ści płata czołowego Niezaburzona lub nieznacznie upo- śledzona Upośledzona Choroba Alzheimera: płat skroniowy, hipokamp, podstawna część przodo- mózgowia, kora nowa . ?• mv nri W lżejszych postaciach niezabu- rzone rozpoznawanie rysunków, za- burzenia interpretacji semantycznej, upośledzenie wykonywania testów typu koncepcyjnego Dane kontrowersyjne ?i-,:'iA,. Zespół Korsakowa: uszkodzenie płata skroniowego, hipokampa, jąder wzgó- rza i pęczka suteczkowo-wzgórzowego Nieznaczne upośledzenie wykony- wania testów opartych na identyfi- kacji rysunków, zaburzenia wyko- nywania testów werbalnych Brak danych ?•-<-s ,ui- Zaburzenia percepcji (agnozje) i czyta- nia (aleksja) w wyniku ogniskowych uszkodzeń okolic asocjacyjnych kory Niezaburzona ,-. •' Niezaburzona Uszkodzenia okolic asocjacyjnych płata ciemieniowego Zaburzona Brak danych Ogniskowe uszkodzenia płata skronio- wego Zaburzenia interpretacji semantycz- nej Brak danych Uszkodzenia płatów czołowych Niezaburzona Upośledzona struktury wykazujące różny stopień uszkodzenia w tej chorobie. Niekiedy zadziwiająco sprawnie wykonują testy percepcyjne chorzy na chorobę Alzheimera. Choroba ta charakteryzuje się rozległym uszkodzeniem przyśrodkowej części płata skroniowego i hipokampa oraz podstawnej części przodomózgowia. Uszkodzenie tych struktur jest przyczyną zespołu amnestycznego i znacznego upośledzenia odtwarzania serii słów, liczb i przedmiotów. Jednocześnie wskutek uszkodzeń kory nowej upośledzona jest pamięć semantyczna. Natomiast układy sensoryczne są wystarczająco sprawne, aby pacjenci prawidłowo wykonywali testy percepcyjne nie wymagające rozumienia znaczenia wyrazów. >-' Pamięć nieświadoma może się okazać sprawna również mimo zaburzeń czytania (aleksji) i percepcji (agnozji). Schacter i wsp. (1990) opisali przypadek pacjentki z aleksją polegającą na tym, że chora nie rozpoznawała napisanego wyrazu w jednym akcie poznawczym, lecz odczytywała go litera po literze. Jednak gdy już odcyfrowała wyraz we wstępnej fazie testu, rozpoznawała go potem bez trudności wśród innych wyrazów w fazie właściwej. Znany jest przypadek pacjenta z prozopagnozją (nierozpoznawanie twarzy), u którego wstępne zapoznawanie się z cechami twarzy ułatwiało rozwiązanie testu, w którym trzeba było zidentyfikować 504 tę twarz wśród innych wizerunków (Greve i Bauer, 1990). Odwrotnie pacjenci z ogniskowymi uszkodzeniami okolic asocjacyjnych kory mózgu, niezbędnych do rozpoznawania przedmiotów, czytania i identyfikacji twarzy, którzy wykazują upośledzenie wykonywania testów percepcyjnych mimo stosunkowo sprawnej pamięci świadomej (Moscovitch i wsp., 1993). Zaburzenia pamięci. Amnezja globalna ? -? •, .. t Zaburzenia pamięci mogą polegać na niemożności trwałego zapamiętywania toczących się zdarzeń, i wtedy nazywane są niepamięcią (amnezją) następczą, lub na zatarciu śladów pamięciowych zdarzeń minionych, zwanym niepamięcią (amnezją) wsteczną. W 1881 r. Ribot zwrócił uwagę, że w zaburzeniach pamięci w chorobach mózgu występuje większe upośledzenie pamięci zdarzeń bieżących niż wcześniej- szych i sformułował prawo regresji, według którego „nowe zanika przed starym". Niepamięć wsteczna dotycząca niedawnych zdarzeń występuje u chorych na padaczkę i obejmuje okres bezpośrednio poprzedzający napad. Podobna niepamięć wsteczna występuje u człowieka, który doznał wstrząsu mózgu z powodu urazu czaszki. Niepamięć wsteczna występuje też u zwierząt. Szczury nie pamiętają nawet prostego zadania opartego na obronnych odruchach warunkowych typu reakcji unikania, jeśli w kilka sekund po próbie zostały poddane elektrowstrząsowi. Wszystkie te fakty świadczą o zakłóceniu przechodzenia krótkotrwałego śladu pamięciowego do rejestrów pamięci długotrwałej. Istnieją jednak głębsze upośledzenia pamięci wstecznej, obejmujące wieloletnie okresy życia. Są one typowe dla zespołu Korsakowa i choroby Alzheimera, lecz mogą także powstawać w wyniku zapaleń mózgu, niedokrwienia, uszkodzeń pourazowych i nowotworów. Szczególnie głębokie ubytki pamięci, polegające na współistnieniu niepamięci następczej i wstecznej, nazywane są amnezją globalną. Obserwacje zaburzeń pamięci u chorych z tym rodzajem amnezji pozwoliły ustalić, że konsolidacja śladu pamięciowego nie występuje jednorazowo na początku uczenia się, lecz jest procesem długotrwałym, niekiedy wieloletnim. W badaniach pamięci u ludzi szczególną rolę odegrał chory o inicjałach H.M., operowany w wieku 27 lat z powodu padaczki skroniowej, która nie poddawała się leczeniu farmakologicznemu. Choremu usunięto struktury przyśrodkowej części płata skroniowego - hak, część ciała migdałowatego, przednie 2/3 hipokampa i część zakrętu przyhipokampowego, najpierw w jednej, a w drugim etapie w drugiej półkuli mózgu. Zamierzony cel operacji został osiągnięty, ponieważ napady padaczkowe ustąpiły. Nieoczekiwanie jednak pojawiły się spektakularne zaburzenia pamięci 0 charakterze globalnej amnezji, opisane po raz pierwszy przez Scoville'a i Milner w 1957 r. W późniejszych latach, kiedy zagadnienie pamięci stało się przedmiotem licznych studiów, H.M. był często poddawany różnym testom angażującym pamięć 1 stał się prawdopodobnie najintesywniej badanym pacjentem w historii medycyny. Zaburzenia pamięci u H.M. są typowym przykładem amnezji globalnej. Niepamięć następcza wyrażała się u niego niemożnością zapamiętania wyrazów ms czy liczb przez dłużej niż kilka sekund. Chory mógł jednak utrzymać je w pamięci powtarzając je, czyli wykorzystując pętlę fonologiczną pamięci operacyjnej. Podobnie nie zapamiętywał zdarzeń toczących się obok niego ani osób, z którymi się spotykał. Niepamięć wsteczna obejmowała zdarzenia w życiu publicznym i osobistym, jakie miały miejsce w okresie 3-11 lat przed operacją do czasu operacji. Podobne zaburzenia pamięci występują po uszkodzeniu sektora CA1 hipo- kampa w wyniku zaburzeń krążenia krwi w mózgu. U chorych obserwowano amnezję wsteczną i następczą, której głębokość zależała od rozległości uszkodzenia mózgu, lecz była ona mniejsza niż u pacjenta H.M. Porównanie to nasuwa przypuszczenie, że w mechanizmie pamięci odgrywa rolę nie tylko hipokamp, lecz również sąsiadujące z nim struktury. Zdolność zapamiętywania była wielokrotnie badana u pacjenta H.M. i u innych chorych z amnezją za pomocą odpowiednich testów. Okazało się, że chorzy ci potrafią odtworzyć studiowany materiał przy zastosowaniu procedury poprzedzania. Badanemu przedstawia się listę ogólnie znanych wyrazów, po czym jest on proszony o powtórzenie ich z pamięci. Powtarzanie wyrazów może przebiegać w trzech wariantach: 1) odtwarzania spontanicznego ifree recall), 2) rekon- struowania słów na podstawie początkowego fragmentu i 3) odtwarzania według klucza (cue). . ??? •.:.r.-t ::..:.<- = .--v„ ??„,.,,>,--:> •,--.'?•-: fi;nM::r!r->HT::f'.-.-- ?.??. 1. Odtwarzanie spontaniczne polega na powtórzeniu w dowolnej kolejności jak największej liczby wyrazów, z którymi badany zapoznał się na początku testu. Zadanie to wykonują chorzy z amnezją znacznie gorzej niż ludzie zdrowi. 2. W drugim wariancie badanemu pokazuje się trzy pierwsze litery za- znaczając, że jest to część początkowa jednego z wyrazów, z którymi poprzednio się zapoznał - badany musi podać ten wyraz. Wariant ten jest łatwiejszy zarówno dla zdrowych, jak i dla pacjentów z amnezją, jednak chorzy rozwiązują go gorzej niż zdrowi. 3. W trzecim wariancie, opartym na metodzie poprzedzania, badanemu pokazuje się pierwsze trzy litery i poleca mu się „dopasować" do nich brakujący fragment, tak aby powstał jakikolwiek sensowny wyraz (niekonie- cznie znajdujący się na widzianej wcześniej liście). Okazuje się, że zarówno chorzy, jak i zdrowi w takim samym procencie podawali wyraz nie nowy, lecz uprzednio widziany na liście, choć chorzy wypadali znacznie gorzej w zadaniu polegającym na spontanicznym odtwarzaniu wyrazów. W procedurze poprzedzania uwidacznia się ułatwiający (torujący) wpływ uprzedniego doświadczenia na identyfikowanie lub przetwarzanie spostrzeganego materiału. Procedurę tę wykorzystuje się do badania różnych rodzajów pamięci, również dotyczącej zdarzeń dawnych, których badany nie odtwarza spontanicznie. Skuteczność metody poprzedzania świadczy wówczas o tym, że ślad pamięciowy istnieje, a niepamięć zdarzenia jest spowodowana utrudnionym do niego dostępem. Według Squire'a (1992a) procedura poprzedzania nie tylko aktywuje istniejące ślady pamięciowe, lecz odpowiednio stosowana może ułatwiać uczenie się nowego materiału. 1 506 i Pamięć a hipokamp < • Rola hipokampa w mechanizmie pamięci jest niejako wyznaczona organizacją jego budowy i charakterem połączeń z innymi ośrodkami mózgu. Głównym objawem chorób mózgu, w których dochodzi do uszkodzenia hipokampa, są zaburzenia pamięci opisowej. Budowa hipokampa i formacji hipokampalnej Hipokamp (hippocampus), zwany też rogiem Ammona (cornu Ammonis) albo hipokampem właściwym, jest położony w tylnej części przyśrodkowej powierzchni płata skroniowego. Wraz z korą śródwęchową (cortex entorhinalis) i zakrętem zębatym (gyrus dentatus) tworzy formację hipokampalną. Filogenetycznie należy do kory starej, wykazującej typ budowy komórkowej zwany allocortex. Skomplikowana budowa formacji hipokampalnej jest spowodowana wpuklaniem się jej, w miarę rozwoju filogenetycznego mózgowia, w głąb półkuli. W wyniku tej transformacji hipokamp od strony brzusznej płata skroniowego jest zasłonięty zakrętem przyhipokampowym (gyrus parahippocampalis). W obrębie tego zakrętu znajduje się kora śródwęchową, która wykazuje pośredni typ budowy komórkowej, zwany Rys. 20.4. Budowa formacji hipokampalnej; A - widok od strony grzbietowej; B - widok od strony przyśrodkowej; C - przekrój czołowy przez płat skroniowy; D - przekrój , czołowy przez formację hipokampalną. Zakręt skroniowy górny Zakręt zębaty Zakręt skroniowy górny Zakręt skroniowy środkowy Zakręt skroniowy dolny Zakręt zębaty Kora śródwęchową 507 periallocortex. Dalej zakręt przyhipokampowy przechodzi w zakręt wrzecionowaty, należący do kory nowej i mający cechy budowy charakterystyczne dla isocortex. < Hipokamp właściwy składa się z 4 sektorów oznaczanych symbolem CA (od łac. cornu Ammonis) i kolejnymi cyframi: 1, 2, 3 i 4 (rys. 20.4). Sektor CA1 jest szczególnie wrażliwy na niedotlenienie, dlatego zaburzenie krążenia krwi w mózgu może wybiórczo upośledzić jego czynność w większym stopniu niż funkcję innych struktur. Głównymi komórkami hipokampa są komórki piramidowe. Natomiast w obrębie zakrętu zębatego występuje zbita warstwa komórek ziarnistych. Głównym źródłem połączeń nerwowych dochodzących do hipokampa jest kora śródwęchowa. Bierze tu początek droga przeszywająca, która dociera do zakrętu zębatego i tworzy synapsy z dendrytami komórek ziarnistych. Aksony komórek ziarnistych, zwane włóknami kiciastymi, wchodzą do hipokampa właś- ciwego i tworzą synapsy z dendrytami komórek piramidowych sektora CA3. Aksony tych komórek opuszczają hipokamp w kierunku przegrody (septum) (por. rys. 19.9). Po drodze odłączają się od tych aksonów włókna zwane bocznicami Schaffera. Bocznice te tworzą synapsy z dendrytami komórek piramidowych w sektorze CAL Aksony komórek piramidowych sektora CA1 opuszczają hipokamp i dochodzą do podkładki {subiculum). Z podkładki część połączeń dochodzi do kory śródwęchowej, zamykając krąg neuronalny umożliwiający krążenie impulsów nerwowych w obrębie hipokampa. Ta organizacja anatomiczna połączeń jest zachowana w skrawkach hipokampa, co umożliwia badanie in vitro zjawiska długotrwałego wzmocnienia synaptycznego, uważanego za komórkowy model pamięci. Z podkładki wychodzą włókna nerwowe wchodzące w skład sklepienia (fornix) - głównej drogi odprowadzającej (eferentnej) hipokampa (rys. 20.5). Włókna te dochodzą do ciał suteczkowatych (corpora mammillaria). Hipokamp ma rozległe połączenia ze strukturami kierującymi czynnościami popędowo-emocjonalnymi. Impulsy nerwowe z hipokampa docierają poprzez ciała suteczkowate i jądra przednie wzgórza do zakrętu obręczy. Z kolei zakręt obręczy Rys. 20.5. Połączenia hipokampa. " Zakręt obręczy \ ^-""-----"\ \ - ^\—-. Pęczek yĄ \X suteczkowo- Trzon r\ N -wzgórzowy sklepienia Jądra przednie ^ wzgórza U ™ Spoidło y sklepienia -\ nL\ 1*. Ciała \SŚ \\%\ Br^uteczkowate \>/ Słupy/ sklepienia Hipokamp^----JlhzZj } Odnogi klepienia 508 wysyła włókna do kory śródwęchowej. Za pośrednictwem zakrętu obręczy hipokamp może oddziaływać na okolice ruchowe kory mózgu. Hipokamp otrzymuje zintegrowane informacje sensoryczne z tzw. polimodal- nych obszarów asocjacyjnych - kory orbitofrontalnej, bieguna płata skroniowego i części zakrętu przyhipokampowego. Obszary te otrzymują z kolei informacje z pól asocjacyjnych poszczególnych modalności - wzroku, słuchu, dotyku i czucia głębokiego, i poprzez korę śródwęchową przekazują je do hipokampa. Na podstawie tych informacji w hipokampie mogą powstawać ślady pamięciowe. Rola hipokampa w mechanizmie pamięci u zwierząt U zwierząt, podobnie jak u ludzi, uszkodzenie hipokampa upośledza wykonywanie tylko niektórych testów. Świadczy to o tym, że nie tylko u człowieka, lecz także u zwierząt występuje kilka systemów obsługujących różne rodzaje pamięci. Rola hipokampa w mechanizmach pamięci różni się w zależności od gatunku zwierzęcia. '?'*'" ?' v| ,??.;??;?'. *' ??. ??????: ? • .;:>-?•? :-.,;?.; ;:,v:: .->.-.. Pamięć przestrzeni Zwierzęta mają zazwyczaj dobrze rozwiniętą pamięć środowiska, w którym żyją, i mogą się orientować w przestrzeni zarówno dzięki własnym mechanizmom sensorycznym jak i na podstawie bodźców zewnętrznych. Własne mechanizmy sensoryczne, oparte na propriocepcji i kinestezji, umożliwiają zapamiętanie przebytych odcinków drogi i zakrętów. Natomiast poruszanie się według bodźców otoczenia, zwane nawigacją, umożliwia zwierzętom osiąganie nawet odległych celów. Naturalną skłonność do penetrowania korytarzy i kryjówek w celu po- szukiwania pożywienia oraz umiejętność zapamiętywania miejsc już odwiedzonych i opróżnionych z pokarmu mają szczury. 0'Keefe (1976) wysunął koncepcję, że hipokamp szczura zawiera mapę, w której jest kodowany kontekst wzrokowo- -przestrzenny. Hipoteza ta powstała w wyniku badań opartych na rejestracji fal theta za pomocą rutynowej techniki elektroencefalograficznej i analizie potencjałów elektrycznych odbieranych z pojedynczych neuronów hipokampa za pomocą mikroelektrod. Fale theta o częstotliwości 7 + 3 Hz są elektroencefalograficznym wskaźnikiem reakcji wzbudzenia u zwierząt. Rozrusznik fal theta znajduje się w przyśrodkowej części przegrody i wysyła impulsy do sektora CA1 hipokampa oraz do zakrętu zębatego. W tych strukturach znajdują się sieci nerwowe wytwarzające rytm theta. Według koncepcji 0'Keefego fale theta uczestniczą w mechanizmie kodowania mapy środowiska. Gdy zwierzę porusza się w obrębie pewnej przestrzeni, fale te rozprzestrzeniają się w hipokampie i regulują pobudliwość komórek piramidowych. Pobytowi szczura w każdym miejscu odpowiada pobudzenie odpowiedniej grupy komórek. Rozkład tych pobudzeń, przechowywany w pamięci, jest natychmiast aktywowany, gdy szczur po pewnym czasie znajdzie się ponownie w tym środowisku. O'Keefe i Ostrovsky (1971), rejestrując aktywność pojedynczych neuronów hipokampa, znaleźli komórki, które nasilają aktywność bioelektryczną, gdy szczur znajduje się w określonym miejscu danego otoczenia. Neurony te, zidentyfikowane 5M jako komórki piramidowe sektorów CA1 i CA3, zostały nazwane komórkami miejsca. Inne komórki, reagujące, gdy szczur zmienia miejsce pobytu w labiryncie, nazwano komórkami przemieszczenia. Wykryto też neurony, których aktywność nasila się jeszcze przed wykonaniem ruchu. Są one prawdopodobnie uczynniane przez uprzednio powstałe ślady pamięciowe. Na podstawie omówionych wyników badań można sądzić, że informacja wzrokowa i kinestetyczna o przestrzennych właściwościach otoczenia dociera do hipokampa przez korę śródwęchową. Umożliwia to zakodowanie w hipokampie mapy topograficznej otoczenia. Dzięki plastycznym właściwościom neuronów hipokampa mapa ta jest nie tylko pamiętana z doświadczenia na doświadczenie, lecz także jest za każdym razem weryfikowana i dostosowywana do aktualnych zmian w otoczeniu. Posługując się mapą zwierzę od razu rozpoznaje, czy znalazło się w środowisku znanym, nowym czy też znanym, lecz zmodyfikowanym. Zależnie od wyników tego rozpoznania powstaje nowa mapa lub jest aktualizowana istniejąca. Uszkodzenie hipokampa niszczy mapę i uniemożliwia oparty na niej sposób orientacji. Zwierzę musi wówczas uczyć się „krok po kroku" właściwości przestrzennych otoczenia, nawet gdy w nim wielokrotnie przebywało. Można to wykazać za pomocą testów labiryntowych, do których wykonania niezbędna jest pamięć otoczenia. Do badania pamięci przestrzennej u szczurów Morris i wsp. (1982) używali labiryntu wodnego, czyli zbiornika wypełnionego zabarwioną wodą, tak aby pływające zwierzę nie widziało zanurzonej pod powierzchnią platformy. Gdy szczury trafią choć raz na platformę, bezbłędnie kierują się do niej w następnych próbach tej samej sesji doświadczalnej. Gdy następnego dnia położenie platformy jest zmienione, szczury po znalezieniu jej szybko podpływają do nowego miejsca w kolejnych próbach tego dnia. Zadanie to okazało się znacznie trudniejsze dla szczurów, którym operacyjnie usunięto obustronnie hipokamp. Natomiast gdy platforma była dobrze widoczna, wszystkie szczury - zarówno kontrolne, jak i operowane - znajdowały ją z łatwością. Wynik ten wskazuje na to, że uszkodzenie hipokampa nie upośledza orientacji zwierzęcia według bezpośrednich bodźców wzrokowych, natomiast uniemożliwia nauczenie się topografii labiryntu i zapamię- tanie miejsca, w którym jest ukryta platforma. Olton i Samuelson (1976) badali pamięć przestrzenną za pomocą labiryntu składającego się ze środkowego pola i promieniście rozchodzących się ramion. Na końcu każdego ramienia znajduje się pokarm. Głodne szczury chętnie wchodzą do ramion w celu zjedzenia tego pokarmu i czynią to według pewnego porządku: po opróżnieniu jednego ramienia wchodzą do następnego, nigdy nie „przeskakując" kolejności. Natomiast szczury, u których przecięto sklepienie (główną drogę odprowadzającą hipokampa), nie tylko odwiedzają ramiona już spenetrowane, lecz postępują w sposób chaotyczny. A zatem szczury operowane nie potrafią zapamiętać schematu przestrzennego labiryntu ani też jego części, w których dopiero co przebywały (rys. 20.6). Do badania pamięci przestrzeni u psów zastosowano układ doświadczalny opracowany w Instytucie Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN. Pies 510 Rys. 20.6. Labirynt do badania pamięci operacyjnej u szczurów. jest trzymany na smyczy w miejscu startowym, tak że może obserwować trzy identyczne karmniki. Nad jednym z karmników zapala się światło lub rozlega się ton sygnalizujący, że leży tam kawałek mięsa. Następnie bodziec wyłącza się i po pewnym czasie (odroczeniu) pies jest puszczony wolno, aby mógł dokonać wyboru. Gdy dojdzie do właściwego karmnika, otrzymuje nagrodę. W czasie odroczenia, w celu sprawdzenia trwałości śladu pamięciowego, stosuje się bodźce zakłócające (dystraktory). Psy nie operowane wykonują to zadanie bez trudności nawet przy odroczeniu dochodzącym do 2 minut. Natomiast psy z obustronnym uszkodzeniem hipokampa popełniają błędy, zwłaszcza gdy podczas odroczenia stosuje się bodziec dystrakcyjny (Kowalska, 1995). Wyniki te pokazują, że i u psów hipokamp odgrywa pewną rolę w pamięci przestrzeni, choć większe znaczenie mają u tych zwierząt inne obszary, zwłaszcza okolica przedczołowa. Podobne badania wykonane na małpach nie dały jednoznacznych wyników, gdyż pamięć przestrzeni jest u naczelnych zlokalizowana głównie w płatach czołowych. • , i . - , , . i-. Wybiórcza rola hipokampa w pamięci rozpoznawczej u małp W badaniach na małpach wykazano, że uszkodzenie hipokampa upośledza wybiórczo pamięć rozpoznawczą, natomiast nie zakłóca pamięci asocjacyjnej. W testach na pamięć rozpoznawczą zwierzętom pokazuje się obiekty dobrze znane w konfrontacji z obiektami pokazywanymi po raz pierwszy. Natomiast w testach na pamięć asocjacyjną pokazuje się obiekty znane, z których niektóre są nagradzane (czyli kojarzone z nagrodą), inne nie. Oba rodzaje pamięci testuje się za pomocą procedur nazywanych odroczonymi zadaniami zgodnymi lub niezgodnymi z wzorem (delayed matching-to-sample task i delayed non-matching-to-sample task). Proce- dury oparte na zadaniach zgodnych z poznanym wzorem składają się z sekwencji: trening wzoru - odroczenie - wykonanie jak we wzorze. W zadaniach niezgodnych z wzorem zwierzę musi po okresie odroczenia dokonać innego wyboru niż podczas treningu przed odroczeniem (rys. 20.7). j «»;:;?? : .<;?:;,>< W teście na pamięć asocjacyjną (Gaffan, 1974) małpa przebywała w klatce i obserwowała trzy karmniki umieszczone pod otworami w desce, które znajdowały 511 Rys. 20.7. Badanie pamięci asocjacyjnej u małp. WZÓR ZADANIE Nagroda Wybieraj zgodnie z wzorem Wybieraj niezgodnie z wzorem" Nagroda A \r A Nagroda się w jej zasięgu. Prezentacja wzoru polegała na zasłanianiu środkowego otworu kolejno 10 przedmiotami. Pod 5 przedmiotami znajdowała się nagroda, pod 5 nie było nagrody. Nagrodę tę małpa otrzymywała odsuwając przedmiot. W fazie wykonawczej te same przedmioty prezentowano ponownie, jednak tym razem ustawiając je nad prawym karmnikiem. Lewy karmnik był zakryty mosiężną pokrywką. Gdy nad prawym karmnikiem znajdował się przedmiot nagradzany w pierwszej fazie („wzorcowej"), również i teraz sygnalizował nagrodę. Gdy jednak nad prawym karmnikiem znajdował się przedmiot uprzednio nie nagradzany, nagroda znajdowała się w lewym karmniku pod mosiężną pokrywką. Małpa zatem musiała pamiętać, które bodźce były skojarzone z nagrodą, a które nie. Przecięcie sklepienia (głównej drogi odprowadzającej hipokampa) nie zakłócało wykonania tego testu nawet przy znacznym odroczeniu fazy wykonawczej. W teście na pamięć rozpoznawczą posługiwano się aż 300 różnymi przedmiota- mi, aby każdy przedmiot był widziany przez małpę nie częściej niż raz w tygodniu. W fazie wzorcowej testu pokazywano kolejno tylko 5 przedmiotów nad środkowym karmnikiem, z których wszystkie sygnalizowały nagrodę. W fazie wykonawczej, jak w poprzednim teście, przedmioty te ustawiano nad prawym karmnikiem i dotknięcie ich było nagradzane. Natomiast na przemian z tymi samymi, znanymi przedmiotami ustawiano 5 innych, nie znanych zwierzęciu przedmiotów. W tych próbach nagroda też była dostępna, ale znajdowała się w lewym karmniku przykrytym mosiężną pokrywką, której teraz należało dotknąć. Zadanie wymagało zatem umiejętności odróżnienia bodźców znanych (starych) od nieznanych (nowych). Wykonanie zadania było upośledzone u zwierząt z przeciętym sklepieniem, jeśli przerwa między prezentacją wzoru a wykonaniem zadania trwała dłużej niż minutę. >;] '!S Różnicę między pamięcią bodźców i pamięcią asocjacji uwidoczniono w eksperymencie, w którym uczono małpy reagowania na pary bodźców (Saunders 512 Rys. 20.8. Badanie pamięci rozpoznawczej u małp. -?""irilqp tl-^iuiś.-j .';•,:.;! *; A B C D AB+ • ir t : ' ? -: »? *.'• -'. . \ -? " Okolica przedczołowa (kora przedczołowa, prefrontal cortex) stanowi przednią część płata czołowego i leży ku przodowi od okolicy przedruchowej. Jej budowa wykazuje znaczne różnice gatunkowe. Okolica ta jest słabo rozwinięta u gryzoni, lepiej u drapieżnych, a najwyższy stopień rozwoju osiągnęła u naczelnych. Ale i w obrębie tego rzędu występują znaczne różnice między małpą i człowiekiem. U człowieka obszary czołowe, a wśród nich zwłaszcza okolice przedczołowe, dominują nad innymi obszarami kory. U naczelnych, w odróżnieniu od innych ssaków, okolice przedczołowe odznaczają się szczególnym typem budowy komór- kowej. Ich warstwa IV, wyjątkowo gruba, zawiera komórki wypełnione charak- terystycznymi ziarnistościami. Stąd kora przedczołowa jest niekiedy nazywana czołową korą ziarnistą (frontal granular cortex). U małp na powierzchni grzbietowo-bocznej okolicy przedczołowej wyróżnia się zagłębienie zwane bruzdą główną (sulcus principalis). W obrębie tego zagłębienia umiejscowiony jest obszar o ważnym znaczeniu dla pamięci przestrzeni. Ponad, poniżej i z tyłu bruzdy znajdują się obszary odgrywające rolę w mechaniz- mach percepcji i pamięci. Do okolicy przedczołowej docierają włókna nerwowe z różnych obszarów mózgu, głównie z układu limbicznego oraz z asocjacyjnych obszarów czuciowych kory. Główna projekcja z ośrodków podkorowych do okolicy przedczołowej pochodzi z jąder wzgórza, głównie przyśrodkowego grzbietowego i z jąder przednich. Za pośrednictwem jąder przednich wzgórza kora przedczołowa współ- działa z hipokampem. Istnieją też wzajemne związki kory przedczołowej z zakrętem obręczy. Ponadto kora przedczołowa jest połączona z asocjacyjnymi okolicami czuciowymi płata ciemieniowego i skroniowego. Za pośrednictwem tych obszarów do płata czołowego dochodzi informacja wzrokowa i czucia somatycznego. Najlepiej zbadane zostały projekcje, które pochodzą z pola 7 płata ciemienio- wego. Obszar ten jest niejednorodny czynnościowo, dlatego został podzielony na kilka mniejszych okolic. Ku przodowi leżące pole 7b sąsiaduje z okolicą czuciową (somatosensoryczną) płata ciemieniowego i stąd głównie otrzymuje połączenia. Leżące ku tyłowi od niego pole 7a otrzymuje informacje z kojarzeniowych pól wzrokowych, głównie z pola 19 (okolica V3). Pole to charakteryzuje się ponadto licznymi dwukierunkowymi połączeniami z układem limbicznym, a mianowicie z zakrętem obręczy i zakrętem przyhipokampowym. Wśród obszarów tej okolicy wyróżnia się jeszcze pole 7ip, również związane z polami wzrokowymi, takimi jak pole 19 (okolica V3) i pole V5 (okolica MT). Wszystkie wymienione obszary pola 7 dają projekcje do obszaru bruzdy głównej. Pole 7a ma dwustronne połączenia z częścią środkową tego obszaru. Połączenia te wchodzą w skład systemu odgrywającego rolę w pamięci przestrzeni. Pole 7ip wysyła włókna do części tylnej obszaru bruzdy głównej i do leżącego do tyłu od niego ośrodka kierującego ruchami gałek ocznych (pole 8a). Ośrodek ten generuje impulsy powodujące zwrot gałek ocznych ku odpowiednim bodźcom w otoczeniu. Włókna wychodzące z pola 7b dochodzą do części brzusznej bruzdy (Goldman-Rakic, 1988, 1990). System ten uczestniczy w mechanizmie pamięci bodźców czuciowych (rys. 20.10). y :%<'\ 515 Rys. 20.10. Połączenia okolicy przedczołowej z ośrodkami czuciowymi. / ..???'' Obszar asocjacyjny w płacie ciemieniowym Okolica przedczołowa PŁAT POTYLICZNY Badania nad rolą okolicy przedczołowej w procesach pamięci zapoczątkował w 1935 r. Jacobsen, stwierdzając upośledzenie wykonywania reakcji odroczonych u małp po uszkodzeniach tego obszaru. Podobne efekty obserwowano później u psów i kotów (Ławicka i Konorski, 1959). Badacze ci posługiwali się następującym układem doświadczalnym. Zwierzę musiało dokonać wyboru jednego z trzech karmników, zawierającego pokarm. Właściwy karmnik był uprzednio wskazany bodźcem wzrokowym lub słuchowym i zwierzę wybierało ten karmnik po pewnym okresie odroczenia. Wykonanie tego zadania normalnie nie przedstawia zwierzętom trudności, nawet gdy ich uwaga zostanie odwrócona przez zastosowanie dystraktora. Natomiast zwierzęta z uszkodzoną okolicą przedczołowa wykonują je poprawnie tylko wtedy, gdy zostaną uwolnione z uwięzi jeszcze w czasie trwania lub tuż po ustaniu sygnału. Konorski (1969) wyraził pogląd, że w okolicy przedczołowej powstaje przestrzenno-kinestetyczny schemat drogi do sygnalizo- wanego karmnika, utrzymujący się przez cały okres odroczenia. Pamięć tego schematu ulega zakłóceniu po uszkodzeniu wspomnianej okolicy. W doświadczeniach na małpach zwierzę obserwuje, gdzie eksperymentator ukrył pokarm (rys. 20.11). W tym celu małpie pokazuje się dwa puste karmniki, jeden z prawej strony, drugi z lewej. Eksperymentator wkłada pokarm do prawego karmnika i po chwili oba karmniki zasłania pokrywkami. Następnie na 5 sekund zasłania się scenę, aby uniemożliwić obserwację zakrytych karmników. Po upływie tego czasu scenę się odsłania i małpa może uzyskać nagrodę, wskazując właściwą pokrywkę. Wykonywanie tego zadania jest upośledzone u zwierząt z uszkodzoną okolicą przedczołowa. Krytycznym obszarem niezbędnym do jego wykonania jest okolica bruzdy głównej (Butters i Pandya, 1969). Obszar bruzdy głównej nie jest istotny dla wykonywania takich reakcji odroczonych, które nie angażują pamięci przestrzeni, natomiast są oparte na pamięci rozpoznawczej. 516 Rys. 20.11 Badanie pamięci operacyjnej u małp. ...Zapamiętaj, gdzie jest banan. Znaczenie okolicy bruzdy głównej dla pamięci umiejscowienia bodźca w przestrzeni wykazała Goldman-Rakic ze współpracownikami w finezyjnym doświadczeniu elektrofizjologicznym (Funahashi i wsp., 1991). Małpie implan- towano do tej okolicy mikroelektrody umożliwiające rejestrację aktywności pojedynczych komórek nerwowych. W czasie eksperymentu małpa siedziała przed ekranem i wpatrywała się w centralnie położoną plamkę (rys. 20.12). Bocznie od plamki ukazywał się mały jasny kwadrat, który gasł po upływie 0,5 sekundy. Małpa musiała jeszcze przez 1-6 sekund wpatrywać się w środek ekranu, a następnie zwrócić oczy w kierunku miejsca, gdzie znajdował się jasny kwadrat. Za wykonanie tej reakcji była nagradzana słodkim płynem. Wśród przebadanych komórek znaleziono neurony zmieniające charakter wyładowań w czasie odroczenia, tzn. gdy małpa jeszcze wpatrywała się w środek ekranu przed wykonaniem zwrotu oczu w kierunku miejsca ekspozycji jasnego kwadratu. Na podstawie tego wyniku Rys. 20.12. Badanie roli bruzdy głównej w pamięci przestrzeni u małp. Objaśnienia w tekście. ? ; , , -,.- ?• ^----------- 1-6sekund Patrz w środek... ... ...szukaj : ' ' Patrz nadal Patrz, gdzie widziałeś jasnego kwadratu Patrz nadal w środek... jasny kwadrat >..- .i-. 517 autorzy sugerują, że w obrębie bruzdy głównej kodowana jest mapa przestrzenna sytuacji, w której znajduje się zwierzę. Prawdopodobnie różne neurony są zaangażowane w pamięci różnych miejsc pola widzenia. Na podstawie tej informacji powstaje pobudzenie, które przenosi się do ośrodka kierującego ruchami gałek ocznych, znajdującego się ku tyłowi od bruzdy głównej. Dane te sugerują, że u naczelnych okolica bruzdy głównej, tak jak u gryzoni hipokamp, jest miejscem kodowania obrazu przestrzeni. Okolica przedczołowa jest u człowieka bardziej rozwinięta niż u małp. W miejscu odpowiadającym bruździe głównej małpy znajduje się pole cytoar- chitektoniczne 46 według klasyfikacji Brodmanna. Przypuszcza się, że pole to jest miejscem kodowania diagramu wzrokowo-przestrzennego, jednego z układów roboczych pamięci operacyjnej. Sugestie takie są poparte wynikami badań za pomocą emisyjnej tomografii pozytonowej (PET), w których stwierdzono zwięk- szenie przepływu krwi przez ten obszar w czasie rozwiązywania zadań angażujących pamięć operacyjną. 7 ' " ' - Udział płatów czołowych w pamięci operacyjnej zwiększa się wraz z rozwojem filogenetycznym. Stosunkowo niewielki u szczurów, jest on większy u psów i kotów, a najwyraźniej zaznaczony u naczelnych. Co więcej, dopiero u naczelnych płaty czołowe osiągnęły stopień rozwoju odpowiedni do precyzyjnego sterowania pamięcią operacyjną. Po uszkodzeniach bruzdy głównej krytyczny czas odroczenia, przy którym uwidacznia się upośledzenie wykonywanych reakcji, wynosi zaledwie 5 sekund. Upośledzenie reakcji odroczonych obserwowano również u małp po obustronnym uszkodzeniu hipokampa. Efekt ten zaznaczał się jednak przy stosowaniu znacznie dłuższych odroczeń (co najmniej kilkadziesiąt sekund). Konsolidacja śladu pamięciowego Dawny podział pamięci zakładał szeregowy układ poszczególnych jej rodzajów (zwanych też etapami). Zgodnie z taką organizacją pamięci ślady pamięciowe przechodzą kolejno z pamięci sensorycznej do krótkotrwałej i z krótkotrwałej do długotrwałej, gdzie ulegają konsolidacji. Utrwaleniu ulega tylko część śladów, inne zanikają jeszcze na etapie sensorycznym albo nie utrzymują się dostatecznie długo w pamięci krótkotrwałej. Podważył tę koncepcję przypadek pacjenta K.F., u którego etapy pamięci wydawały się funkcjonować równolegle. Pacjent ten po urazie czaszki wykazywał bardzo mały zakres pamięci krótkotrwałej - potrafił odtworzyć zaledwie jedną z podanych mu liczb. Mimo to uczył się dobrze szeregu wyrazów oraz par słów skojarzonych. Shallice i Warrington (1970) wysunęli zatem przypuszczenie, że zakodowanie śladu pamięciowego może zachodzić od razu w pamięci długotrwałej, bez pośredniego udziału etapu krótkotrwałego. Inni badacze nie potwierdzili tego poglądu. Baddeley i wsp. (1988) badali chorą z uszkodzeniem lewego płata skroniowego. Autorzy ci poddali pacjentkę testom angażującym bardziej pamięć semantyczną i testom, w których ślad pamięciowy utrzymywał się wyłącznie na bazie mechanizmu pętli fonologicznej. 518 i Pacjentka prawidłowo pamiętała treść usłyszanego opowiadania, a także listę sensownych wyrazów. Natomiast gdy podawano jej do zapamiętania wyrazy obcojęzyczne, których znaczenia nie znała, wykonanie tego zadania, podobnie jak zapamiętywanie szeregu liczb, okazało się znacznie upośledzone. Można sądzić, że również u pacjenta K.F. zaznaczyła się dysocjacja między sprawną pamięcią semantyczną a upośledzoną pamięcią operacyjną, a więc teza o kodowaniu śladu pamięciowego bezpośrednio w pamięci długotrwałej nie wydaje się dostatecznie udokumentowana. Inny jest mechanizm kodowania śladów pamięci nieświadomej, dlatego proces ten jest nazywany rejestracją, a nie konsolidacją. Zachodzi ona nie w jednym ośrodku, lecz w różnych strukturach kory mózgu, swoistych dla danego rodzaju informacji. Zarejestrowana informacja może być przechowywana nawet dość długo (kilka godzin, dni, a nawet miesięcy), nie jest jednak bezpośrednio dostępna. Wykorzystanie jej jest możliwe dopiero po aktywacji tego samego układu sensorycznego, w którym została zarejestrowana. W testach typu rozpoznawczego wejścia do układów sensorycznych są aktywowane za pomocą metody poprzedzania (priming), natomiast w przypadku pamięci procedur dostęp do rejestru pamięci staje się łatwiejszy w wyniku treningu, czyli powtarzania czynności. Każdorazowe wykonanie czynności aktywuje bowiem układ sensoryczny i ułatwia następne jej wykonanie. Co to jest ślad pamięciowy? "w ... ? Wyjaśnienie istoty długotrwałego śladu pamięciowego stanowi wyzwanie dla współczesnej neurobiologii ze względu na poznawcze i praktyczne znaczenie tego problemu. Wyniki wieloletnich badań wskazują na to, że powstanie śladu wiąże się z nasiloną syntezą białek w komórkach nerwowych (Davis i Squire, 1984). W trakcie rozwiązywania przez zwierzęta testów labiryntowych i testów opartych na unikaniu bodźca elektrycznego w klatce wahadłowej nasila się synteza mRNA i białka c-Fos w neuronach hipokampa (Matthies, 1989). Zablokowanie tej syntezy preparatami farmakologicznymi w pewnym krytycznym okresie po treningu powoduje, że uczenie się jest nieskuteczne. Według jednej z hipotez uczenie się może prowadzić do ekspresji genów syntetyzujących białka, których efektem działania jest zwiększenie siły połączeń synaptycznych między neuronami (Kaczmarek, 1994, 2000). W trakcie uczenia się komórka otrzymuje różnorodne informacje, na przykład o pobudzeniu różnych receptorów, o poziomie motywacji. Wszystkie te oddziaływania powodują: 1) uwolnienie neuroprzekaźników pierwotnych w synapsach, 2) aktywację przekaź- ników wtórnych w komórce i 3) uczynnienie czynników transkrypcyjnych i stymulację ekspresji genów. Można założyć, że powstałe w wyniku tego procesu białka odznaczają się pewną swoistością działania i powodują nasilenie transmisji w tych synapsach, które są istotne dla danego śladu pamięciowego. Wyjaśnienie istoty tego mechanizmu wymaga dalszych badań. *??' ? , i* * 21 • Środowisko życia. Życie społeczne ; .: a-0- ? . . JLjwierzęta zamieszkują obszar o określonych właściwościach fizycznych (ukształtowanie terenu, temperatura, wilgotność, nasłonecznienie, opady, wy- stępowanie zbiorników wody) i biologicznych (roślinność, dostępność pokarmu). W środowisku tym wybierają miejsca dające schronienie przed niekorzystnymi warunkami klimatycznymi, znajdują kryjówki przed wrogami, budują gniazda, w których rodzi się i wychowuje potomstwo, a niektóre również gromadzą pożywienie. Przebywając na danym terenie zwierzęta tworzą grupy z innymi osobnikami swego gatunku. Rozwija się życie społeczne, które umożliwia rozród, zapewnia grupowe działania obronne, zdobywanie pokarmu i wędrowanie, a u gatunków wyższych ewolucyjnie kształtuje wrażliwość emocjonalną współżycia z innymi osobnikami. Relacje socjalne są też źródłem konfliktów, gdy w grę wchodzi konkurencja o zasoby środowiska, obrona terytorium, ustalanie hierarchii w stadzie lub rywalizacja o samicę. ? .?„?? Miejsca bytowania zwierząt Obszary, na których zwierzę dłużej lub krócej przebywało w ciągu swego życia, nazywa się strefą życiową danego osobnika. W obrębie tej strefy znajduje się teren, nazywany strefą mieszkalną, na którym zwierzę stale bytuje i spełnia swe czynności życiowe: znajduje pokarm i wodę, wydaje na świat potomstwo. Miejsce zajmowane przez danego osobnika nazywa się siedliskiem (habitatem). Właściwe siedlisko zapewnia zwierzęciu warunki do rozmnażania się, żerowania i ochrony przed wrogami. .. ?rwrf. ??'?,?< ńyjtrf Gatunki tzw. filopatryczne są przywiązane do miejsca urodzenia. Należą do nich niektóre ptaki (np. mewy) i ryby (np. łososie). Młode łososie opuszczają rodzimy potok, wędrują do jeziora, ale później wracają do miejsca urodzenia i tu składają ikrę. Prawdopodobnie w tym siedlisku (habitacie) mają najlepsze warunki ekologiczne i fizjologiczne do rozmnażania się. Filopatryczność jest właściwością wrodzoną, ale w przywiązaniu do konkretnego miejsca może odgrywać rolę 520 uczenie się o cechach wpajania (imprinting). W odróżnieniu od gatunków fllopatrycznych zwierzęta koczujące (z ptaków np. gawrony, ze ssaków np. bawoły i antylopy) zajmują przypadkowo znalezione miejsca i pozostają w nich aż do wyczerpania zasobów pokarmu. Ważną rolę w życiu zwierzęcia odgrywa gniazdo, które ma szczególne znaczenie dla wydania i wychowania potomstwa. Ptaki budują gniazda w okresie godowym, przeznaczone zwykle dla jednej rodziny. Gniazdo ma też znaczenie jako kryjówka przed wrogami. Owady społeczne zakładają zbiorowe gniazda, w których jest utrzymywany odpowiedni mikroklimat. Na wiosnę matka pszczoły miodnej zostawia stare gniazdo córce, sama zaś odlatuje z połową robotnic i cały rój zajmuje miejsce w pobliżu. Zwiadowczynie udają się na poszukiwanie nowej siedziby. Penetrują dziury w ziemi i w drzewach, następnie wracają i informują tańcem pozostałe pszczoły o odległości, miejscu i rozmiarach siedzib. Gdy relacje różnych zwiadowczyń różnią się, pszczoły zwlekają z wyborem. Wtedy zwykle te, które znalazły gorsze miejsce, zaprzestają tańca. Gdy miejsca są równoważne, podjęcie decyzji może trwać kilka dni. /** Wędrowność . Zwierzęta opuszczają kryjówki ze wględu na żerowanie albo są do tego skłaniane przez warunki klimatyczne. Gdy zwierzę udaje się na żer, zapamiętuje szczegóły przestrzeni i według nich trafia do domu z powrotem. Jednak zwierzęta potrafią również wracać z wędrówek, gdy są nagle przemieszczone przez wiatr lub prąd wody. Powrót do domu odbywa się wówczas za pomocą kompasu i na podstawie pamięci szczegółów terenu, która odgrywa rolę mapy. Rolę kompasu może odgrywać słońce, a u niektórych ptaków światło spolaryzowane odbite od błękitu nieba, widocznego przez przerwy w zachmurzeniu. Poruszanie się zwierząt według kompasu i znajomości terenu nazywa się nawigacją. Mechanizmy nawigacji były szczególnie intensywnie badane u gołębi (Walcott, 1972). Prawdopodobnie istnieje kilka komplementarnych urządzeń kompasowych. Najważniejsza informacja, którą jest położenie słońca, musi być zintegrowana ze wskazaniami endogennego zegara biologicznego. Dzięki niej ptak rozpoznaje, jaka jest pora dnia i w którym miejscu jest słońce. Jednak gołębie radzą sobie i bez tej informacji, gdy niebo jest całkowicie zachmurzone, a nawet w nocy. Zakładanie gołębiom soczewek kontaktowych, utrudniających widzenie, nie upośledzało nawigacji, jedynie ptak lądował nie całkiem precyzyjnie w gołęb- niku. Kiedy gołębiom zakładano na grzbiet magnes albo nakładano na głowę hełm zawierający elektromagnes, zakłócało to nawigację tylko przy braku słońca, natomiast nie miało znaczenia w dni słoneczne. Wysunięto zatem hipotezę, że ptak może mieć poczucie pola magnetycznego Ziemi. Podobne badania wykonywano na ptakach wędrownych. Amerykański trznadel ma miejsca rozrodu we wschodniej części Stanów Zjednoczonych. Na zimę wędruje do środkowego Meksyku, podróżując nocami. Ptaka trzymano w klatce, z której wiosną usiłował startować na północ. Kierunek ten zmieniał się, gdy wokół klatki wytwarzano sztuczne pole 521 magnetyczne. W warunkach naturalnych ptaki te orientują się według gwiazd widocznych w północnej części nieba. Natomiast gdy niebo jest pokryte chmurami, wykorzystują do nawigacji pole magnetyczne Ziemi. Przypuszcza się, że umiejęt- ność orientacji według gwiazd trznadel nabywa wskutek wpajania we wczesnym okresie życia, który spędza na północy. Wizerunek tego nieba ułatwi mu powrót do tych stron, gdy dorośnie i będzie się przygotowywał do własnego rozrodu. Wędrowność jest cechą nie tylko ptaków, lecz także ryb, gadów, ssaków, a nawet owadów. Są dwie przyczyny wędrowności. Pierwsza polega na poruszaniu się między strefami o różnych, zależnie od pory roku, zasobach żywności. Drugą jest szukanie miejsc o odpowiednich warunkach do rozrodu. Wiele zwierząt podejmuje takie właśnie wędrówki. Na przykład wieloryby poza rozrodem przebywają w chłodnych wodach oceanu obfitujących w pokarm, natomiast do rozrodu wybierają miejsca ciepłe i osłonięte, gdzie nie ma niebezpieczeństwa odłączenia młodych przez sztorm i jest mniejsze ryzyko ataku ze strony napastników. Rozwój ewolucyjny wędrowności stanowi przedmiot dociekań wielu badaczy. Właściwość ta, choć ma duże znaczenie adaptatywne, wiąże się z o wiele większym kosztem niż osiadły tryb życia. Przypuszcza się, że w pierwszym etapie powstała wędrowność krótkodystansowa (na odległość do kilkudziesięciu kilomet- rów), obejmująca też przemieszczenia pionowe (na przykład w górach), która potem przekształciła się w wędrowność o dalekim zasięgu (na odległość do kilku tysięcy kilometrów), gdy koszt takiej podróży równoważył podjęcie ryzyka. Za rekordzistów uchodzą arktyczne rybówki pokonujące corocznie trasę z Kanady do Antarktyki i z powrotem o łącznej długości 40000 kilometrów (Cox, 1985). w Niebezpieczeństwa długodystansowych podróży spowodowały, że u wędrow- nych ptaków wykształciły się różne taktyki behawioralne ograniczające niepożądane konsekwencje dalekich lotów. Należy do nich lot grupowy, zmniejszający ryzyko ataku ze strony napastnika. Niektóre gatunki wybierają optymalne pod względem bezpieczeństwa trasy lotu. Na przykład wędrowne ptaki śpiewające lecą z Europy Zachodniej do Afryki Środkowej nad Hiszpanią i Gibraltarem, by skrócić czas przelotu nad wodą (Berthold i wsp., 1992). Z kolei ptaki z rodziny Vireonidae, mieszkańcy zachodniej części Stanów Zjednoczonych, lecąc na południe do ujścia Amazonki, mają do wyboru krótszą trasę nad wodami Zatoki Meksykańskiej lub dłuższą, lecz mniej ryzykowną, drogę wzdłuż lądu. Wybór trasy zależy od ich masy ciała. Osobniki o małej zawartości tkanki tłuszczowej kierują się wzdłuż lądu, gdzie są szansę na odpoczynek i uzupełnienie rezerw energetycznych, natomiast ptaki z dużymi zapasami tłuszczu podejmują ryzyko lOOO-kilometrowego lotu nad zatoką (Sandberg i Moore, 1996). Terytorializm Zwierzęta tzw. terytorialne zajmują pewien obszar w obrębie swej strefy mieszkal- nej, zwany terytorium (rewirem). Rozróżnia się terytoria mieszkalne należące do pojedynczych osobników, par lub niewielkich grup i terytoria godowe (np. 522 " - 1 tokowiska, rykowiska), czasowo służące czynnościom rozrodczym. Niektóre ptaki, jak mewy i czaple, są terytorialne tylko sezonowo. Terytorializm kosztuje, ponieważ zdobycie terytorium wymaga czasu i wysiłku, a oznajmianie głosem własności terytorium może zwabić napastnika. Zwierzę patrolujące terytorium ma też mniej czasu na spełnianie innych ważnych czynności życiowych, jak odżywianie się. Zjawisko to zostało zbadane doświadczalnie przez Marler i Moore'a (1989) u górskich jaszczurek gatunku Sceroporus jarrovi. Zwierzęta te są terytorialne tylko w okresie godowym latem. Samce, którym implantowano pod skórę kapsułki z testosteronem, intensywniej eksplorowały zajęty teren, rozszerzały swoją posiadłość i częściej wchodziły w konflikt z intruzami. Konsumowały jednak przy tym mniej owadów i ginęły z głodu. Można było temu przeciwdziałać, udostępniając im dodatkowy pokarm. ?';# Powstaje zatem pytanie, co jest bardziej opłacalne - posiadanie rewiru czy rezygnacja z niego. Zagadnienie to jest trudne do rozstrzygnięcia. Terytorium niewątpliwie przynosi korzyści ekonomiczne. Z pewnym przybliżeniem można oszacować wartość kaloryczną zasobów pokarmowych na danym terenie i porównać koszt energetyczny obrony terytorium i żerowania poza jego granicami. Jeżeli pokarm jest równomiernie rozproszony w terenie, zwierzęta odżywiające się trawą rzadziej zajmują terytorium. Przy dużej konkurencji o pokarm właściwą strategią także jest zmniejszenie bronionego obszaru, a nawet opuszczenie go, gdy koszt obrony jest znaczny. Jednak ocena korzyści, jakie daje posiadanie rewiru, jest niepełna bez uwzględnienia znaczenia terytorializmu dla rozrodu. Zajęcie i posia- danie terytorium zwiększa szansę zdobycia partnera seksualnego, a potem daje bezpieczeństwo potomstwu i zapewnia mu korzystne warunki klimatyczne. Życie zbiorowe zwierząt Zwierzęta rzadko żyją w samotności i tworzą zbiorowości złożone z kilku lub więcej osobników. Najprostszymi zbiorowościami są zespoły anonimowe, zwane też biernymi agregacjami. W zespołach tych poszczególne osobniki nie znające się wzajemnie tworzą przypadkowe grupy w związku z rozmieszczeniem dóbr koniecznych im do życia, gdy pokarm, woda lub pożądane warunki klimatyczne (cień, nasłonecznienie, ochrona przed deszczem) występują w ograniczonych miejscach środowiska. Agregacje bierne nie mają jednak znaczenia adaptatywnego. Przeciwnie, eliminacja pewnej liczby osobników może być korzystna, ponieważ automatycznie zwiększa ilość zasobów dla pozostałych członków grupy. Jednak jeśli taka grupa przebywa na ograniczonym terenie, poszczególne osobniki koordynują swe działania, na przykład wspólnie uciekają przed niebezpieczeństwem, czyli powstają między nimi luźne więzi społeczne. Trwała więź społeczna jest podstawą powstawania grup o znaczeniu adaptatyw- nym. Więź ta obejmuje ogół zależności fizycznych, biologicznych i psychicznych, niezbędnych do powstania zbiorowości społecznej z ukształtowanymi stosunkami społecznymi. Każdy członek takiej zbiorowości odgrywa określoną rolę, która przejawia się właściwymi dla niej formami zachowania. Przedmiotem badań są 523 zazwyczaj zbiorowości zwierząt złożone z przedstawicieli jednego gatunku, czyli tzw. zespoły homotypowe. Znane są też zbiorowości różnogatunkowe o różnym stopniu zależności i organizacji, niekiedy też z zaznaczoną dominacją jednego gatunku nad drugim. .???:; ii Rodzaje zbiorowości zwierząt Rozróżnia się zespoły dwóch (diadyczne), trzech (triadyczne) i wielu osobników (poliadyczne). Najprostszym zespołem jest para osobników tej samej płci, nazywanych kompanami, lub osobników różnej płci, oparta na więzi seksualnej. Większe zbiorowości oparte na trwałych stosunkach społecznych, wykonujące skoordynowane działania, nazywa się grupami społecznymi. Wśród nich rozróżnia się grupy rozrodcze, grupy wielorodzinne, grupy terytorialne, grupy celowe i grupy, które łączy jednakowe zadanie biologiczne. Grupy rozrodcze są związane wspólnym pochodzeniem, ponieważ wywodzą się od wspólnych przodków. Wśród nich występują grupy rodzinne, składające się z jednego lub obojga rodziców wraz z potomstwem, a także szczepy, złożone z kilku pokoleń. Szczególne miejsce wśród grup rozrodczych zajmują zespoły małp (makaków, pawianów, goryli lub szympansów) o ustalonej hierarchii społecznej. Do grup wielorodzinnych należą gromady zwierząt, nazywane też hordami, podejmujące wspólne przedsięwzięcia, często z podziałem zadań społecznych. Składają się z kilku rodzin, a więc pochodzą od różnych przodków. Takie grupy tworzą, na przykład, bobry wspólnie budujące tamy. Grupami terytorialnymi nazywa się zespoły osobników, które znalazły się na wspólnym terytorium w celu wykonywania wspólnych skoordynowanych działań. Takimi zespołami są kolonie lęgowe wielu gatunków ptaków (kawek, mew). Członkowie kolonii zwykle współdziałają ze sobą w obronie całego zespołu. Grupy celowe tworzą zespoły osobników wyodrębnione w celu wykonywania jednego zadania, na przykład pielęgnowania młodych z całej wspólnoty. Grupy takie opisano u morsów i pingwinów, choć przejściowo występują też u małp. Grupy o jednakowych właściwościach biologicznych są tworzone przez zwierzęta jednej płci i w jednym wieku, na przykład przez samce odseparowane od samic przed porodem. Niektórzy zaliczają do takich grup kasty owadów społecznych. „Społeczeństwa" owadów Owady tzw. społeczne (np. mrówki, termity, pszczoły, osy) tworzą wysoko zorganizowane społeczności, liczące miliony osobników. Ich członkowie są tak uzależnieni społecznie, że poza zbiorowością mogą przeżyć najwyżej kilka dni. Zbiorowości takie są nazywane „państwami" albo „społeczeństwami". Należy jednak zastrzec, że w odróżnieniu od wyłonionych kulturowo społeczeństw ludzkich społeczeństwo owadów jest tworem ukształtowanym wyłącznie biologicznie, jako „grupa osobników należących do jednego gatunku i uorganizowanych w sposób umożliwiający współdziałanie" (Wilson, 1975). Społeczeństwo owadów można zatem uważać wyłącznie za szczególny rodzaj zbiorowości, w której osobniki 524 Tabela 21.1. Stadia rozwoju społeczeństw u owadów społecznych Stadia społeczne Zachowania Samotne Brak opieki nad potomstwem Podspołeczne (subsocia!) Czasowa opieka nad larwami Gromadne (communal) Brak współdziałania w opiece nad potomstwem Niemal społeczne (quasisocia!) Występuje współdziałanie członków grupy w opiece nad potomstwem Półspołeczne (semisocial) Występuje reprodukcyjny podział pracy: robotnice opiekują się młodymi Właściwie społeczne (eusociat) Występuje reprodukcyjny podział pracy: robotnice opiekują się młodymi; występuje współistnienie pokoleń: potomstwo pomaga rodzicom jednego gatunku współdziałają w opiece nad potomstwem i w której współżyją co najmniej dwa pokolenia zdolne do pracy, tak że potomstwo pomaga rodzicom. Społeczeństwa owadów powstały w wyniku długiego rozwoju ewolucyjnego. Etapy tego rozwoju ilustruje tabela 21.1. Głównym kryterium, na podstawie którego zalicza się gatunek do określonego stadium społeczności, jest forma opieki nad potomstwem. W stadium gromadnym ogranicza się ona do udziału matki, w stadium niemal społecznym zaznacza się współpraca różnych osobników, a w stadium półspołecznym występuje już reprodukcyjny podział pracy. W najwyższym stadium, eusocjalnym, dochodzi do współistnienia i współpracy starszego i młodszego pokolenia. W koloniach pszczoły miodnej (Apis melliferd) występuje wyraźnie zaznaczony podział na kasty, które mają zróżnicowane obowiązki wynikające z czynności rozrodczych. Królowe kopulują z samcami i składają jaja do różnych komórek plastra. Zadaniem robotnic jest czyszczenie i karmienie larw oraz zbieranie pożytku. W zależności od rodzaju dostarczanego pokarmu (tzw. mleczka królewskiego lub zwykłego) larwa przekształca się w królową lub robotnicę. Robotnice są bezpłodne i nie mogą mieć własnego potomstwa. Ułomność tę kompensują pełną zaangażowa- nia opieką nad wychowywaniem potomstwa swej matki. Jest to dla nich jedyny sposób przedłużenia istnienia własnych genów. Ponieważ królowa żyje kilka lat, a robotnice tylko kilka tygodni, w kolonii współistnieje kilka pokoleń. Ich zróżnicowane obowiązki rozrodcze nazywa się reproduktywnym podziałem pracy. Dzięki współdziałaniu osobników w gnieździe owadów społecznych utrzymuje się względnie stały mikroklimat. W chłodne dni pszczoły-robotnice wytwarzają ciepło, wykorzystując do tego własną przemianę materii. Przy znaczniejszym obniżeniu temperatury skupiają się w grona, zapobiegając utracie ciepła. W czasie upałów jedne robotnice przynoszą wodę z zewnątrz, inne zaś rozpryskują ją do komórek plastra, jednocześnie przyspieszając parowanie poruszaniem skrzydełkami. Wskutek tego temperatura wewnątrz ula niezależnie od temperatury zewnętrznej waha się w wąskim zakresie 34,5-35,5°C (Lindauer, 1954). A więc i pod względem zachowania termoregulacyjnego zaznaczony jest podział zadań między różne osobniki. 525 Wykonywanie przez kolonie owadów społecznych tak wielu czynności spowodowało dawniej traktowanie tych kolonii jako swojego rodzaju nadorganiz- mów, w których poszczególne osobniki odgrywają rolę komórek ustroju, kasty natomiast funkcjonują jak narządy. Na przykład robotnice przyrównywano do komórek somatycznych, a królowe do komórek rozrodczych. Podobnie zbiorowy system utrzymujący mikroklimat gniazda funkcjonuje nie mniej precyzyjnie od układu fizjologicznego regulującego temperaturę ciała zwierzęcia stałocieplnego. Jednak obecnie pogląd ten nie znajduje zwolenników. Skutki życia społecznego Życie społeczne przynosi członkom grupy korzyści, które najczęściej zdecydowanie przeważają nad poniesionymi kosztami. Do najważniejszych korzyści życia zbiorowego należy zaliczyć łatwiejsze przeciwstawianie się szkodliwemu działaniu czynników klimatycznych (budowanie osłon przed zimnem, skupianie się) i skuteczniejszą ochronę przed naturalnymi wrogami. Wzrost agregacji umożliwia częstsze kontakty płciowe i zwiększa płodność u wielu owadów. U wielu ptaków w liczniejszej grupie zwiększa się przeżywalność młodych, a tym samym większa liczba piskląt nie staje się łupem drapieżników. Jaskółki gatunku Riparia riparia tworzą kolonie lęgowe liczące do kilkuset par. Składanie jaj jest zsynchronizowane. Tak zorganizowane życie gromadne ułatwia odpędzanie wrogów, a jeśli zjawi się drapieżnik, to nie mając dostępu do środka, atakuje tylko ptaki mieszkające na obwodzie kolonii. W Afryce obserwowano grupy małp, które chodziły w pojedynkę w poszukiwaniu pokarmu, w pewnych jednak porach dnia tworzyły grupy, ponieważ w ten sposób zmniejszały liczbę ukąszeń owadów. Współdziałanie wielu osobników w grupie wymaga sprawnej koordynacji działań. Sprzyjają temu mechanizmy fizjologiczne i behawioralne. Mechanizmy fizjologiczne odgrywają rolę w synchronizacji czynności rozrodczych i opierają się na działaniu substancji zapachowych (feromonów). Wydawanie potomstwa w jed- nym czasie przez wszystkie ciężarne samice w grupie umożliwia wspólne wychowanie młodych, których znaczna liczba przekracza możliwości konsumpcyjne drapieżników. Mechanizmy behawioralne działają poprzez synchronizację zachowania popędo- wego. Czynnikiem wyzwalającym dane zachowanie może być widok innego osobnika. Zwierzęta mają zdolność naśladowania behawioru innych osobników - zjawisko to nazywa się zachowaniem allelomimetycznym (od gr. aAAr|A,cov, allelon - nawzajem, |ji|Lir|TiKÓc, mimetikos - naśladowczy). W ten sposób, nasycony osobnik może zacząć jeść, gdy zobaczy innego osobnika jedzącego. Podobny mechanizm wyzwala zbiorowe odpędzanie napastnika. W synchronizacji działań behawioralnych odgrywają też rolę sygnały głosowe, ostrzegające przed niebezpieczeństwem. Życie społeczne oprócz niewątpliwych korzyści przynosi również niekorzystne skutki. Do najważniejszych należy wzrost współzawodnictwa i walk wewnątrz- gatunkowych o pokarm czy miejsce w gnieździe. Nadmierne zagęszczenie stada zmniejsza płodność, zwłaszcza przy ograniczonych zasobach pokarmowych. I wreszcie kontakty między osobnikami sprzyjają szerzeniu się chorób zakaźnych. 526 Rodziny zwierzęce - Znaczenie rodziny dla fizycznego i psychicznego rozwoju osobnika zaznacza się szczególnie wyraźnie u małp. U rezusów i innych gatunków wykazano ważną rolę matki w kształtowaniu się cech psychicznych u młodych. Kilkudniowe pozbawienie młodego rezusa kontaktu z matką powoduje, że reaguje on większym strachem na nieznane obiekty lub na wprowadzenie do nowej klatki. Objawy te jednak ustępują po przywróceniu kontaktu (Hinde i Spencer-Booth, 1971). Długotrwałe odłączenie od matki, na kilka miesięcy, powoduje poważne zaburzenia zachowania. O ile małpy na ogół unikają spojrzeń swoich towarzyszy, ?Okno 9- Lepiej u mamy... Według ustalonego poglądu, potomstwo po osiągnięciu zdolności do samodzielnego życia opuszcza rodzinne gniazdo. Stephen T. Emlen (1997) stwierdził, że nie jest to regułą, lecz zależy od okoliczności i warunków środowiska. Jeżeli populacja jest nadmiernie zagęszczona i wszystkie dostępne rewiry są zajęte albo w otoczeniu brakuje żywności, lepiej pozostać w rodzinnym domu i korzystać z nagromadzonych tu zapasów. Oczywiście rodzice nadal rodzą potomstwo i rodzina się powiększa. Tworzy się grupa stabilna genetycznie, o ustalonej hierarchii społecznej, zaznacza się nowy podział zadań i współpraca. Starsze potomstwo opiekuje się młodszym rodzeństwem, a u ptaków nawet pomaga rodzicom je karmić. Dorośli członkowie rodziny wspólnie bronią terytorium, a niektóre gatunki gromadzą na nim zapasy żywności. W takiej sytuacji warunki życia w grupie są znacznie lepsze niż poza nią. Jest bezpieczne i zasobne terytorium, brakuje tylko możliwości rozrodu, gdyż odpowiednie mechanizmy zapobiegające inbredowi przeciwdziałają kopulacjom między spokrewniowymi osobnikami. Strata ta jest wprawdzie w pewnym stopniu skompen- sowana, ponieważ starsi uczestnicząc w wychowaniu młodszego rodzeństwa ułatwiają propagację genów, które otrzymali od tych samych rodziców. Jednak przy nadarzającej się okazji, na przykład gdy można zająć terytorium opuszczone przez dotychczasowego właściciela, dorosły osobnik opuszcza dotychczasową rodzinę, aby założyć własną. Trwałość rodzin w zależności od warunków środowiska badano u gajówki (Acrocephalus sechellensis), zamieszkującej małe wyspy na północ od Madagaskaru. Początkowo przy niewielkiej liczebności tego ginącego gatunku ptaki nie tworzyły trwałych grup rodzinnych, ponieważ dojrzałe osobniki łatwo znajdowały miejsca do samodzielnego życia. Potem, gdy wskutek celowej działalności człowieka warunki poprawiły się na tyle, że gatunek zwiększył liczebność i w otoczeniu zaczęło brakować już miejsc dla nowych terytoriów, tworzenie rodzin stało się regułą. Wówczas część ptaków przeniesiono na inną, bardziej przestronną wyspę. W nowych warunkach rodziny rozpadły się, ponieważ dojrzałe osobniki opuściły je i zasiedliły niezamieszkane tereny. Przedmiotem zainteresowania badaczy jest obecnie wpływ zmiany składu rodziny na stosunki społeczne w grupie. Dotyczy to sytuacji, gdy jedno z rodziców umiera. Nieuchronnie prowadzi to do konfliktów. Jeżeli jego miejsce zajmie obcy osobnik, nie jest zainteresowany inwestowaniem w wychowanie zastanego obcego genetycznie potomstwa. U niektórych gatunków ptaków syn zajmuje pozycję ojca, wypędza matkę i dobiera sobie obcą samicę. Powstaje wtedy nowa rodzina, która staje się właścicielem terytorium. Stopień pokrewieństwa między przyrodnim rodzeństwem jest wówczas niższy, co powoduje, że dojrzałe osobniki szybciej opuszczają grupę. Takie zachowanie wynika z zasad doboru krewniaczego - im dalsze pokrewieństwo, tym mniejsza możliwość propagacji własnych genów przez pomoc w wychowywaniu młodych. Gdy sytuacja się powtarza i kolejny syn zajmuje pozycję ojca, tworzy się układ dynastyczny polegający na tym, że terytorium pozostaje w trwałym władaniu kolejnych sukcesorów. 527 o tyle zwierzę w dzieciństwie izolowane od matki wpatruje się w nich i z tego powodu często staje się obiektem ataku. Nie nawiązuje też właściwych kontaktów międzyosob- niczych w grupach liczących więcej niż 2-3 osobników. Wykonuje ruchy stereotypo- we (kiwanie się, gryzienie i ssanie palców). Samice, gdy dorosną, są złymi matkami - nie dbają o potomstwo i narażają je na niebezpieczeństwo (Harlow i Harlow, 1962). W przytoczonych wyżej eksperymentach zwierzęta były pozbawiane nie tylko matki, lecz także w ogóle kontaktów socjalnych. W dalszych badaniach okazało się, że zaburzenia zachowania występują także wtedy, gdy małe rezusy są wychowywane z matkami, ale bez rówieśników. W późniejszym wieku zwierzęta te wykazują nieumiejętność zabawy i zaburzenia czynności seksualnych (nie są zdolne do prawidłowego aktu płciowego). Z kolei małpy wychowywane w towarzystwie rówieśników, ale bez matek, są mniej skłonne do zabawy, wykazują niedorozwój zachowania seksualnego, a co charakterystyczne - wykazują odmienny wzorzec interakcji z rówieśnikami: zamiast normalnej zabawy lgną do nich jak do matki. W celu zbadania tego zjawiska wychowywano małpki z surogatami matek. Surogat wykonywano z drutu albo z miękkiej tkaniny i wyposażano w butelkę z mlekiem. Małpki wolały miękki surogat, nawet nie dający pokarmu. Tak samo wolały sztuczną matkę poruszającą się od matki stacjonarnej (Harlow i Zimmermann, 1959). Lgnięcie do rówieśników może więc wyrażać tendencję do traktowania ich jako surogatu matki. Dominacja Zwierzęta współzawodniczą o zdobycie pożądanych obiektów: pokarmu, terytorium, miejsca o korzystnych właściwościach klimatycznych lub partnera seksualnego. Chociaż we współzawodnictwie tym niejednokrotnie dochodzi do walk, rzadko występuje otwarta agresja, niebezpieczna dla ich uczestników. Częściej zwierzęta ograniczają się do póz grożenia, a czasem jeden osobnik wycofuje się, zanim nastąpi atak drugiego. Szczególny rodzaj współzawodnictwa występuje przy ustalaniu hierarchii społecznej, która polega na dominowaniu w danej zbiorowości jednych osobników nad innymi. Status osobnika w hierarchii może wynikać z jego cech fizycznych, takich jak siła i wielkość ciała, a u zwierząt wyższych również z cech psychicznych, takich jak inteligencja i przedsiębiorczość. Osobnika zajmującego pierwsze miejsce nazywa się osobnikiem alfa (dominantem), zajmującego zaś miejsce ostatnie - osobnikiem omega. Inni członkowie grupy mają przypisane rangi pośrednie. Dominacja nie jest procesem statycznym, lecz może się zmieniać zależnie od okoliczności. Ranga osobnika może się obniżyć, na przykład wskutek jego choroby, może też wzrosnąć, na przykład gdy choruje lub ginie osobnik nad nim dominujący. Dominacja w koloniach małp ?>- < ' Jeżeli w danej zbiorowości występuje stopniowana organizacja hierarchii społecznej, jej schemat można poznać, izolując z niej kolejno pary osobników i porównując, który z nich osiąga przewagę w stosowanych testach, polegających na przykład na 528 zdobywaniu pokarmu. Każdemu osobnikowi przypisuje się rangę zależną od tego, ile razy zwyciężył, gdy tworzył parę z różnymi członkami zbiorowości. Ustaliwszy kolejność rang można badać wzajemne relacje między osobnikami zajmującymi bliższe i dalsze miejsca w hierarchii. Behawioralnym wskaźnikiem dominacji u małp może być łagodne drapanie (tzw. iskanie) jednego osobnika przez drugiego. Pierwotnym celem iskania jest czyszczenie sierści i usuwanie pasożytów. Dlatego zdarza się, że makaki i lemury eksponują do iskania przez inne osobniki te części swego ciała, których same nie mogą dosięgnąć i oczyścić. Zabieg ten nabrał jednak znaczenia socjalnego i rezusy używają go, aby zapobiec agresji ze strony innego osobnika. Iskanie może być jednak wykorzystane jako wskaźnik dominacji, gdyż u wielu gatuków małp osobnik iskany zajmuje z reguły wyższą rangę niż osobnik iskający. Zaobserwowano też, że u babunów iskanie występuje częściej między osobnikami zajmującymi sąsiadujące niż odległe miejsca w hierarchii (Seyfarth, 1977). Tendencja do dominacji jest właściwością wrodzoną, niemniej w ustalaniu hierarchii ważną rolę odgrywa obserwacja innych osobników i uczenie się. Jeśli do kolonii wpuszczano dwie małpy i jedna radziła sobie lepiej wśród nowych towarzyszy, wówczas drugi, gorszy osobnik uczył się, że musi lepszemu ustępować. Może się jednak zdarzyć, że obiektywnie gorsze zwierzę przypadkowo pierwsze zdobędzie pokarm. Jeśli fakt ten zostanie zauważony przez inne małpy, wówczas jego znaczenie w zbiorowości wzrasta (Rowell, 1974). Na rolę uczenia się w ustalaniu hierarchii w stadzie wskazał eksperyment Delgado (1963). Badacz ten wszczepiał elektrody do mózgu małp żyjących w kolonii i stwierdził, że drażnienie jądra ogoniastego hamuje ich agresywność. Gdy przycisk uruchamiający stymulator udostępniono małpie o niższej randze, zwierzę łatwo nauczyło się włączać drażnienie mózgu dominanta, żeby łagodzić jego agresywne działania. Osiągała zatem w sposób sztuczny to, co w warunkach naturalnych osobnik podporządkowany uzyskuje przybierając pozy submisywne. W badaniach terenowych wykazano, że hierarchia społeczna występuje u dziko żyjących rezusów i pawianów, jest natomiast słabo wyrażona u goryli. Organizacja hierarchii zależy od składu grupy. W grupach złożonych z jednego samca, wielu samic i młodych kolejność rang ustala się w obrębie samic, natomiast w zbiorowościach wielosamczych występuje hierarchia samce > samice > młode. Hierarchia może też występować w obrębie samców i samic. Interesujący jest wpływ hierarchii na relacje między matką a potomstwem. Zwykle potomek samicy dominującej ma również wyższą rangę w swej grupie. Dzieje się tak dlatego, że dominująca samica częściej go dogląda, zwłaszcza gdy grupa znajdzie się w niebezpieczeństwie. Odgrywa tu też rolę naśladowanie i uczenie się. Młode, obserwując zachowanie matki i widząc jego skuteczność, uczy się postępować tak samo (Cheney, 1977). Biologiczne znaczenie dominacji Za największą korzyść płynącą z hierarchii społecznej, zwłaszcza o wielostopniowej organizacji, uważa się ograniczenie walk wewnątrzgatunkowych. Osobnik o niskiej randze może się uchronić przed atakami innych członków grupy, gdy znajdzie się 529 w zasięgu kontroli dominanta. Pozycja w hierarchii narzuca prawa i obowiązki. Przywódca grupy ma pierwszeństwo w dostępie do pokarmu, odpędzając od niego osobniki niższe rangą, ma też większe szansę zapłodnienia samicy. Często jednak musi pierwszy stawić czoło niebezpieczeństwu, a także jest najbardziej narażony na konflikty z przywódcami innych, konkurujących grup. Wyraźny wpływ dominacji na sukces rozrodczy stwierdzono u małp i to zarówno u samic, jak i samców. Dunbar i Dunbar (1977) badali rozrodczość w 11 grupach gatunku Theropithecus gelada, składających się z jednego samca, kilku (do 10) samic i młodych, i stwierdzili, że samice o wyższej randze mają więcej potomstwa, ponieważ niepokoją samice o niższej randze w okresie ich rui. Skutkiem tych działań może być albo zahamowanie owulacji i uniemożliwienie zapłodnienia albo poronienie dopiero co poczętego zarodka. Podobne obserwacje u rezusów wykazały, że córki dominujących samic wcześniej zachodzą w ciążę (Drickamer, 1974). Ustalenie sukcesu rozrodczego samców w zależności od ich rangi okazało się trudniejsze, ponieważ nie jest łatwo rozpoznać, który samiec kopulował z daną samicą. Jednak obserwacje kilku badaczy potwierdziły u rezusów i pawianów następującą prawidłowość: jeśli wśród samic jedna owuluje, jest ona z reguły pokrywana przez osobnika alfa, jeśli dwie - kopulują z nimi samce najwyższe rangą. Reguła ta teoretycznie wyłącza możliwość rozrodu samców o najniższej pozycji, co nie zawsze jest zgodne ze stanem faktycznym. U pawianów bowiem zaobserwowano pewną preferencję samców względem samic. Mówiąc po ludzku, niektóre samice, nie mając powodzenia, z konieczności kopulują z samcami 0 niskiej randze. Hierarchia społeczna wpływa na procesy fizjologiczne zwierząt, zwłaszcza na czynność gruczołów wydzielania wewnętrznego. Jeśli samiec rezus zajmuje wyższą pozycję w grupie, wykazuje większe stężenie testoteronu we krwi; gdy jego ranga się obniża, zmniejsza się także stężenie testosteronu. Po wstrzyknięciu samicom estradiolu, przez co stały się bardziej atrakcyjne seksualnie (patrz rozdz. 13), stwierdzono wzrost stężenia testosteronu we krwi tylko u dominującego samca. 1 wreszcie obserwowano różną reakcję ze strony kory nadnerczy (wydzielanie kortyzolu) na iniekcję hormonu adrenokortykotropowego, zależnie od pozycji społecznej (Sassenrath, 1970). Wydzielanie hormonów może niekiedy powodować negatywne skutki i zwięk-' szać koszt dominacji. Hieny gatunku Crocuta crocuta żyją w grupach liczących do kilkudziesięciu osobników, przy czym hierarchiczna organizacja występuje zarówno u samic, jak i samców. Samice o wysokiej randze odznaczają się dużą masą ciała, osiągają większy sukces w zdobywaniu pokarmu, a także rodzą więcej potomstwa. Przewagę nad innymi członkami grupy, w tym nad samcami, osiągają dzięki agresywności. Właściwość ta wiąże się ze zwiększonym wytwarzaniem androgenów (patrz rozdz. 13), którego niekorzystnym efektem jest maskulinizacja narządów płciowych, rozwój prącia i w konsekwencji utrudnienie porodów (Frank i wsp., 1995). 530 Altruizm i dobro grupy • • > * ? •->. -' . . < Porównanie zachowania ludzi ze społecznym zachowaniem małp stanowiło punkt wyjścia dla kierunku zapoczątkowanego przez Wilsona (1975), postulującego, że instytucje społeczne stworzone przez człowieka są tylko szczególnym przypadkiem działania uniwersalnych praw biologicznych, a nie efektem ewolucji socjalno- -kulturowej. Ten kontrowersyjny pogląd nie będzie tu omawiany. Niemniej jednak socjobiologowie szeroko zajmowali się ewolucją stosunków społecznych u zwierząt i zwrócili uwagę na występowanie takich form zachowania, których celem nie jest osobista korzyść, lecz dobro innego osobnika lub dobro grupy. Przejawy altruistycznego zachowania zwierząt zostaną tu omówione pod kątem ich znaczenia biologicznego, z pominięciem koncepcji, które ekstrapolują te formy behawioralne na człowieka i nakazują interpretować je jako analogi ludzkiej szlachetności i poświęcenia na rzecz rodziny, społeczeństwa i narodu. Egoizm i altruizm u zwierząt Obserwując zachowanie zwierząt można odnieść wrażenie, że każde zwierzę jest egoistą, niewrażliwym na los obcego sobie osobnika. Egoizm ten jednak może wynikać nie tyle z dążenia do osiągnięcia własnych doraźnych korzyści, co z tendencji do przedłużania istnienia własnych genów. Najprostszym środkiem prowadzącym do tego celu byłoby zapłodnienie przez samca jak największej liczby samic i wydanie na świat jak najliczniejszego potomstwa. Na takich założeniach opiera się przecież klasyczna darwinowska koncepcja doboru płciowego. W rze- czywistości sprawa jest bardziej skomplikowana. Już Darwin podkreślał, że dla sukcesu rozrodczego jest konieczne, aby jak najwięcej spłodzonego potomstwa dorosło do wieku rozrodczego i wydało na świat kolejne pokolenie. Zwierzęta w swych działaniach niejako „uwzględniają" tę konieczność. Sprzyja temu na przykład komasowanie porodów w jednym czasie i jednoczesne wydanie potomstwa w łącznej ilości przekraczającej aktualne możliwości konsumpcyjne napastników. Działa tu zasada „coś za coś", czyli poświęcenie jednych dla uratowania innych. W latach sześćdziesiątych powstała koncepcja zakładająca swojego rodzaju „egoizm genu", wyrażona w poczytnej książce R. Dawkinsa Samolubny gen. Zgodnie z tym poglądem, wiele zachowań zwierząt podporządkowanych jest właśnie temu „egoizmowi". Rezygnacja z wąsko pojmowanego własnego interesu prowadzi do działań przypominających ludzki altruizm czy nawet poświęcenie dla innych. a" * ; Wyróżnia się trzy odmiany altruizmu u zwierząt. W pierwszej odmianie osobnik nie odnosi żadnych osobistych korzyści ze swego działania, a często przeciwnie, naraża lub nawet poświęca życie dla kolektywu. Przykłady tego rodzaju zachowań występują u owadów społecznych. Druga odmiana, zwana mutualizmem, obejmuje wspólne działania przynoszące bezpośrednią korzyść wszystkim uczestni- czącym w nich osobnikom. Należą do nich wspólne łowy, kiedy kilku osobników może łatwiej schwytać łup o dużych rozmiarach, czy wspólna ochrona potomstwa przed niebezpieczeństwem, gdy osobnik chroni potomstwo własne i potomstwo 531 swego sąsiada. W trzeciej odmianie, w tzw. altruizmie odwzajemnionym, osobnik pomagający innym oczekuje, że w przyszłości sam dozna od nich pomocy (Trivers, 1971). Altruizm odwzajemniony może mieć charakter niejako „bezosobowy", kiedy korzyść odnoszą niemal wszyscy członkowie grupy, na przykład gdy -Okno 10- Czy opłaca się pomagać drugiemu? Zwierzęta pomagają innym osobnikom z pewnym wyrachowaniem, które ujęto w reguły matematyczne. W doborze krewniaczym korzyść, jaką otrzymuje krewny od altruisty, musi być zrównoważona kosztami ponoszonymi przez altruistę z uwzględnieniem współczynnika pokrewieństwa między oboma osobnikami. Określenie współczynnika pokrewieństwa przedstawiono poniżej. Ponieważ w rozrodzie płciowym potomek otrzymuje połowę swych genów od ojca i połowę od matki, współczynnik pokrewieństwa między każdym z rodziców a potomkiem wynosi 0,5. : . , - .--i :?/•>.. u :v.-:i mhj : \ Ojciec O,O2 Pokrewieństwo 0,5J, 0,5| Matka M,M2 0,51 0,5t Potomstwo OtM, O,M2 OjM, O2M2 Współczynnik pokrewieństwa między rodzeństwem oblicza się według wzoru: 0,5 (ojciec -> potomek) x 0,5 (potomek -> ojciec) + ' + 0,5 (matka -» potomek) x 0,5 (potomek -» matka) = 0,25 + 0,25 = 0,5. Obliczając współczynnik pokrewieństwa dla dalszych krewnych, trzeba uwględnic liczbę wspólnych przodków i odległość pokoleniową między osobnikami. Wartości te oblicza się według następujących reguł: •? Dziadek Babcia Syn (ojciec) Syn (stryj) 'i . 111 Syn (wnuk) r i Syn (brat stryjeczny) Współczynnik pokrewieństwa między krewnymi wynosi: Liczba wspólnych przodków x o,5odl8Sl°śl5 pokoleniowa. Dziadek i wnuk mają tylko jednego wspólnego przodka - samego dziadka. Odległość pokoleniowa wynosi więc 2, czyli współczynnik pokrewieństwa wnuk -dziadek = 1 x 0,52 = = 0,25. Stryj i wnuk mają dwóch wspólnych przodków - dziadka i babcię. Odległość pokoleniowa wynosi 3, czyli współczynnik pokrewieństwa wnuk -stryj = 2 x 0,53 = = 0,25. 532 są ostrzegani przed niebezpieczeństwem lub informowani o źródle pokarmu. Niekiedy jednak „dobroczynne" działanie osobnika jest skierowane na jednego lub wielu konkretnych osobników. Powstaje wówczas problem rozpoznawania poten- cjalnych „oszustów", którzy, odniósłszy korzyść, nie „poczuwają się" do spłacenia zaciągniętego długu. r Rodzeństwo stryjeczne ma dwóch wspólnych przodków - dziadka i babcię. Odległość pokoleniowa wynosi 4, czyli współczynnik pokrewieństwa wnuk - stryj = 2 x o,54 = 0,125. Z teorii doboru krewniaczego wynika, że altruista będzie udzielał pomocy spokrew- nionemu z nim osobnikowi wtedy, gdy stosunek korzyści odnoszonej przez krewnego (K) do kosztu poniesionego przez altruistę (A) jest większy od stosunku stopnia spokrewnienia między altruistą a jego własnym potomstwem (PA) do stopnia spokrewnienia między A a potomstwem jego krewnego (PAK): «•»*?-'* »? * w >PA/PAK ??'?-.- Ponieważ u gatunków haploidalnych PA = 0,5, a PAK w przypadku rodzeństwa również 0,5, przeto do wystąpienia altruistycznego zachowania konieczne jest, aby korzyść odnoszona przez krewnego, nawet brata czy siostrę, przeważała nad kosztem poniesionym przez altruistę, czyli współczynnik K/A jest zawsze większy od 1. Powyższe wyliczenia dają inny wynik u błonkówek społecznych ze względu na szczególny system rozrodu u tych owadów. U pszczoły miodnej królowa (matka) po kopulacji gromadzi nasienie w rozszerzonej bańce jajowodu. Przechowywane tam plemniki zapładniają tylko niektóre z przesuwających się w świetle jajowodu jaj. Następnie jaja te królowa składa do różnych komórek plastra - niezapłodnione do tzw. komórek trutowych - z jaj tych rozwijają się trutnie, a jaja zapłodnione do tzw. mateczników, w których rozwijają się królowe, lub do innych komórek, gdzie rozwijają się niezdolne do rozrodu robotnice. Jak z tego wynika, samice pszczoły mają podwójny (diploidalny), samce zaś, jako replika niezaptodnionej komórki jajowej, pojedynczy (haploidalny) układ chromosomów. Taki system determinacji płci nazwano haplodiploidalnością. Analiza genetycznych konsekwencji tego systemu jest właśnie głównym filarem teorii doboru krewniaczego. Ojciec-truteń wytwarza tylko jeden rodzaj plemników, a zatem wszystkie swe geny przekazuje każdej córce. Stopień pokrewieństwa haploidalny ojciec - córka wynosi zatem 1, natomiast pokrewieństwo diploidalna matka - córka, jak u innych gatunków, wynosi 0,5. Ponieważ każda córka ma w swych komórkach połowę genów ojca i połowę genów matki, jej spokrewnienie z każdym z rodziców wynosi również 0,5. Ojciec O Pokrewieństwo 11 0,5f ? ii .,': Matka M,M2 ,.., 0,51 0,5t Potomstwo OM, OM2 U haplodiploidalnych błonkówek współczynnik pokrewieństwa między siostrami wynosi zatem 0,75, co wynika z następujących obliczeń: 1 (ojciec -> córka) x 0,5 (córka -» ojciec) + 0,5 (matka -* córka) x 0,5 (córka -» matka) = = 0,5 + 0,25 = 0,75. Natomiast ich stosunek pokrewieństwa z własnym (hipotetycznym) potomstwem wynosiłby 0,5. Współczynnik PA/PAK wynosi zatem 0,5/0,75, czyli 2/3. Dlatego z punktu widzenia propagacji własnych genów nawet gdyby robotnice mogły być normalnymi matkami, bardziej opłacalne, z punktu widzenia doboru krewniaczego, byłoby dla nich inwestowanie w opiekę nad siostrami niż wydawanie na świat własnego potomstwa. 533 \ Interesującą formę altruizmu odwzajemnionego zaobserwowano u pawianów. Samiec zamierzający odpędzić konkurenta od samicy w rui dobiera sobie pomocnika, aby łatwiej osiągnąć cel. Okazało się, że pomagający mu samiec, choć teraz nie osiąga żadnej korzyści, w przeszłości otrzymał podobną pomoc. Tak więc motywem jego działania może być przewidywana sytuacja, w której sam będzie poszukiwał pomocnika (Packer, 1977). Wyjąwszy pierwszą odmianę, altruizm w taki czy inny sposób ostatecznie zwiększa indywidualny sukces rozrodczy osobnika i przynosi mu większą korzyść niż doraźna postawa egoistyczna. Dobór krewniaczy Altruizm zwierząt, nawet gdy w widoczny sposób nie zwiększa indywidualnego sukcesu osobnika, bynajmniej nie jest całkiem bezinteresowny. W dalszej bowiem perspektywie jest on ukierunkowany na zapewnienie jak najszerszej propagacji własnych genów, także gdy znajdują się one nie w organizmach ich potomstwa, lecz w organizmach osobników spokrewnionych. Prawidłowość tę uogólnia teoria doboru krewniaczego, która zakłada, że jednostką selekcji jest nie pojedynczy osobnik, lecz rodzina składająca się z członków o zbliżonym współczynniku pokrewieństwa. Sukces rozrodczy osobnika, wyrażający się liczbą własnego potomstwa, kumuluje się zatem z sukcesem jego bliższych i dalszych krewnych, noszących jego geny. Badacze doboru krewniaczego posługują się pojęciem sumarycznej zdolności adaptacyjnej (inclusive fitness), uwzględniającym oba te składniki (Hamilton, 1964). Altruizm odroczony Altruizm odroczony jest uważany za wyższą formę altruizmu odwzajemnionego, kiedy osobnik udzielający pomocy spodziewa się otrzymać podobną pomoc w nieokreślonej bliżej przyszłości. Altruizm ten rozwinął się na takim etapie ewolucji, kiedy osobnicy danego gatunku mogli nie tylko rozpoznawać się wzajemnie, lecz również pamiętać, komu udzielili pomocy. Za przykład altruizmu odroczonego uważa się głosy ostrzegawcze. Ostrzega- jący bowiem, dla dobra grupy, demaskuje się przed wrogiem i naraża na niebezpieczeństwo. Powstaje zatem pytanie, czy zachowanie to jest całkiem bezinteresowne, czy też uwzględnia dobro własnych genów. | Sherman (1977) badał to zagadnienie u wiewiórek ziemnych w Górach' Skalistych. Zwierzęta te mają zwyczaj opuszczania swych siedzib po urodzeniu, przy czym samce wędrują na dalsze odległości niż samice i mieszają się z tamtejszymi grupami, samice natomiast pozostają wśród swoich sióstr i krewnych. Zgodnie z przewidywaniami okazało się, że samice częściej wydają głosy ostrzegawcze niż samce i to tym częściej, im więcej spokrewnionych z nimi towarzyszek znajduje się w zasięgu ich głosu. Wynik tych badań jest często przytaczany na poparcie tezy o ewolucyjnym znaczeniu doboru krewniaczego. Wskazuje też, że zwierzęta mają „sposoby" na rozpoznawanie krewnych. Obser- 534 . ' i wowano jednak przykłady zachowań altruistycznych mimo braku „pewności" co do stopnia spokrewnienia. Na przykład wieloryby i delfiny podtrzymują niespraw- nych towarzyszy, którym grozi utonięcie z powodu niemożności zaczerpnięcia powietrza. Jeszcze w czasach starożytnych rozpowszechnione były legendy o ratowaniu przez delfiny rozbitków. Zachowania tego typu niekiedy określa się mianem „altruizmu altruistycznego". Istota i mechanizm takiego altruizmu nie są znane. Dobór grupowy Koncepcję doboru grupowego wysunął Wynne-Edwards (1962) opierając się na obserwacji, że niektóre populacje zwierząt nie zjadają do końca wszystkich dostępnych zasobów żywności, a tym samym ograniczają własną reprodukcję. Te, które tak czynią, mają większe szansę przetrwania niż grupy doszczętnie ogołacające środowisko ze źródeł pokarmu dla przyszłych pokoleń. Tak samo zwierzęta ograniczają rozrodczość, gdy populacji zaczyna zagrażać nadmierne zagęszczenie. Szacowaniu liczebności populacji służą specjalne czynności behawioralne, nazwane zachowaniami epidejktycznymi (od gr. śtuSeikw^u, epideiknymi - wystawiam na pokaz). Należy do nich zbijanie się w stada (ptaki) lub chmary (owady) w celu pokazania sobie wzajemnie, jak wielkie jest zagęszczenie zwierząt w grupie. Z teorii doboru grupowego wypływa wniosek, że zdolność adaptacyjna (fitness) osobnika musi być podporządkowana interesom populacji jako całości, inaczej jego liczne potomstwo zginie z głodu. Postulat ten był jednak krytykowany przez wielu badaczy, którzy dowodzili, że populacje mogą osiągać podobne korzyści przystosowawcze w wyniku doboru krewniaczego. W szczególności podnoszono, że dobór grupowy jest procesem zbyt powolnym, aby mógł kon- kurować ze znacznie szybszymi skutkami ewolucyjnymi doboru osobniczego. Teoretycznie dobór taki może występować w przypadku niewielkich izolowanych populacji, narażonych na szybkie wyginięcie wskutek niewłaściwego przystosowania do środowiska, natomiast jego znaczenie jako istotnego czynnika w ewolucji nie wydaje się dostatecznie udokumentowane. 22. Myślenie, mowa, inteligencja M, Łysieniem nazywa się złożony proces poznawczy, w wyniku którego spostrzega- ne przedmioty i zdarzenia są oceniane pod względem ich struktury, funkcji i wzajemnych związków przyczynowo-skutkowych, z uwzględnieniem uprzednio nabytego doświadczenia. Myślenie jest atrybutem inteligencji, pod którą rozumie się zdolność właściwego korzystania z nabytych umiejętności i przejawianie skutecznego zachowania się w nowych, nieznanych, a nawet nieoczekiwanych okolicznościach. Myślenie jest u człowieka związane ze zdolnością posługiwania się mową, która jest właściwym tylko człowiekowi sposobem komunikacji. Dzięki mowie człowiek nie tylko wymienia komunikaty z otoczeniem, lecz dowiaduje się o doświadczeniach innych, często nieznanych mu ludzi, nawet żyjących w innych epokach. Właściwości mowy Zwierzęta posługują się nieraz bardzo skomplikowanymi i zadziwiającymi sposo- bami przekazywania sobie informacji. Najczęściej czynią to głosem, choć także pozami, mimiką, a nawet złożonymi ruchami. Spektakularnym tego przykładem jest taniec pszczół, za pomocą którego zwiadowczynie po spenetrowaniu terenu dokładnie powiadamiają zbieraczki w ulu o miejscu pożytku. Właściwości mowy człowieka są całkowicie odmienne. W odróżnieniu od zwierzęcych środków porozumiewania się, w których występuje ograniczony i nie modyfikowalny system znaków, mowa jest otwartym systemem łączności. Są do niego dołączane coraz to nowe wyrazy, a starym może być nadawane inne znaczenie. Ważną cechą mowy jest produktywność, która w odróżnieniu od zwierząt umożliwia człowiekowi tworzenie praktycznie nieograniczonej liczby nowych komunikatów. §? Mowa a język ^ v Mowa jest sposobem porozumiewania się za pomocą symboli słownych. Narzędziem mowy jest język, złożony z właściwego mu podsystemu leksykalnego (zbioru wyrazów) i podsystemu reguł gramatycznych. Podstawowym dźwiękowym elemen- 536 tem mowy jest fonem, czyli głoska. Zespoły fonemów tworzą sylaby (zgłoski). Jedna lub więcej sylab tworzy morfem, czyli najmniejszą znaczeniową część wyrazu. W języku polskim w wyrazie wyróżnia się morfem słowotwórczy i morfem fleksyjny, czyli formę gramatyczną - deklinacyjną lub koniugacyjną (np. w wyrazie kota morfemem słowotwórczym jest kot, a morfemem fleksyjnym - a). Wyrazy mają znaczenie semantyczne, tj. określają przedmioty, cechy przedmiotów, czynności, stany i pojęcia. Zbiór wyrazów, stanowiący podstawowy element wypowiedzi, tworzy zdanie. Łączenie wyrazów w zdaniu podlega regułom składniowym. Zdanie dzieli się na składniki (grupy) frazowe - grupę podmiotu (podmiot właściwy wraz z określającymi go bliżej przydawkami) i grupę orzeczenia (orzeczenie właściwe, dopełnienie i okoliczniki). Połączenie zdań w sposób tworzący opowiadanie nazywa się dyskursem. Charakterystycznym elementem języka jest prozodia, czyli intonacja, która może uwypuklać znaczenie wyrazów i zdań oraz nadawać im komponent emocjonalny. Dodatkową rolę w przekazywaniu informacji, zwłaszcza jej podtekstu emocjonalnego, pełni mimika i gestykulacja. Mowa a myślenie ' ' \ Klasyfikacja myślenia jest zadaniem psychologii i może być przeprowadzona według różnych kryteriów. Ze względu na stopień złożoności wyróżnia się myślenie konkretne i abstrakcyjne. Myślenie konkretne, występujące u zwierząt wyższych, zwane też sensoryczno-motorycznym albo obrazowo-ruchowym, umożli- wia reagowanie na spostrzegane zjawiska adekwatnymi formami zachowania. Myślenie abstrakcyjne, właściwe tylko człowiekowi, opiera się na wyobrażeniach oraz na zdolności tworzenia uogólnień, czyli pojęć, i dlatego nazywane jest wyobrażeniowo-pojęciowym. Wyobrażeniem nazywa się całościowe doznanie obrazowe, nie będące skutkiem aktualnego pobudzenia narządów zmysłów, lecz powstałe w wyniku aktywacji wytworzonych uprzednio śladów pamięciowych. Wyobrażenia mogą być odtwórcze, oparte na przypominaniu sobie zaistniałych wcześniej sytuacji, oraz wytwórcze 0 różnym charakterze, na przykład występujące przy ustalaniu planów działań czy też w wyniku fantazji. Pojęcia powstają w wyniku uogólniania przedmiotów 1 zjawisk; określają liczebność, relacje przestrzenne (bliski, daleki), stosunki własnościowe (mój, twój), kategorie moralne i estetyczne, a także klasy przedmiotów i ich cech. Symbolem określającym pojęcie jest słowo, dlatego rozwój pojęć wiąże się z rozwojem mowy. Mowę ludzką należy więc traktować nie tylko jako złożony system przekazywania informacji, lecz przede wszystkim jako specyficznie ludzkie narzędzie procesów myślenia. Mowa zewnętrzna i mowa wewnętrzna Jeśli uznamy mowę za narzędzie myślenia, powstaje pytanie o istotę związku między myśleniem i mową - czy te dwie właściwości ludzkiej psychiki zawsze występują łącznie, czy też w pewnych warunkach mogą funkcjonować oddzielnie. Czy myślenie człowieka zawsze posługuje się słowami (i w tej formie jest mową 537 I wewnętrzną), czy też może być bezsłowne (niewerbalne). Czy wyobrażenia bywają obrazowe (bezsłowne), czy też towarzyszy im podkład werbalny. Ponieważ podczas intensywnego myślenia obserwuje się nasiloną aktywność bioelektryczną mięśni artykulacyjnych, wysunięto pogląd, że myślenie jest jakby „cichym mówieniem", w czasie którego z mózgu są przekazywane słabe sygnały do tych samych mięśni, które podczas głośnego mówienia uczestniczą w wy- twarzaniu dźwięków mowy. Jednak wielu badaczy, jak Wygotski (1989) dowodzi, że myślenie i mowa, choć wzajemnie związane, nie są identycznymi procesami. Akt myślowy ma charakter całościowy, odznacza się pewną skrótowością, której nie można wyrazić w formie słownej. Podobnie jak istnieje mowa nie związana z myśleniem (np. gaworzenie u niemowląt, recytowanie wierszy z pamięci, skandowanie sloganów), tak samo nie można wyłączyć występowania u ludzi myśli nie wypowiadanych słowami. Ostatnio przedmiotem zainteresowania jest wpływ, jaki specyfika leksykalna lub gramatyczna danego języka może wywierać na procesy myślenia u po- sługujących się nim ludzi. Polacy nawet nieźle znający język angielski mają wątpliwości co do użycia rodzajnika, który w języku polskim nie występuje. A właśnie rodzajnik w języku angielskim (a także w niemieckim czy francuskim) ma duże znaczenie dla subtelnego wyrażenia znaczenia rzeczownika w zdaniu, czyli elementu myślenia. W kontrolowanych badaniach porównywano umiejętność liczenia u dzieci amerykańskich i dzieci chińskich. Język chiński ma łatwiejszy i bardziej logiczny system nazywania liczb niż język angielski. Na przykład chiński odpowiednik angielskiego eighteen (osiemnaście) ma postać dziesięć-osiem, a thirty five (trzydzieści pięć) - trzy-dziesięć-pięć. Okazało się, że identyczne zadania aryt- metyczne były rozwiązywane lepiej przez dzieci chińskie (Miller i wsp., 1995). Aczkolwiek wynik tego eksperymentu można interpretować w różny sposób, wydaje się, że właściwości konkrentego języka mogą w pewnym sensie ukierun- kowywać procesy myślenia, tak by werbalizacja myśli w tym języku była sprawniejsza. Nierzadko mówi się, że aby dobrze opanować język obcy, trzeba nauczyć się myśleć w tym języku. Z tej przyczyny często łatwiej jest napisać artykuł naukowy od razu po angielsku, niż tłumaczyć tekst polski na angielski. Wrodzona predyspozycja człowieka do posługiwania się mową Zdolność posługiwania się mową jest u człowieka wrodzona, tak że niektórzy badacze nadają jej cechy instynktu (Pinker i Bloom, 1990), niemniej jednak nabywanie mowy jest związane z wpływem środowiska. Każde dziecko może się nauczyć każdego języka, nawet bardzo odległego od mowy rodziców i dalszych przodków, gdy stale przebywa w otoczeniu mówiącym tym językiem. To powszechnie znane zjawisko wyjaśniają założenia współczesnej gramatyki generatywnej, wysunięte przez Noama Chomsky'ego (1988). Według nich istnieje jeden wspólny dla wszystkich ludzi język uniwersalny, a konkretne i 538 języki można niejako uważać za dialekty tego języka. Wszystkie zatem języki narodowe mają wspólną uniwersalną gramatykę, a różnią się słownictwem i podsystemami gramatycznymi. Według tego poglądu dziecko rodzi się ze znajomością cech uniwersalnych wszystkich języków, natomiast musi się nauczyć słownictwa i specyficznej gramatyki konkretnego języka. Badacze śledzący nabywanie języka angielskiego jako języka ojczystego zwrócili uwagę na fakt, że dzieci jeszcze na etapie dwu- lub trzywyrazowych wypowiedzi prawidłowo używają dwu kategorii czasowników występujących w tym języku - leksykalnych i pomocniczych. Czasowniki leksykalne określają czynności lub stany i mogą występować samodzielnie albo z innymi częściami mowy. Natomiast czasowniki pomocnicze mają znaczenie i sens tylko wtedy, gdy są związane z czasownikami leksykalnymi. Istnieją jednak dwa czasowniki: be - być i have - mieć, które mogą występować zarówno jako leksykalne (np. w zdaniach / have a book - mam książkę, / am a student - jestem studentem), jak też jako pomocnicze, gdy wyrażają czynność trwającą (/ am writing - piszę), czas przeszły dokonany (/ have written - napisałem), stronę bierną (the book was written - książka została napisana). Do czasowników pomocniczych w języku angielskim zalicza się również takie, które nie wchodzą w skład konstrukcji gramatycznych, ale mają sens tylko w powiązaniu z czasownikami leksykalnymi (np. may, can - móc, umieć). Otóż dzieci opanowujące język angielski nadzwyczaj szybko zaczynają wyczuwać odrębną rolę obu rodzajów czasowników, łatwo uczą się właściwej ich sekwencji (w zdaniu twierdzącym czasownik pomocniczy z reguły stoi przed leksykalnym), a nawet, na pewnym etapie znajomości mowy ojczystej, popełniają inne błędy, wypowiadając te czasowniki. Czas przeszły (past tense) większości czasowników angielskich (tzw. regular- nych) tworzy się, dodając do tematu końcówkę -ed (np. work - pracować, czas przeszły worked). Zasada ta nie obowiązuje w odmianie mniej licznych czaso- wników nieregularnych (np. eat - jeść, czas przeszły ate). Otóż anglojęzyczne dzieci w początkowym etapie opanowywania języka często wykazują tendencję do „regularyzacji" tych czasowników, tzn. tworząc czas przeszły nieprawidłowo dodają do tematu czasownika nieregularnego końcówkę -ed i mówią na przykład / eated zamiast / ate (zjadłe[a]m). Błąd ten popełniają jednak - co jest istotne - tylko wobec czasowników leksykalnych, nigdy zaś względem pomocniczych, ponieważ te zawsze odmieniają się nieregularnie (np. can, czas przeszły could). Badacze śledzący rozwój mowy sądzą więc, że już stosunkowo wcześnie dziecko odróżnia w zdaniach elementy kategorii leksykalnej i funkcjonalnej. Do kategorii leksykalnej (słownikowej) zalicza się wyrazy należące do różnych części mowy (rzeczowniki, czasowniki, przymiotniki, zaimki, przyimki, przysłówki). Kategorię funkcjonalną tworzą części zdania, takie jak podmiot, orzeczenie, dopełnienia, przydawki, a także reguły gramatyczne koniugacji i deklinacji. Kategoria leksykalna zdań jest zmienna, gdyż dziecko uczy się coraz to nowych wyrazów, modyfikuje znaczenie poprzednio poznanych, tworzy wyrazy złożone, poznaje zasady, według których do tego samego tematu (morfemu leksykalnego) dołącza się różne morfemy fleksyjne. Z tego powodu dziecko może, opierając się 539 na wcześniej poznanych prawidłach gramatycznych, używać tych morfemów nieprawidłowo i nie uwzględniać wyjątków. Natomiast kategoria funkcjonalna zdań jest konserwatywna i może być modyfikowana w niewielkim tylko stopniu. Zgodnie z tym anglojęzyczne dziecko intuicyjnie wyczuwa odmienność czasowników pomocniczych i nie usiłuje regularyzować ich koniugacji (Stromswold, 1995). Mimo wrodzonej predyspozycji do posługiwania się mową, człowiek nie może się nauczyć mówić, nie przebywając w określonym okresie życia wśród ludzi mówiących konkretnym językiem. Opisano kilka przypadków dzieci wychowywa- nych w warunkach deprywacji socjalnej i lingwistycznej. U wszystkich stwierdzono brak umiejętności posługiwania się językiem, przy silnie zaznaczonym ogólnym niedorozwoju umysłowym. Dziewczynka po 12-letnim okresie deprywacji wyka- zywała nikłe postępy w uczeniu się języka (Curtiss, 1977). Podobnie nieefektywne okazało się nauczanie języka u 32-letniej kobiety głuchej od urodzenia (Curtiss, 1989). Wykazano również, że głuchoniemi, których uczono posługiwania się językiem migowym we wczesnym dzieciństwie, sprawniej posługują się tym środkiem komunikacji niż osoby uczące się tego języka w późniejszym wieku (Newport, 1990). Rozwój mowy u dziecka Noworodek prawdopodobnie nie odróżnia fonemów, czyli dźwięków należących do repertuaru werbalnego mowy ludzkiej. Umiejętność ta pojawia się jednak dość wcześnie, w wieku około 2 miesięcy. Badacze amerykańscy zaobserwowali, że w tym czasie dziecko zaczyna również odróżniać język, którym mówi matka, od innych języków, jakie słyszy wokół siebie. Dwumiesięcznym dzieciom nadawano przez głośnik krótkie zdania w języku angielskim (używanym przez matkę) lub francuskim i mierzono czas (latencję), po którym dziecko zwracało oczy ku głośnikowi. Bodźce słowne podawano w brzmieniu naturalnym oraz zniekształcone przez odfiltrowanie drgań o częstotliwości wyższej niż 400 Hz. Dzieci zwracały oczy ku głośnikowi po dwukrotnie krótszej latencji na zdanie angielskie niż francuskie. Różnica ta występowała zarówno w przypadku bodźców o pełnym zakresie częstotliwości, jak też zawierających jedynie fale poniżej 400 Hz. Wynik ten świadczy, że dzieci odróżniały zdania nie na podstawie słyszanych fonemów angielskich lub francuskich, lecz raczej według charakterystycznej dla danego języka intonacji (prozodii), zachowanej w tym paśmie częstotliwości. Jest to zgodne z poglądem, że prozodia jest ważnym czynnikiem pozwalającym dziecku, przynajmniej w początkowym okresie, dostrzegać w słyszanej mowie wybijające się zdania i frazy (Mehler i Christophe, 1995). Większość dzieci wypowiada pierwsze wyrazy między 9. a 12. miesiącem życia. Następnie zasób słownictwa rośnie powoli, aż do znajomości około 50 wyrazów w wieku 2 lat. Od tego czasu do 6. roku życia proces ten przyspiesza się do 7-9 wyrazów dziennie. W wieku 18-24 miesięcy dzieci zaczynają łączyć wyrazy w dwuwyrazowe wypowiedzi, a potem tworzą dłuższe zdania. Między 3. a 4. rokiem życia mowa 540 dziecięca zawiera mało morfemów funkcjonalnych, takich jak końcówki fleksyjne, co nadaje jej postać stylu telegraficznego. •? !> Nabywanie i kształtowanie się mowy przypada na okres największej plastycz- ności układu nerwowego, kiedy powstają i utrwalają się połączenia synaptyczne. Okres ten rozpoczyna się tuż po urodzeniu i dla mechanizmów mowy trwa do około 13. roku życia, dlatego nauka drugiego języka jest w tym okresie skuteczniejsza. Badacze amerykańscy wykazali, że znajomość języka angielskiego u imigrantów z krajów azjatyckich jest tym lepsza, im wcześniej przed okresem pokwitania rozpoczęli naukę, jest natomiast gorsza u osób, które zetknęły się z językiem angielskim dopiero w wieku dorosłym (Johnson i Newport, 1989). Specjalizacja lewej półkuli mózgu w kierowaniu mową jest wrodzona. Stwierdzono, że u płodu obszary lewej półkuli, zawierające ośrodki mowy, są wyraźnie większe od symetrycznych obszarów półkuli prawej i prawdopodobnie już wówczas odznaczają się odmienną organizacją połączeń między neuronami. A zatem gdy dziecko przychodzi na świat, jego lewa półkula jest już przygotowana anatomicznie i czynnościowo do odbioru i przetwarzania sygnałów mowy (Stromswold, 1995). O wczesnym zróżnicowaniu funkcji półkul świadczą także badania wykonywane u dzieci zdrowych, u których rejestrowano zmiany częstości odruchu ssania pod wpływem dźwięków. Dziecku dawano smoczek połączony z aparaturą rejestrującą ciśnienie. Okazało się, że dzieci w wieku 4 miesięcy reagowały zmianą częstości ssania na dźwięki mowy nadawane przez głośnik do prawego ucha (a więc docierające głównie do lewej półkuli mózgu) tak samo jak na dźwięki niewerbalne nadawane do lewego ucha (Entus, 1977). Świadczy to o tym, że już w początkowym okresie życia występuje wyraźna przewaga lewej półkuli w odbiorze dźwięków mowy. Organizacja czynności mowy w świetle obserwacji klinicznych Stosunkowo częstymi objawami uszkodzenia mózgu są zaburzenia mowy zwane afazjami. U większości chorych różne postacie afazji współistnieją z niedowładem prawej kończyny, a więc gdy uszkodzenie obejmuje lewą półkulę. Najczęstszą przyczyną uszkodzeń prowadzących do afazji jest udar mózgu w wyniku wylewu krwi lub zakrzepu naczynia, niedokrwienie, nowotwór lub uraz. Zestawiając rodzaje afazji z umiejscowieniem uszkodzeń mózgu ustalono, że u 98% ludzi praworęcznych obszar sterujący mową znajduje się w częściach lewego płata czołowego, ciemieniowego i skroniowego, sąsiadujących z bruzdą boczną mózgu (Sylwiusza). Ośrodki mowy i objawy ich uszkodzenia W tylnej części zakrętu czołowego dolnego znajduje się ośrodek ruchowy mowy, który opisał francuski chirurg Paul Broca. Jego umiejscowienie pokrywa się z polami 44 i 45 według klasyfikacji Brodmanna. Uszkodzenie tego ośrodka jest przyczyną afazji ruchowej. Poza tym w funkcjach mowy odgrywają rolę dolne części zakrętu przedśrodkowego i zakrętu zaśrodkowego. Znajduje się tu reprezen- 541 tacja mięśni twarzy i krtani zaangażowanych w proces artykulacji (powstawania dźwięków). W tylnym odcinku zakrętu skroniowego górnego i w części zakrętu skronio- wego środkowego znajduje się ośrodek czuciowy (słuchowy) mowy, opisany przez niemieckiego neurologa K. Wernickego. Jego uszkodzenie powoduje afazję czuciową (słuchową). Według Łurii ośrodek ten jest niezbędny dla tzw. słuchu fonematycznego, czyli zdolności odbioru dźwięków mowy ludzkiej (fonemów). W płacie ciemieniowym obszar mowy obejmuje zakręt nadbrzeżny (gyrus supramarginalis) i zakręt kątowy {gyrus angularis), znajdujący się ku tyłowi od bruzdy bocznej. U chorych z uszkodzeniem tej części mózgu występują zaburzenia nazywane afazją amnestyczną. Ponieważ uszkodzenie zwykle rozciąga się również na sąsiednie części płata skroniowego i potylicznego, cały ten obszar nazywa się stykiem ciemieniowo-skroniowo-potylicznym (rys. 22.1). Ośrodek czuciowy mowy Wernickego jest połączony z ośrodkiem mowy (Broca) za pomocą pęczka łukowatego (fasciculus arcuatus). Jeżeli droga ta zostanie przerwana przez proces chorobowy toczący się w istocie białej półkuli lewej, powstaje afazją przewodzenia. U około 70% ludzi leworęcznych obszar mowy występuje, podobnie jak u praworęcznych, w lewej półkuli, u pozostałych znajduje się w półkuli prawej lub w obu półkulach. Rys. 22.1. Ośrodki mowy. Ośrodek czuciowy Ośrodek ruchowy mowy (Wernickego); mowy (Broca); "szkodzenie - afazja czuciowa uszkodzenie- afazja ruchowa Związek procesów mowy z myśleniem; uszkodzenie- afazja amnestyczną Obszar kodowania części mowy; uszkodzenie - zaburzenie posługiwania się rzeczownikami, czasownikami lub przymiotnikami Pęczek łukowaty; uszkodzenie- afazja przewodzenia 542 Rys. 22.2. Części zdania wg zasad gramatyki generatywnej. Zdanie Ten NP /\ Pr N teraz gra w piłkę Zdanie zależne P NP V który ^/\ przychodzi ** Pr p do nas N — rzeczownik NP - fraza rzeczownikowa V -czasownik A - przysłówek VP - fraza czasownikowa P -zaimek Pr -przyimek • Chorzy z afazją ruchową wykazują głównie upośledzenie mówienia. Mowa ich jest wolna, charakteryzuje się brakiem płynności, właściwej intonacji i skróto- wością wypowiedzi, co nadaje jej postać stylu telegraficznego. Styl ten jest spowodowany omijaniem reguł gramatycznych (tzw. agramatyzm), czyli ubóstwem określeń, a w niektórych językach rodzajników; nieprawidłowo są też używane końcówki deklinacyjne i koniugacyjne. Koncepcje wysuwane przez teoretyków gramatyki generatywnej zaważyły na interpretacji niektórych objawów afazji ruchowej. Charakterystyczny dla tej afazji styl telegraficzny uważa się za przejaw braku rozumienia struktury frazowej zdania, czyli jego składni, a więc podmiotu, orzeczenia i dopełnień (rys. 22.2). Wbrew dawnym poglądom uszkodzenie ośrodka mowy (Broca) upośledza też odbiór mowy. Chory wprawdzie prawidłowo reaguje na adresowane do niego proste informacje i polecenia, nie rozumie jednak zdań złożonych wymagających analizy ich składni (syntaktycznej). Powyższe obserwacje nasunęły przypuszczenie, że rozumienie znaczenia wyrazów i umiejętność analizy składni zdania mogą zależeć od odrębnych mechanizmów nerwowych. Podobnym stylem telegraficznym posługują się dzieci do około 4. roku życia, a więc zdolność używania składni kształtuje się stopniowo w procesie nabywania mowy. Chorzy z afazją słuchową, odwrotnie, wykazują znaczne upośledzenie odbioru mowy, czyli nie rozumieją wypowiedzi do nich adresowanych. Zaburzenie to odbija się jednak także i na ich własnych wypowiedziach. Chory wprawdzie posługuje się fonemami charakterystycznymi dla danego języka, używa ich jednak 543 niewłaściwie (np. mówi góra zamiast kura). Tak zniekształcone wyrazy nazywa się parafazjami. Oprócz tego w wypowiedziach chorego występują wyrazy prawidłowe pod względem brzmienia, ale niewłaściwe ze względu na znaczenie, a także wyrazy nowo utworzone (tzw. neologizmy), nie występujące w danym języku. Pacjenci używają nadmiernie określeń wieloznacznych (te rzeczy), przez co ich wypowiedzi stają się treściowo puste. Dochodzą do tego błędy składniowe (tzw. paragramatyzmy), polegające na niewłaściwym umiejscowieniu poszczegól- nych części zdania. Mimo tych błędów mowa jest płynna i słysząc ją, można odnieść wrażenie, że chory mówi obcym, nieznanym językiem. Afazja amnestyczna bywa uważana za odmianę afazji czuciowej i charak- teryzuje się niemożnością nazywania przedmiotów. Chory określa przedmioty w sposób opisowy, na przykład zamiast pióro mówi do pisania. Natomiast jeśli podpowie mu się nazwę, przypomina ją sobie natychmiast. Niektórzy badacze sugerują, że afazja amnestyczna jest wynikiem upośledzenia formowania pojęć. Słowo przestaje tu być symbolem i staje się jedynie bodźcem akustycznym, skojarzonym z przedmiotem. Chory na przykład nie zdaje sobie sprawy, że ta sama nazwa nóż może określać przyrząd do krojenia jabłek, do smarowania chleba masłem i do temperowania ołówka. U chorych z afazją przewodzenia ośrodki ruchowy i czuciowy nie współpracują ze sobą, lecz każdy z nich funkcjonuje oddzielnie zależnie od sytuacji. Pacjenci rozumieją mowę słyszaną, ponieważ mają nie uszkodzony ośrodek czuciowy ?Okno 11 Mowa i afazja u poliglotów ; : Poglądy na temat zaburzeń mowy u pacjentów władających kilkoma językami są nadzwyczaj rozbieżne (Paradis, 1993). Z reguły bezpośrednio po uszkodzeniu mózgu upośledzenie mowy dotyczy wszystkich języków, którymi posługuje się poliglota. Wyjątkiem jest opisana w XIX wieku wybiórcza utrata języka greckiego. Natomiast znaczne różnice występują wówczas, gdy w trakcie leczenia objawy afazji zmniejszają się i chory stopniowo odzyskuje zdolność mówienia. Wyróżnia się sześć rodzajów odnowy mowy. 1. Odnowa równoległa, gdy poprawa dotyczy w równym stopniu wszystkich języków. 2. Odnowa zróżnicowana, gdy chory posługuje się jednym językiem lepiej niż drugim. 3. Odnowa następcza: jeden język powraca dopiero wtedy, gdy chory odzyskuje władanie drugim językiem. 4. Odnowa wybiórcza, gdy poprawa dotyczy tylko jednego języka albo gdy odnawiają się oba, lecz w bardzo różnym stopniu. 5. Odnowa antagonistyczna, gdy najpierw poprawia się jeden język, a potem zostaje zastąpiony przez drugi. Niekiedy z obu języków chory korzysta alternatywnie, tj. przez kilka dni lub tygodni używa jednego, a potem drugiego. 6. Odnowa mieszana, gdy dwa języki wracają jednocześnie, ale pacjent w danym czasie posługuje się nie jednym z nich, lecz mieszaniną obu. Obserwowano też przypadki tzw. tłumaczenia przymusowego, kiedy pacjent spon- tanicznie przekłada na drugi język to, co mówi lub słyszy w pierwszym języku. Badacze mowy najczęściej zajmowali się odnową zróżnicowaną próbując wyjaśnić, dlaczego jeden język odnawia się lepiej niż drugi. Intepretacja tego zjawiska pozostaje jednak w sferze hipotez. Zdaniem niektórych badaczy każdy ze znanych choremu 544 mowy (Wernickego), nie potrafią jej jednak powtórzyć wskutek braku połączenia tego ośrodka z ośrodkiem ruchowym. Chorzy ci mogą też mówić, nie mają jednak kontroli nad własną mową. Słysząc ją, są świadomi popełnianych błędów, nie są jednak w stanie ich skorygować. Systematyczne drażnienie prądem elektrycznym obszarów kory mózgu w trakcie operacji neurochirurgicznej zapoczątkował w latach pięćdziesiątych neurochirurg Wilder Penfield i stwierdził, że drażnienie ośrodków mowy powodowało nie pobudzenie, lecz przeciwnie - zahamowanie czynności mówienia (Penfield i Roberts, 1959). Później, gdy udoskonalono technikę drażnienia i diagnostykę zaburzeń mowy, stwierdzono, że podczas drażnienia bardzo małych obszarów w okolicach sąsiadują- cych z bruzdą boczną mózgu (Sylwiusza) pacjenci nie potrafili podać nazwy pokazywanych im przedmiotów (Ojemann i wsp., 1983). Badania te wykazały, że czynnością mowy sterują złożone sieci nerwowe i zakłócenie ich funkcjonowania wskutek drażnienia wywołuje przejściowe objawy zbliżone do afazji. .:..xvjy: ?•<-.:? ?,-,<..???'? . ' - /** ? -. ' ' Afazje a funkcjonalne uszkodzenia mózgu Badanie mózgu rutynową metodą rezonansu magnetycznego pozwala wprawdzie określić, jaki obszar został fizycznie zniszczony, nie dostarcza jednak informacji o stanie czynnościowym otaczającej go tkanki anatomicznie nie zmienionej. Stan ten można natomiast ocenić za pomocą emisyjnej tomografii pozytonowej (PET). języków opiera się na innym mechanizmie neuronalnym. Hipotezę tę usiłowano oprzeć na wynikach elektrycznego drażnienia mózgu. Ojemann i Whitaker (1978) w trakcie operacji neurochirurgicznej drażnili ośrodek mowy prądem elektrycznym. Choremu po- kazywano różne przedmioty i polecano podawać ich nazwy. O ile drażnienie części środkowej ośrodka hamowało nazywanie w obu językach, o tyle drażnienie części obwodowej hamowało tylko nazywanie przedmiotów w jednym, mniej znanym języku. Według innego poglądu podobne elementy obu języków są zakodowane we wspólnej sieci nerwowej, natomiast elementy specyficzne dla każdego języka aktywują oddzielne systemy. W świetle badań neurolingwistycznych najbardziej miarodajna wydaje się hipoteza podsystemów. Zdolność posługiwania się mową przez człowieka jest wyrazem kompetencji językowej, która u poliglotów składa się z podsystemów właściwych każdemu językowi. W przypadku uszkodzeń mózgu może dojść do zablokowania całego systemu lub też jednego z podsystemów. Kompetencja językowa zależy od ośrodków umiejscowionych zarówno w lewej, jak i w prawej półkuli, choć nie wszystkie muszą być wykorzystywane, zwłaszcza u ludzi znających tylko język ojczysty. Z kolei udział tych ośrodków w czyn- nościach mowy u poliglotów może zależeć od wieku, w którym został opanowany drugi język, od stopnia jego znajomości, a nawet od zastosowanej metody nauczania. Gdy człowiek opanowuje drugi język przed okresem dojrzałości płciowej albo gdy osiąga jego znajomość praktycznie, w aktywnej rozmowie z nauczycielem, wówczas elementy tego języka zostają zakodowane w ośrodkach mowy półkuli lewej. Natomiast kiedy w nauczaniu dorosłego człowieka kładzie się nacisk na zrozumienie reguł gra- matycznych, istotną rolę w opanowaniu języka odgrywają mechanizmy zlokalizowane w półkuli prawej. Wszystkie te czynniki mogą decydować, jak szybko u konkretnego poligloty znane mu języki odnawiają się w miarę ustępowania objawów afazji. 545 Niemal u wszystkich chorych z afazją czuciową (Wernickego) wykazano upo- śledzenie czynności obszaru odpowiadającego okolicy styku skroniowo-ciemienio- wo-potylicznego, choć obszar ten nie był zmieniony anatomicznie. Podobnie u chorych z afazją ruchową (Broca) stwierdzono słabsze wchłanianie radioaktywnej deoksyglukozy przez anatomicznie niezmienioną okolicę przedczołową. Fakty te wskazują, że obszar mózgu sterujący mową wykracza poza klasyczne ośrodki, ustalone na podstawie badań klinicznych, drażnienia elektrycznego i badań anatomo- patologicznych (Mazoyer i wsp., 1993; Petersen i Fiez, 1993; Petersen i wsp., 1989). Badanie mechanizmów mowy u ludzi zdrowych i Nieinwazyjne metody badania czynności mózgu umożliwiają obserwację czynności ośrodków mózgowych nie tylko u chorych z afazją, lecz także u ludzi zdrowych w trakcie wykonywania zadań polegających na ocenie struktury składni zdania, prawidłowości umiejscowienia wyrazów w zdaniu oraz znaczenia i kategorii gramatycznej wyrazów. Badania te są wykonywane za pomocą PET oraz nowoczesnych metod wykrywania subtelnych zmian aktywności elektrycznej mózgu. Badanie czynności mowy metodą PET W jednym z eksperymentów (Caplan, 1995) badanym dawano do rozwiązania trzy zadania. Zadania nr 1 i 2 wymagały oceny, czy prezentowane zdania złożone, o nieco dziwnej treści, są możliwe czy niemożliwe do przyjęcia. Zadanie nr 1 było trudniejsze, ponieważ zdanie zależne znajdowało się w środku zdania głównego30. Zdanie możliwe do przyjęcia Zdanie niemożliwe do przyjęcia Zadanie 1 (trudniejsze) The limerick that the boy recited appaled the priest Limeryk, który chłopiec recytował, zatrwożył księdza The teenager that the miniskirt wore horrified the mother Nastolatka, którą nosiła minispódniczka, przeraziła matkę Zadanie 2 (łatwiejsze) The biographer omitted the story that insulted the director Biograf opuścił relację, która obrażała dyrek- tora The woman tipped the hairdresser that pleased the haircut Kobieta dała napiwek fryzjerce, która była miła dla ostrzyżenia W zadaniu nr 3 prezentowano zdania złożone o takiej samej strukturze jak w zadaniach nr 1 i 2, lecz zawierające pseudowyrazy chorried ifindle, nie istniejące w języku angielskim. Równocześnie pokazywano zdania bez pseudowyrazów. Zadanie nr 3 było więc najłatwiejsze, gdyż wymagało jedynie stwierdzenia istnienia pseudowyrazu. 30 W języku angielskim zdanie zależne przeważnie nie jest, jak w języku polskim, oddzielone przecinkami; zwiększało to trudność rozwiązania zadania. 546* Zadanie 3 z pseudowyrazami Zdanie zależne na końcu Zdanie zależne w środku (jak w zadaniu 2) (jak w zadaniu 1) The economist predicted the recession that The sculpture that the artist exhibited shocked the chorried the man findle Ekonomista przepowiedział recesję, która Rzeźba, którą wystawił artysta, zaszokowała xxxxxa xxxxxła człowieka Gdy badany rozpoznawał, że składnia zdania jest nieprawidłowa, stwierdzano zwiększenie przepływu krwi przez ośrodki lewej półkuli mózgu. Rozwiązywanie trudniejszego zadania nr 1 aktywowało większą część obszaru mowy niż roz- wiązywanie łatwiejszego zadania nr 2. Zadanie nr 1 było trudniejsze ze względu na bardziej skomplikowaną konstrukcję syntaktyczną zdania głównego i zależnego, natomiast oba zdania (w zadaniu nr 1 i 2) były niemożliwe do przyjęcia, ponieważ niektóre wyrazy znalazły się w niewłaściwym miejscu. Przyjęto zatem, że obszar kory pozostały po odjęciu obszaru aktywowanego przez zadanie nr 2 od obszaru aktywowanego przez zadanie nr 1 jest istotny dla rozumienia składni zdania. Obszarem tym okazała się część ośrodka ruchowego mowy (Broca). W zadaniu 3. nieprawidłowość polegała na błędzie leksykalnym, podczas gdy składnia zdań była prawidłowa. Obszar aktywowany w trakcie rozwiązywania tego zadania obejmował okolice asocjacyjne wokół bruzdy bocznej mózgu (Sylwiusza) w lewej półkuli mózgu. Można więc przyjąć, że ta okolica mózgu jest istotna dla rozumienia treści zdania. Technika PET jest stosowana również do badania mechanizmu kodowania kategorii gramatycznych w ośrodkach mózgowych. Wyniki tych badań wskazują na to, że odmienne okolice kory analizują czasowniki, nazwy kolorów, nazwy zwierząt i narzędzi. Gdy badanym podawano nazwy zwierząt, zwiększał się przepływ krwi przez okolicę wzrokową. Natomiast podawanie nazw przedmiotów użytkowych aktywowało okolicę kory czuciowo-ruchowej (Martin i wsp. 1995, 1996). Badania mowy za pomocą potencjałów wywołanych Kutas i Hilyard (1980) rejestrując potencjały wywołane z okolicy skroniowej głowy zwrócili uwagę, że prezentacja niewłaściwego semantycznie wyrazu w zdaniu powoduje pojawienie się załamka N400 (tj. elektroujemnego, ze szczytem po 400 ms od podania bodźca). Załamek ten ma wyższą amplitudę w prawej, nie dominującej półkuli. W typowym eksperymencie badanemu przedstawiono zdanie poprawne Jan posmarował ciepły chleb masłem i nie- poprawne - Jan posmarował ciepły chleb skarpetkami. Odpowiedzią na błąd semantyczny w drugim zdaniu było pojawienie się wspomnianego załamka N400 w EEG. Obserwację tę potwierdzili inni badacze. Rysunek 22.3 przedstawia typowy zapis potencjałów wywołanych, zarejestrowanych z powierzchni głowy przez Neville i wsp. (1991). Widoczny jest wzrost amplitudy potencjału N400 w okolicach skroniowej, ciemieniowej i potylicznej. 547 Rys. 22.3. Wzrost amplitudy fali N400 po usłyszeniu zdania zawierającego błąd semantyczny (wg Neville i wsp., 1991, za zgodą wydawcy Journal of Cognitive Neuroscience"). Półkula lewa Półkula prawa Okolica: czołowa //\ i skroniowa ^ przednia skroniowa \skJi ciemieniowa (? potyliczna 1 II I I I I 0 200 400 600 ms I I I I I I I 0 200 400 600 ms -Zdanie prawidłowe -Zdanie z błędem semantycznym Innym załamkiem wykorzystywanym w badaniach mechanizmów mowy jest fala dodatnia ze szczytem po 600 ms (P600), która pojawia się przy naruszeniu struktury syntaktycznej zdania (Osterhout i Holcomb, 1992). Badanym pokazywano zestaw dwóch zdań, w których hoped i persuaded były czasownikami w stronie czynnej. Zdanie la było logicznie poprawne, zdanie Ib - niepoprawne. "?'*.?? * la The broker hoped to sell the stock. Pośrednik spodziewał się sprzedać akcje. 548 Ib The broker persuaded to sell the stock. Pośrednik namawiał do sprzedania akcji. Jego prezentacja spowodowała pojawienie się w słuchowym potencjale wywołanym fali P600. W drugim etapie pokazywano inny zestaw, w którym oba czasowniki były imiesłowami biernymi. Ha The broker persuaded to sell the stock was sent to jail. Pośrednik namawiany do sprzedania akcji został uwięziony. , Ilb The broker hoped to sell the stock was sent to jail. Pośrednik, od którego oczekiwano sprzedania akcji, został uwięziony. Tu poprawne było zdanie Ha, natomiast niepoprawne zdanie Ilb, z powodu niewłaściwego użycia hoped w formie imiesłowu biernego. Badani analizując zdanie Ila najpierw wahali się przy persuaded, biorąc go za czasownik w 3. osobie czasu przeszłego liczby pojedynczej (a więc jak w logicznie nieprawidłowym zdaniu Ib). Przy analizie dalszych, prawidłowych fragmentów tego zdania załamek P600 nie występował. Wystąpił natomiast przy analizie nieprawidłowego zdania Ilb przy czasowniku was, bo tutaj dopiero uwidoczniło się użycie w tym zdaniu hoped w nieprawidłowej formie imiesłowowej. Podobnie jak PET, również metoda potencjałów wywołanych znalazła zastosowanie w badaniu kodowania części mowy. Pulvermuller i wsp. (1999) wyświetlali na ekranie monitora komputerowego czasowniki i rzeczowniki. Czasowniki miały związek z ruchem (np. iść), a rzeczowniki przedstawiały przedmioty normalnie oglądane za pomocą wzroku (np. nazwy zwierząt, roślin, przedmiotów użytkowych). Naciskając odpowiednie przyciski osoba badana decydowała, czy widziany wyraz kojarzy się z ruchem (najczęściej był to czasownik), czy niesie informację wzrokową (zwykle była to nazwa zwierzęcia lub rośliny). Potencjały wywołane były wyższe nad lewą półkulą niż nad prawą. Prezentacji czasowników powodujących skojarzenia z ruchem towarzyszył wzrost amplitudy potencjałów wywołanych nad okolicą ruchową i przedruchową, prezen- tacji rzeczowników - wzrost amplitudy tych potencjałów nad korą wzrokową. Interpretacja wyników badania mechanizmów mowy Po konfrontacji klasycznych danych klinicznych z wynikami uzyskanymi za pomocą nowoczesnych technik badawczych można ustalić w pewnym zarysie organizację mózgowego mechamzmu mowy. Głównym siedliskiem procesów mowy jest obszar zakrętu skroniowego górnego, obejmujący ośrodek czuciowy mowy (Wernickego) i obszary sąsiednie. W obszarze tym są zakodowane pierwotne (ogólne) nazwy przedmiotów i pojęć. Można założyć, że jednostkami kodującymi te informacje są zespoły neuronów z utrwalonymi między nimi połączeniami synaptycznymi. Z tego powodu zarówno technika PET, jak i metody elektrofizjologiczne ujawniają aktywację tego obszaru, gdy badany przekonuje się, że zdanie zawiera błąd 549 leksykalny. Gdy odczytany wyraz jest zgodny ze śladem przechowywanym w tym magazynie, nie powoduje on perturbacji w funkcjonowaniu sieci neuronalnych analizujących wyrazy. Inaczej jest wtedy, gdy badany wykrywa niezgodność. Zostają wtedy uruchomione procesy, które wyrażają się zwiększeniem przepływu krwi przez dany obszar i modyfikacją potencjału wywołanego. Natomiast zespoły neuronów, które kodują te nazwy pod względem ich znaczenia (tj. semantycznym), znajdują się w okolicach asocjacyjnych, uczestniczących w percepcji danego Okno 12- Rozmowy z małpami > v, ,s Podejmowane próby nauczenia małpy ludzkiego języka mówionego nie dały zadowalających wyników. Pozostało jednak pytanie, czy małpy, nie mogąc wprawdzie mówić, nie potrafiłyby posługiwać się choćby rudymentarnymi pojęciami językowymi. Uwzględniając powszechnie znaną zdolność małp do naśladowania ruchów, P. A. i B. T. Gardnerowie (1969) zastosowali jako środek komunikacji ze zwierzęciem amerykańską wersję języka migowego głuchonie- mych (American Sign Language - ASL). Gardnerowie podkreślali znaczenie kontaktu socjalnego małpy z eksperymentatorem, ułatwiającego zwierzęciu przyswajanie odpowiednich czynności przez naśladowanie. Pierw- szą uczennicą była roczna szympansica Washoe, która zamieszkała w domu swych nauczycieli i kilka godzin dziennie przebywała w towarzystwie człowieka. W tym czasie stykała się z różnymi przedmiotami i sytuacjami i widziała odpowiadające im nazwy w ASL. Jedna z pierwszych nazw, którą opanowała, dotyczyła szczoteczki do zębów. Zwierzęciu regularnie myto zęby po każdym posiłku, pokazując przy tym symbol szczoteczki: palec wskazujący przesuwający się po przednich zębach. Pewnego razu, gdy Washoe znalazła się w łazience, po raz pierwszy sama wykonała ten ruch na widok stojących na półce szczoteczek. Później powtarzała go za każdym razem w związku z czynnością mycia zębów. W opanowaniu nazwy szczoteczki do zębów odegrał rolę mechanizm odroczonego naśladowania, polegający na tym, że Washoe nagle zaczęła poprawnie używać znaku poprzednio widzianego w skojarzeniu z określonym przedmiotem albo czynnością. Innym skutecznym sposobem nauki był rodzaj „gaworzenia", polegającego na wykonywaniu ruchów kończynami i dotykaniu w sposób chaotyczny różnych części ciała. W ten sposób małpa nauczyła się określenia zabawne, którego używała w trakcie zabaw. Było nim dotykanie palcem wskazującym czubka nosa i prychanie. Gdy wykonywała ten znak, eksperymentator powtarzał go, śmiejąc się przy tym, jak podczas wesołej zabawy. Wiele znaków Washoe opanowała na zasadzie warunkowania instrumentalnego. Ponieważ bardzo lubiła pieszczoty w postaci głaskania pleców, żywo domagała się powtarzania tej czynności. W ten sposób nauczyła się wykonywać znak jeszcze (palce złączone, ręka zwykle nad głową), po którym była głaskana. Później używała tego znaku w celu uzyskania innych przyjemności, na przykład huśtania w koszu do bielizny czy też ulubionych smakołyków. Postępy w nauce były powolne, lecz widoczne. Po roku Washoe opanowała kilkanaście znaków, z których układała dwu, trzy wyrazowe zdania (na przykład klucz-otworzyć-jedzenie, gdy domagała się zamkniętego pokarmu). Po trzech latach znała 87 znaków, a w piątym roku używała 150 symboli, a rozumiała znacznie więcej. Wśród nich były rzeczowniki, czasowniki, przymiotniki, przysłó/wki, imiona opiekunów i zaimek „ja", którym posługiwała się szczególnie często. W innym doświadczeniu, przeprowadzonym przez D. i A. J. Premacków (1983), szympansica Sara uczyła się sztucznego języka obrazkowego. Kolorowe tabliczki, oznacza- jące rzeczowniki, przymiotniki, czasowniki, zaimki i imiona własne, można było ustawiać i przesuwać na namagnesowanej tablicy. Po czterech latach małpa znała ponad 100 symboli, umiała układać je w zdania, a nawet posługiwać się trybem warunkowym. Na przykład po wypowiedzi Sara dać Dawid banan -* Dawid dać Sara czekolada wymieniała 550 przedmiotu lub działania. Znaczenie nazw zwierząt i kwiatów jest kodowane w okolicy wzrokowej, znaczenie narzędzi używanych w pracy ręcznej i działań - w okolicy czuciowo-ruchowej kory. n Mechanizm kodowania nazw jest bardziej złożony. Mogą tu odgrywać rolę jeszcze inne części mózgu. Damasio i wsp. (1996) stwierdzili za pomocą metody PET, że nazwiska oraz nazwy przedmiotów są zapisywane w różnych obszarach zakrętu skroniowego dolnego. . ,, ' < z eksperymentatorem banan na czekoladę. W jeszcze innych tego rodzaju badaniach małpa pytała eksperymentatora o nazwę przedmiotu i potem używała jej w dalszej „konwersacji". Wykonywano też eksperymenty mające na celu wykazanie, że u małp mogą powstawać prymitywne pojęcia językowe. Fouts i wsp. (1976) w pierwszej fazie treningu uczyli młodego szympansa Ally słownych oznaczeń przedmiotów w języku angielskim. Małpa wykonywała polecenia typu Ally, przynieś poduszkę, albo na pytanie Gdzie 'jest woda? prowadziła eksperymentatora do umywalki w łazience. W drugiej fazie treningu kojarzono poznane przez szympansa wyrazy z odpowiadającymi im znakami migowymi ASL, ale bez pokazy- wania mu określanych przez te znaki przedmiotów. Na przykład wypowiadano wyraz orzech i uczono małpę wykonywać znak orzecha: ręka ułożona w pięść z wyciągniętym kciukiem, kciuk dotyka dolnych zębów, po czym ręka jest szybko oddalana od ust. W fazie testowej małpa bezbłędnie wykonywała znaki oznaczające w ASL pokazywane jej przedmioty. Procedura ta przypomina uczenie się słówek języka obcego przez ludzi. Zdaniem autorów jej skuteczność wskazuje, że u małpy istnieją „wewnętrzne reprezentacje" przedmiotów, odpowiadające ludzkim wyobrażeniom, które można aktywować za pomocą znaków skojarzonych z tymi przedmiotami. Z kolei David Premack (1971) uczył szympansa wykonywania odpowiednich czynności nożem (krojenie jabłka), długopisem (mazanie po kartce papieru) i namoczoną gąbką (zwilżanie przedmiotu). Następnie, gdy pokazywano małpie sytuacje, w których występowały te przedmioty (na przykład jabłko całe i pokrojone na kawałki), zwierzę od razu wybierało właściwe narzędzie (w danym przypadku nóż). Podobne wyniki uzyskano pokazując małpie sceny filmowe, w których aktor znalazł się w jakimś kłopocie, na przykład szukał sposobu sięgnięcia po wysoko zawieszony banan. Małpa musiała wskazać na przedmiot, który mógłby ułatwić osiągnięcie tego celu, i z reguły wybierała krzesło. Wyniki tych eksperymentów świadczą o możliwości kodowania w układzie nerwowym małpy śladów pamięciowych zadań i pewnego rodzaju koncepcji ich wykonania. Początkowo sugerowano, że zadziwiające umiejętności małp posługiwania się językiem migowym i obrazkowym mogą świadczyć o występowaniu u pozaludzkich gatunków naczelnych zalążków systemu językowego i opartego na tym systemie myślenia. Nie brakło jednak też głosów krytycznych, nakazujących daleko idącą ostrożność w interpretacji wyżej opisanych wyników. Sposób, w jaki małpy opanowują posługiwanie się językiem migowym, różni się istotnie od rozwoju mowy u dziecka. U małp proces ten jest powolny, całkowicie oparty na uczeniu się z zastosowaniem specjalnych metod „pedagogicznych", podczas gdy dzieci nabywają zdolność mówienia znacznie szybciej i - co najważniejsze - spontanicznie. Eksperymentatorom zarzucano nieświadome „podpowiadanie" małpom sposobu wykonania testu, a także stosowanie „taryfy ulgowej" w ocenie ich zachowania, ponieważ uznawali za prawidłowe nieprecyzyjne ruchy ręki, tylko w przybliżeniu przypominające znaki ASL. Wielu krytyków dowodziło, że posługiwanie się językiem migowym czy obrazkowym przez małpy byfo w istocie oparte na wielołańcuchowych, lecz stosunkowo prostych instrumentalnych odruchach warunkowych. Największe zastrzeżenia budził jednak fakt, że sposób komunikacji stosowany w eksperymentach nie występuje u małp dziko żyjących, mimo że gestykulacja ma u naczelnych duże znaczenie sygnalizacyjne. o-« 551 Funkcjonalna asymetria półkul mózgu i< .• Półkule mózgu człowieka różnią się pod względem budowy anatomicznej i wykony- wanej czynności. Powszechnie znanym przejawem niejednakowej pracy półkul mózgu jest ręczność. U większości ludzi (ok. 92%), tzw. praworęcznych, prawa ręka może wykonywać bardziej precyzyjne czynności ruchowe. Ponieważ drogi ruchowe w mózgu są skrzyżowane, lewą półkulę mózgu uważa się za dominującą. Dominacja lewej półkuli dotyczy nie tylko czynności ruchowych, lecz także funkcji układów sensorycznych. Ludzie praworęczni korzystają chętniej z ucha prawego - rozmawia- jąc przez telefon zwykle trzymają słuchawkę przy uchu prawym, również wtedy, gdy prawą ręką zapisują słyszaną informację. Wbrew niektórym poglądom praworęcz- ność nie zależy od zwyczajów ani czynników kulturowych, lecz jest uwarunkowana genetycznie. Niemowlęta w wieku około 2 miesięcy żywiej reagują intensywnością odruchu ssania na dźwięki podawane do prawego ucha, a także poddawane działaniu różnych bodźców częściej zwracają głowę w prawo. Świadczy to o tym, że dominacja lewej półkuli zaznacza się już we wczesnym okresie życia. U około 98% ludzi praworęcznych, a także u około 70% leworęcznych, ośrodki mowy są zlokalizowane w lewej półkuli, dlatego jej uszkodzenia, objawiające się niedowładem prawych kończyn, często są także przyczyną afazji. Gdy uszkodzeniem jest objęty mały obszar, mogą występować zaburzenia wykonywania precyzyjnych ruchów (apraksje), niemożność pisania (agrafia) lub nierozpoznawanie liter (aleksja). Objawów tych nie obserwuje się w przypadkach uszkodzenia półkuli prawej; występującemu wówczas niedowładowi kończyn (lewostronnemu) nie towarzyszą zaburzenia mowy. Od dominacji półkuli trzeba odróżnić funkcjonalną asymetrię półkul mózgu, wyrażającą się różnym sposobem sterowania przez obie półkule działaniami intelektualnymi. Funkcjonalna asymetria w żadnym razie nie oznacza, że jedna półkula ma przewagę nad drugą, lecz polega na różnej, ale uzupełniającej się roli obu półkul w procesach myślenia. W takim ujęciu czynność każdej półkuli, choć odmienna, jest jednakowo ważna i niezbędna dla prawidłowego przebiegu czynności psychicznych człowieka. Anatomiczne połączenia między półkulami mózgu Ośrodkowy układ nerwowy jest w większości zbudowany z parzystych ośrodków i dróg nerwowych. Drogi nerwowe są przeważnie skrzyżowane, co powoduje, że informacja z lewej części ciała dociera do ośrodków czuciowych w prawej półkuli mózgu i odwrotnie. Ośrodki ruchowe także sterują czynnością mięśni w przeciw- ległej części ciała. Natomiast szczególny przebieg drogi wzrokowej jest przyczyną, że w korze wzrokowej każdej półkuli człowieka są reprezentowane lewe i prawe połowy siatkówek. Wskutek tego przedmioty znajdujące się w lewej części pola widzenia są „widziane" przez prawą półkulę mózgu, a przedmioty w prawej części pola - przez półkulę lewą. Koordynację pracy symetrycznych ośrodków kory mózgu w obu półkulach umożliwiają łączące je drogi kojarzeniowe. Najważniejszym i największym zbiorem 552 dróg kojarzeniowych między półkulami mózgu jest ciało modzełowate {corpus callosum). Obie półkule mogą się też komunikować przez inne spoidła, jak spoidło przednie i spoidło tylne. Rozdzielna praca półkul mózgu: doświadczenia na zwierzętach Obie półkule współpracują ze sobą i działają w sposób skoordynowany również wtedy, gdy informacja trafia wyłącznie do jednej półkuli. W warunkach doświad- czalnych sytuacja taka występuje u zwierząt po przecięciu skrzyżowania nerwów wzrokowych. Zabieg ten uniemożliwia wykorzystanie informacji z przynosowych połówek obu siatkówek, tak że jedynie informacje z każdej połówki przyskroniowej trafiają do tej samej półkuli. Jeżeli podczas trenowania instrumentalnej reakcji warunkowej na bodziec wzrokowy u tak operowanego zwierzęcia zasłaniano jedno oko, zakładano, że ślad pamięciowy powstanie pierwotnie w półkuli połączonej z odsłoniętym „aktywnym" okiem. Gdy jednak wytrenowanemu zwierzęciu zasłonięto to „aktywne" oko i odsłoniono oko nie używane podczas treningu (i tym samym kierowano strumień Rys. 22.4. Różne znaczenie bodźców u małpy z rozszczepionym mózgiem. Brak Nagroda I------1 Brak . 8 I___I nagrody lewe Pole widzenia prawe Skrzyżowanie nerwów wzrokowych lewa prawa Półkule mózgu 553 informacji do drugiej półkuli), okazało się, że wyuczona reakcja była wykonywana tak samo sprawnie. Działo się tak dlatego, że ślad pamięciowy wytwarzany w „trenowanej" półkuli jest natychmiast przenoszony do symetrycznych ośrodków w drugiej półkuli (rys. 22.4). Inny wynik uzyskiwano u zwierząt, u których wraz ze skrzyżowaniem nerwów wzrokowych zostało przecięte ciało modzelowate. Kot nauczony naciskać dźwignię na bodziec wzrokowy adresowany do jednego, odsłoniętego oka, nie wykonywał tej reakcji, gdy zasłonięte oko uprzednio trenowane, a odsłonięta drugie oko. Świadczy to o tym, że wskutek przerwania połączeń między półkulami ślad pamięciowy nie może być przeniesiony, jak u normalnego zwierzęcia, do półkuli „nie trenowanej". Powstanie takiego śladu w tej półkuli jest możliwe dopiero po zastosowaniu nowego treningu (Myers, 1956). Jeszcze bardziej spektakularne wyniki uzyskano w doświadczeniach na małpach. Małpy z przeciętym ciałem modzelowatym uczyły się, w zależności od trenowanej półkuli, różnego znaczenia bodźców. Na przykład w zestawie bodźców adresowanych do lewego oka kółko było dodatnim bodźcem warunkowym, a figura w kształcie krzyża - bodźcem ujemnym, naciśnięcie więc dźwigni na ukazanie się kółka, a nie krzyża, było nagradzane pokarmem. Te same bodźce miały odwrotne znaczenie, gdy kierowano je na boczną połowę siatkówki prawego oka: krzyż był teraz warunkowym bodźcem dodatnim, a kółko - ujemnym. Operowane zwierzęta łatwo nauczyły się odmiennie reagować na te bodźce w zależności od aktualnie „używanej" półkuli mózgu (Sperry, 1961). Rozdzielna praca półkul mózgu: badania u ludzi W latach sześćdziesiątych badacze grupy Sperry'ego zapoczątkowali badania czynności półkul mózgu u pacjentów z przeciętym ciałem modzelowatym. Zabieg ten, zwany komisurotomią, wykonywano w celu opanowania napadów padaczkowych po negatywnych efektach leczenia farmakologicznego. Obserwacje chorych wykazały, że rola obu półkul w procesach percepcji i myślenia nie jest jednakowa. Myślenie lewopółkulowe i prawopółkulowe Punktem zwrotnym w badaniach nad różnicami w funkcjonowaniu obu półkul mózgu było wprowadzenie metod pobudzania siatkówki w taki sposób, by powstałe w wyniku tego impulsy trafiały do ośrodków wzrokowych tylko w jednej półkuli. Sposoby te polegają na wyświetlaniu bodźców na półkolistym ekranie wypełniającym całe pole widzenia, przy czym badanemu patrzącemu na ekran przez odpowiednio skonstruowane okulary poleca się fiksować wzrok na centralnie położonym punkcie. Gdy pokazywany przedmiot znajdował się w lewej połowie pola widzenia (a więc gdy „widziała" go półkula prawa), pacjent z przeciętym ciałem modzelowatym nie potrafił podać nazwy tego przedmiotu, natomiast prawidłowo nazywał przedmioty ukazujące się w prawej połowie pola. Tłumaczono to dominującym zaangażowaniem półkuli lewej w czynnościach mowy, a zatem większą jej sprawnością w porównaniu z półkulą prawą, w nadawaniu znaczenia 554 słownego spostrzeganym obiektom. Natomiast prawa półkula okazała się spraw- niejsza pod względem przestrzennej analizy obrazów. W jednym z testów badanym polecano zidentyfikować trójwymiarową figurę geometryczną z jej dwuwymiaro- wym rozwiniętym schematem (jak w papierowych modelach zabawek do sklejenia). Zadanie to pacjenci wykonywali lepiej, gdy analizowany obraz znajdował się w lewej połowie pola widzenia. Takie wyniki badań pozwoliły na zaproponowanie hipotezy, że czynnościami psychicznymi człowieka sterują obie półkule mózgu, aczkolwiek w zróżnicowany sposób. Półkula lewa - zawierająca u większości ludzi ośrodki mowy - jest wyspecjalizowana w myśleniu słownym, a zatem lepiej sobie radzi z zadaniami wymagającymi werbalnej analizy informacji. Półkula prawa sprawniej rozwiązuje testy, w których potrzebna jest geometryczna (przestrzenna) ocena sytuacji (Nebes, 1972, 1974). Ocena ta jest dokonywana całościowo, w jednorazowym akcie poznawczym, a zatem zgodnie z zasadami teorii postaci. Myślenie związane z półkulą prawą jest więc typu syntetycznego, w odróżnieniu od analityczno-werbalnego myślenia „lewopółkulowego". •; > Objawy uszkodzenia półkuli prawej mózgu > = Wyniki obserwacji pacjentów z przeciętym ciałem modzełowatym skłoniły badaczy do bardziej wnikliwego spojrzenia na objawy, które występują u chorych z uszkodzeniami półkuli prawej, lecz z nietkniętymi połączeniami między półkulami. W przypadkach tych występują dwa charakterystyczne zespoły: zaburzenia orientacji przestrzennej oraz niemożność rozpoznawania twarzy ludzkich (Benton, 1990). Zakłócona orientacja przestrzenna uniemożliwia choremu poprawne wykonywanie zadań wymagających identyfikacji wzajemnego położenia przedmiotów. W życiu codziennym wyrazem tego upośledzenia jest utrata pamięci topograficznej umoż- liwiającej całościową szybką ocenę właściwości terenu. Ubytek ten chory może częściowo skompensować, ucząc się charakterystycznych szczegółów przebywanej drogi, na przykład liczby mijanych domów czy przekraczanych skrzyżowań, wówczas jednak odbywa się to znacznie wolniej, na zasadzie myślenia analitycz- nego. Drugie, stosunkowo rzadkie zaburzenie zwane prozopagnozja wskazuje, że w półkuli prawej są przechowywane informacje umożliwiające identyfikację poznanych uprzednio osób. Identyfikacja ta, podobnie jak ocena topografii terenu, odbywa się w sposób całościowy. Podobnie też prozopagnozja może być częściowo skompensowana przez nauczenie się rozpoznawania osób w sposób analityczny, na przykład na podstawie charakterystyki ich poruszania się czy barwy głosu. Współdziałanie obu półkul u pacjentów po komisurotomii Wczesne obserwacje pacjentów, u których przecięto ciało modzelowate, wskazywały na całkowitą dysocjację pracy rozdzielonych półkul. Niektórzy operowani nie mogli sprawnie doprowadzić do końca rozpoczętej czynności. Na przykład opisywano, że pacjent podczas ubierania się zakładał pewną część ubrania, aby potem ją zdejmować pod wpływem rozkazów drugiej półkuli. Przypadek ten jest jednak raczej wyjątkiem. Pacjenci z przeciętym ciałem modzełowatym zwykle okazują się zadziwiająco sprawni w wykonywaniu codziennych czynności. W związku z tym wysuwano przypuszczenie, że rozdzielone półkule w pewien 555 sposób ze sobą współpracują. Współpraca taka została wykazana dzięki za- stosowaniu specjalnych testów. W badaniach Sergent (1987) pacjentom pokazywano przez 100 lub 150 milisekund parę uzupełniających się bodźców, z których każdy był adresowany do różnej półkuli mózgu. Krótki czas prezentacji miał uniemożliwić przesuwanie się obrazu do drugiej połowy siatkówki wskutek drobnych ruchów gałek ocznych. Badani prawidłowo oceniali, czy dwie strzałki - jedna ukazująca się w prawej, druga w lewej połowie pola widzenia - znajdują się w tej samej linii, czy dwie linie pokazywane w różnych połowach pola są względem siebie ułożone pod kątem mniejszym lub większym od 90°, czy strzałka znajdująca się w jednej połowie pola widzenia wskazuje na kropkę w drugiej połowie. Pacjenci rozwiązywali nie tylko te testy, lecz nawet zadania wymagające oceny, czy zespół liter, wyświetlany w taki sposób, że jego początek i koniec były adresowane do różnych półkul, tworzy wyraz sensowny czy bezsensowny. Jednakże mimo stwierdzenia sensowności wyrazu, nie potrafili go odtworzyć. Mechanizm opisanych powyżej zjawisk nie został przekonująco wyjaśniony. Może tu wchodzić w grę nieuświadamiane pobudzenie ośrodków podkorowych, dających projekcję do każdej z rozdzielonych półkul (Corbalis, 1994). Rozdzielone półkule mogą się „porozumiewać" różnymi niekonwencjonalnymi, trudnymi do kontroli sposobami. Na przykład jedna z półkul może wyzwalać drobne ruchy języka, które stanowią zwrotną informację dla drugiej półkuli. Rozdzielone półkule - dwie psychiki czy jedna? '' ' Analiza danych uzyskanych przez różnych badaczy wskazuje, że funkcjonowanie półkul mózgu z rozszczepionym mózgiem trzeba oceniać indywidualnie u każdego pacjenta. U niektórych, najczęściej z wrodzonym brakiem ciała modzelowatego, prawa półkula rozumie zarówno sygnały słowne (werbalne), jak i bodźce niewerbalne i w testach psychologicznych niewiele różni się od półkuli lewej. W większości jednak przypadków po przecięciu ciała modzelowatego między czynnością obu półkul występują znaczne różnice. Gdy pacjentowi pokazuje się przedmiot i poleca się dobrać „pasujący" do niego inny przedmiot spośród kilku przedstawionych na rysunku, zadanie to jest zwykle prawidłowo wykonywane przez obie półkule. Inaczej jest, kiedy dobranie przedmio- tów wymaga nie prostego porównania ich użytkowości, lecz pewnego wnioskowania o konsekwencjach danej asocjacji - wówczas lewa półkula okazuje się sprawniejsza. Na przykład gdy pacjentowi pokazywano rysunek palca i pinezki, tylko lewa półkula wskazała na rysunek krwawiącej rany. Wyniki tego rodzaju testów dowodzą, że półkula prawa wykrywa jedynie istniejące od dawna rutynowe asocjacje, natomiast półkula lewa nie tylko koduje nowe skojarzenia, lecz także przewiduje ich następstwa. Domeną półkuli lewej jest ogólna interpretacja działań, których elementami steruje oddzielnie każda półkula. Pacjentowi po komisurotomii pokazywano rysunek pazura kurczęcia, adresowany do półkuli lewej i jednocześnie obraz sceny ze śniegiem, adresowany do półkuli prawej, a następnie polecano wskazać odpowiadające tym wizerunkom rysunki z udostępnionego zestawu. Pacjent wskazał 556 i (Rys. 22.5. Interpretacyjne działanie półkuli mózgu lewej (na podst. badań Gazzanigi, 1995). Obrazy widziane przez pacjenta prawą ręką rysunek głowy kurczęcia (jako uzupełnienie pazura widzianego przez półkulę lewą, sterującą również prawą ręką), natomiast lewą ręką (sterowaną przez półkulę prawą) wybrał rysunek szufli do odgarniania śniegu (widzianego przez tę półkulę). Zapytany o przyczynę takiego wyboru odpowiedział, że pazur należy do kurczęcia, a szufla służy do oczyszczenia kurnika (rys. 22.5). Interpretując wyniki tych obserwacji Gazzaniga (1995) wyraża pogląd, że różne czynności psychiczne sprawowane przez każdą półkulę są integrowane przez wspólny mechanizm zlokalizowany w półkuli lewej. W przytoczonym wyżej teście pacjent interpretując wybór szufli nie brał pod uwagę śniegu widzianego przez półkulę prawą, lecz kierował się wyłącznie doznaniami półkuli lewej. Ta bowiem, prawidłowo kojarząc obraz kurczęcia z obrazem pazura, jednocześnie „widziała" lewą rękę wskazującą na szuflę i przypisała wszystkim tym doznaniom wspólny związek przyczynowo-skutkowy. Różnice między płciami Badania wykonywane u ludzi zdrowych wykazały istotne zależne od płci różnice w wykonywaniu testów angażujących niektóre procesy psychiczne. Kobiety odznaczają się większą szybkością spostrzegania - spośród oglądanych podobnych rysunków łatwiej dostrzegają rysunek identyczny z wzorcem. Cechują się lepszą fluencją wyobrażeniową, gdy muszą wyliczyć przedmioty o tych samych cechach fizycznych. Lepiej niż mężczyźni wykonują proste działania arytmetyczne, jak dodawanie i mnożenie liczb dwucyfrowych. Kobiety wypadają też lepiej w testach językowych, uwzględniających gramatykę, pisownię i posługiwanie się słowami. 557 J i I Mężczyźni z kolei wykazują przewagę w testach na orientację przestrzenną i związaną z nią sprawność ruchową. Lepiej niż kobiety wykonują zadania wymagające „obracania" w myśli trójwymiarową figurą. Skuteczniej trafiają przedmiotem w cel i potrafią wyobrazić sobie trajektorię rzucanego przedmiotu. Wykazują większą zdolność do operowania złożonymi pojęciami matematycznymi. Wymienione różnice mogłyby sugerować, że w myśleniu u mężczyzn większą rolę odgrywa półkula prawa, u kobiet zaś lewa. Zgodnie z takimi właściwościami mózgu kobiety poruszając się w obcym terenie częściej wykorzystują jako znaki rozpoznawcze charakterystyczne szczegóły otoczenia, natomiast mężczyźni polegają raczej na całościowej ocenie sytuacji. Sprawa jest jednak bardziej złożona. Analiza chorych z różnymi uszkodzeniami mózgu wykazała, że funkcjonalne różnice czynności obu półkul są wyraźniej zaznaczone u mężczyzn niż u kobiet. Na przykład testy polegające na nazywaniu przedmiotów są na ogół dobrze wykonywane przez mężczyzn z uszkodzeniami półkuli prawej, a wyraźne zaburzenia występują tylko w przypadkach uszkodzenia półkuli lewej. Kobiety natomiast wykonują te testy gorzej nie tylko po lewostron- nych, lecz również po prawostronnych uszkodzeniach mózgu. Można zatem sądzić, że w posługiwaniu się mową kobiety używają, inaczej niż mężczyźni, obu półkul. Przyczyną tych różnic może być odmienna u obu płci budowa ciała modzelowatego. Struktura ta jest z reguły większa u kobiet, co może wpływać na sprawniejszą wymianę informacji między półkulami (Damasio i Damasio, 1992). w tą <%" * ?•)< <•< ' '. ? ??' i: i'ii Okolica przedczołowa i. ?„ , , i. >. ?.< >. ' ^ t ,,.,, Okolica przedczołowa (kora przedczołowa) stanowi przednią część płata czołowego i leży ku przodowi od okolicy przedruchowej. Obejmuje pola cytoarchitektoniczne 9-12, 45 i 46 według Brodmanna, a na powierzchni przyśrodkowej - przednią część zakrętu obręczy. U człowieka kora przedczołowa odgrywa ważną rolę w procesach intelektualnych i steruje właściwymi ludziom formami zachowania. Pamięć u ludzi z uszkodzeniami okolicy przedczołowej '* v ;'"' W odróżnieniu od małp uszkodzenie płatów czołowych u ludzi przez nowotwory, urazy czy zaburzenia krążenia krwi nie powoduje drastycznego upośledzenia pamięci. Chorzy na ogół dysponują sprawną pamięcią rozpoznawczą i dobrze wykonują zadania oparte na prostym uczeniu się asocjacyjnym, wykazują natomiast nasiloną interferencję proaktywną, czyli wpływ uprzedniego uczenia się na opanowywanie nowego materiału. Pacjentom polecano najpierw nauczyć się 12 par skojarzonych wyrazów, na przykład: złodziej - zbrodnia, lew - myśliwy, a następnie opanować drugą listę, w której jeden człon każdej pary był zmieniony, na przykład złodziej - bandyta, lew - cyrk. O ile wyniki pierwszego zadania były tylko nieznacznie gorsze u chorych niż u zdrowych, o tyle znamienne różnice, na niekorzyść chorych, wystąpiły przy drugim zadaniu (Shimamura, 1995). j^fłasrao^wu.:.}ik 558 Proaktywną interferencją można wyjaśnić niezadowalające wyniki uzyskiwane przez chorych w Teście Sortowania Kart z Wisconsin. W jednym z wariantów tego testu karty można sortować według kolorów, figur lub liczb. Wymagane przez badającego kryterium sortowania pacjent poznaje metodą prób i błędów. Kryterium zmienia się w czasie trwania testu. Zadanie to jest bardzo trudne dla osób z uszkodzeniem płatów czołowych. Mimo odkrycia nowego kryterium chorzy nadal sortują karty według poprzedniej, już nieaktualnej zasady (Milner i wsp., 1985). Chorzy osiągali również słabe wyniki w teście na fluencję słowną, polegającą na znalezieniu jak największej liczby wyrazów zaczynających się na daną literę, przy czym upośledzenie to ograniczało się do lewego płata czołowego (Janowsky i wsp., 1989a). Podobną trudność sprawiało badanym wyliczenie produktów, które można kupić w supermarkecie. W tym drugim teście ujawnił się wpływ interferencji proaktywnej polegający na tym, że nazwa jednego artykułu blokowała odtworzenie nazwy drugiego artykułu. . ^ •! v# Innym zaburzeniem typowym dla uszkodzeń płata czołowego jest upośledzenie tzw. metapamięci, czyli poczucia „że się wie". Pacjentom polecano nauczyć się 24 zdań typu W ogrodzie rosło dużo fiołków. Po 1-3 dniach czytano im pierwszy fragment zdania (W ogrodzie rosło dużo), po czym pacjent musiał dopowiedzieć resztę. Gdy nie mógł sobie przypomnieć, oceniał w skali od 0 do 4, w jakim stopniu jest pewien, że zna zakończenie. Mimo niskiego autorankingu pacjent potrafił odtworzyć te wyrazy, gdy zastosowano technikę poprzedzania (priming) (Janowsky i wsp., 1989b). I wreszcie do typowych zaburzeń należy niepamięć kontekstu czasowego i niepamięć źródła. Chorym czytano listę 15 wyrazów, a następnie polecano zrekonstruować ją z losowo ułożonych tych samych wyrazów. Chociaż badani znali wyrazy, nie mogli odtworzyć ich w takiej kolejności, w jakiej występowały w pierwszej fazie testu. Nie potrafili także uporządkować chronologii znanych wydarzeń, jakie miały miejsce w ciągu ostatnich 45 lat (np. nie wiedzieli, czy Lech Wałęsa zorganizował „Solidarność" wcześniej czy później od wynalezienia szczepionki przeciwko wirusowi Polio) (Shimamura i wsp., 1990). W celu zbadania pamięci źródła pacjentom podawano 20 powszechnie znanych informacji, a po kilku dniach powtarzano te same informacje oraz dodawano jeszcze 20 nowych, również powszechnie znanych. Chorzy z uszkodze- niami płata czołowego nie byli pewni, czy o danym fakcie była już mowa w trakcie poprzedniego badania, czy nie (Janowsky i wsp., 1989c). Powyższe wyniki wskazują, że pacjenci z uszkodzeniami płata czołowego na ogół nie wykazują wyraźnych zaburzeń pamięci, mają natomiast trudności w operowaniu posiadaną wiedzą, nie potrafią jej usystematyzować i nie wykorzys- tują uprzedniego doświadczenia w realizacji aktualnych działań. Defekt ten nie tylko ujawnia się w wykonywaniu zadań testowych, lecz także występuje w codziennym zachowaniu tych pacjentów i jest widoczny dla otoczenia. >\>n,ą I Zespół płata czołowego a \ -?.,.? ? Objawy uszkodzenia okolicy przedczołowej są określane jako tzw. zespół płata czołowego. Na zespół ten składają się trzy grupy objawów - zaburzenia osobowości, zmiany intelektualne i adynamia czołowa. 559 Zaburzenia osobowości występują najwyraźniej przy uszkodzeniu podstaw- no-bocznej części płatów czołowych, obejmującym zakręty oczodołowe. Pacjent przejawia brak troski o przyszłość, euforię, brak inicjatywy, skłonność do dowcipkowania. Ludzie, którzy znali go przed zachorowaniem, mówią, że „to inny człowiek". Ulegają zakłóceniu relacje z członkami rodziny i kontakty służbowe. Zaburzenia te Damasio i wsp. (1990) nazwali „nabytą socjopatią". Opisywany przez nich pacjent z uszkodzeniem okolicy oczodołowej przez nowotwór zaniedbał obowiązki rodzinne i do pracy w swym przedsiębiorstwie kwalifikował nieodpowiednich kandydatów, choć znał kryteria, jakim powinni odpowiadać. Zmiany intelektualne obserwuje się głównie przy uszkodzeniu części górno- -bocznej płatów czołowych. Pacjenci uzyskują gorsze wyniki w testach na inteligencję i mają trudności z opracowywaniem planu działania i jego realizacją według określonego schematu czasowego. Nie potrafią przewidzieć konsekwencji działania i nie korygują popełnianych błędów, a także działają pod wpływem chwilowego impulsu. Zaburzenia zachowania chorych wynikające ze zmian intelektualnych, zauważane przez rodzinę, występują w opisach wielu przypadków klinicznych, na przykład chora nie potrafi przygotować obiadu, gdy czynność ta składa się z wielu następujących po sobie działań. Zaburzenia te były też systematycznie badane w warunkach kontrolowanych. Pacjenci, którym polecano udać się po zakupy do supermarketu, a po drodze załatwić jeszcze kilka spraw, nie wywiązywali się zadowalająco z zadania, kupowali inne przedmioty, a nawet swym zachowaniem wzbudzali zainteresowanie personelu (Shallice i Burgess, 1991). Pewien pacjent został zaproszony przez lekarza do gabinetu i w tym celu musiał przejść przez korytarz. Na korytarzu ustawiono stół, na którym znajdował się młotek, gwoździe i obrazek. Pacjent zatrzymał się przy stole, wziął młotek do ręki, wbił gwóźdź w ścianę i zawiesił na nim obrazek, chociaż nikt go o to nie prosił. Tego rodzaju zachowania Lhermitte (1986) nazwał zespołem zależnym od otoczenia (environmental dependence syndrome). Inne, podobne zaburzenie polega na chwytaniu przez pacjenta przedmiotów znajdujących się w jego zasięgu i manipulowaniu nimi nie zawsze zgodnie z aktualną potrzebą (Lhermitte, 1983; Lhermitte i wsp., 1986). Zakłócenia realizacji zadań przez chorych z uszkodzeniami płatów czołowych uwidoczniają się także w testach labiryntowych, na przykład w labiryncie Porteusa. Badany ogląda rysunek labiryntu i jest proszony o narysowanie najkrótszej drogi od miejsca startu do celu. Przystępując do wykonania tego polecenia musi najpierw ocenić sytuację, ustalić plan działania, a następnie konsekwentnie go realizować. Znalezienie drogi w labiryncie zajmuje chorym więcej czasu niż ludziom zdrowym, ponieważ pacjenci popełniają więcej błędów i nie potrafią ich korygować. Trzeci składnik zespołu płata czołowego, adynamia czołowa, jest skutkiem uszkodzenia, najczęściej obustronnego, przedniej części zakrętu obręczy. W pełnej postaci charakteryzuje się bezruchem i milczeniem (tzw. mutyzmem akinetycznym). Milczenie nie jest spowodowane zaburzeniami świadomości ani upośledzeniem mowy, lecz - według oceny samych pacjentów - wynika z braku potrzeby mówienia, ponieważ nic szczególnego nie dzieje się w ich otoczeniu. W łagodniej- 560 19S oj -oqoXsd aiuoaąo Biiraz.mqBZ airepfezodsra 9inn Mosaoojd Bzofpod - f9MO{Ozop9Zjd jfoijo^o raaiuazofejpo z tt5[zfeiMZ m 'BIU9Z0OJO I O§9IU Bjp 9AVIJZBpn lO§9J0q0 9IUBMOqDBZ 9UZ0I§OJOJBd 9is bjbzb^o Biuiojoqoi Iejtij i 9jb 'uiXup(s9jd9p ui9ju9uoduio:>[ z qnj BpsoxiMXs9J§B z oiausu qoB5[pBdAz [BUp3f 3IS X|EZE5[O IIU9JJOZiqOS *; ??:?!'?:> (/.o3JO };r; h!???><;ti?'' -B5[ZOBpBd 'pSOUAvXS3J§B '3UtXS3jd3p-OUlB5[BIUBXU 'raimptu raiXMOsnraXzjd z aoiAuau 'bmo5[3{ boiausu fujis 'nu9Jjoziqos 9UZOJ 3[ef 9D[BJ 'BIU9Z0OJO I 0§9JOqO B]p 9MI{Zfepn BIU9ldl9I0 nuiojoqoi op ara ifoBjado uiap3 nSzoia bjzssj z fsMOtozopazjd Xdijo5[o uszofejod p BU BJB§3J0d BfOBJSdO BZIUOJV Z3Zjd BUBM^UO^M 'oS3JOqO 3IUBAVOqOBZ OBMOUUOUn 3zoui nSzoui Xjzs3J po arezsqo oSsj siuszofejpo uisjbz b 'fsMojozopszjd psouiŁfao Buoraaluiz OMoqojoqo jsaf izptq n qoXuzoĄoqoXsd MOMBfq rasjpojz 3z 'biu3zo{bz z uo {pszs^^w ziuop^ SB§g §janqoojn3u p{S[B§nuod jXq bmojozo (feiraojoj[n3^) Bimojoqo| oSsubmz oSsuMoBisdo n§3iqBz uisjojbIoiuj eiuio;oqoq Bjp BIUBMOUIBq ł '.!? '(?661 '^03A\oqBJ?) i jq§iu5[) ifoBnj^s fsirep Moozpoq ifodsojad qoXAVojpz BU 3fnZB5JSM BpBMJ9SqO z qoXaoqo n bzszXm b bzsziu '9{Biuinzoiz oo 'BjXq AS.oozpoq iu9MX^dM pod nSzoui Xjo5[ uiAMoqotqs n5[pojso m §ts qoXuz3/tq5{9p MO^BpU9iod 9pnjqduiB ngzoui Xqojoqo 9uzoj bu qoXaoqo n IZpn^ n OUBM^UMOIOd Vp/ilOV>[ M 'UBpBq D[IUXm BfhZB^SM OSOMI^ZOUI •IpBUXotl{Bq BIUBMBJSMOd Op pBra^ZO^Zjd 9IS 9ZOUI OO 'n§ZOUI 9ZJO5[ M MOIBZSqO q0^UZ0XjOSU9S 9IUBMOlUBq 9UZ39JBJS0p9XU pXq 9ZOUI '(?661 ''dsM t ^ojbs -8861 ''dsM i ugqo3) ini9^ozxqos m Buozsfaiuuiz onj 9Mosnui I pSOAvXzD U9J UIZniBq39]^ BZiO§ZM OJpfef 9AV0J9iqZJ§ UBtlUZ p[pojso i biu9zbj>i ui9zbjXm jsgf i qoXup(s9jd9p qoBUB}s m bjbmjj, qoXuzoiqoXsd qoBqoaoqo U9ZjnqBZ ^gjn^sM 9Z5[bj zo9j 'qoXuzoxuiołBire U9zpo5[zsn qoXznp oą\/Li 9iu Buoragiraz pXq gzora foMojozopgzjd '(?861 'U3S3OH uba I oisbuibq '?861 'uouibj^ i saa§jnf) BUMJBqzaq 9is afBjs o39ioqo BM.OUI O§9Z0 5[9jn5{SM 'tZp9TM0dj{M ifOBUOJUI ("3UlBUOpOUI9 ra9CfBjq 9Z>[B1 B 'Bp -SOUAVpUIO{BUI I UlAMOq0tU UI9IUBMOlIIBqBZ 9IS BIMBfoZjd OJ 9ni9ZJnqBZ 9IUU0J f9ZS chirurgia została wyparta przez skuteczniejsze nieinwazyjne leczenie farmakologicz- ne. Pacjenci po lobotomii byli wszechstronnie badani za pomocą testów psycho- logicznych, a analiza uzyskanych wyników umożliwiła wyciągnięcie pewnych wniosków o czynności okolicy przedczołowej u człowieka. Tow (1955) zestawił wyniki badań uzyskane u 36 pacjentów przed zabiegiem i po lobotomii za pomocą testów uwzględniających kilkanaście parametrów sprawności psychicznej. .-. •. ? -^ r« •? .' -> • ? .» -"<"., -? ? Ogóhią inteligencję badano niewerbalnym testem Ravena. Chorzy oglądali desenie z wyciętym fragmentem, który musieli uzupełnić jednym spośród kilku wzorów, najbardziej pasującym do całości. Zasób słownictwa chorych oceniano na podstawie podanych przez nich definicji 100 wyrazów. W teście na szybkość i dokładność chorzy otrzymywali tekst, z którego musieli naprzemiennie wykreślać litery U i A. Aby ocenić wytrwałość w wykonywaniu zadań, kazano im tworzyć krótkie wyrazy z liter występujących w długim wyrazie, na przykład speculate. Podstawą oceny była liczba utworzonych wyrazów, po której badany odstępował od kontynuowania testu. Fluencję wyobrażeniową oceniano za pomocą kilku testów. Pacjent oglądał rysunek i musiał podać, co mogłoby się znaleźć w miejscu oznaczonym krzyżykiem, na przykład pod drzewem, na zakręcie drogi. W innych próbach musiał wyliczyć jak największą liczbę przedmiotów jadalnych lub o określonym kształcie, uzupełniać brakujące fragmenty rysunku, podać - jakie przedmioty przypomina mu plama atramentowa. Badano też zdolność odróżniania pojęć abstrakcyjnych, jak błąd - kłamstwo, ubóstwo - nędza, obfitość - nadmiar. W teście sortowania badany oglądał 26 przedmiotów, które można było podzielić na grupy zależnie od koloru, kształtu, przeznaczenia (np. przybory do pisania, rysowania, czytania) i materiału, z którego były wykonane. Dużą wagę przywiązywano do prób labiryntowych. Badany musiał wyznaczyć ołówkiem najkrótszą drogę od miejsca wejścia do wyjścia w różnych labiryntach Porteusa. Kryterium oceny stanowił czas wykonania tych zadań. Wykonywanie większości prób pogarszało się po lobotomii. Największe zmiany wystąpiły w uzupełnianiu deseni Ravena, zasobie słownictwa, we fluencji wyobrażeniowej, w rozumieniu wyrazów abstrakcyjnych, w testach labiryntowych i sortowaniu przedmiotów. Pogorszyła się dokładność wykonywania zadania polegającego na wykreślaniu liter w tekście. Skutki uszkodzenia okolicy przedczołowej - podsumowanie 3 '"" ;; ' Płaty czołowe odgrywają rolę w podejmowaniu decyzji, w działaniach ukierun- kowanych na cel i kontroli aktualnych form zachowania. Okolica przedczołowa wpływa zarówno na procesy percepcyjne, jak i na inicjację oraz przebieg działań, dlatego skutkiem uszkodzenia płatów czołowych jest brak hamowania dopływu zbędnych informacji oraz upośledzenie wykrywania nowych bodźców, a także nagłych zmian w otoczeniu. Ogranicza to możliwość działań we właściwym im kontekście przestrzenno-czasowym. Z tego powodu pacjenci na tle prawidłowych zachowań nagle przejawiają zachowania nieadekwatne do sytuacji, choć sposób ich realizacji może nie odbiegać od normy. 562 Powyższe zaburzenia sprawiają, że pacjent, pozbawiony możliwości kontroli nad działaniami aktualnymi i korzystania z uprzedniego doświadczenia, nie może planować swoich zachowań ani też ich weryfikować pod kątem zgodności z planem. W nasilonej postaci uszkodzenia płatów czołowych przejawiają się tendencją do powtarzania (perseweracji) nieadekwatnych czynności i do działań pod wpływem przypadkowych bodźców zewnętrznych. Pacjenci często naśladują zachowanie badającego ich lekarza lub innych osób, pod których wpływem się znajdują. Mimo braku ewidentnych ubytków pamięci chorzy nie potrafią uporządkować swych wiadomości w określonej sekwencji czasowej i nie umieją wykorzystać ich w aktualnych działaniach. Interferencja proaktywna powoduje, że nie docierają do nich nowe informacje, blokowane przez uprzedni materiał pamięciowy. Ich uwaga jest rozproszona i często kieruje się ku nieadekwatnym bodźcom. Upośledzenie planowania działań jest związane z nieumiejętnością stawiania hipotez i kontroli ich realizacji. Konsekwencją tego jest niemożn©ść przewidywania konsekwencji aktualnych zachowań i opracowywania ich alternatywnych wariantów. Reasumując można stwierdzić, że uszkodzenia płatów czołowych naruszają mechanizmy mózgowe, od których zależy inteligencja i osobowość człowieka, a więc podstawowe atrybuty ludzkiego myślenia. ./ ..<« < < - ,,»,*? > u,) i \ \ ii.li-' A, x' ii'"' 1 _ ' ' , <• 'i ') Mk"5 I •• H «- I ' i/ i ' yki ,fw ii , > 1 /;>•''? >y .< J ? 1. 1 flU A ,IH ,1 "_•!),! . \V'i i f i. ,if '< 1 , ' dJ),*. 'i* -fłii / V|*« *W>il <" 'A'- A ,A .'.O / ' M""*' "'« rr, Bibliografia r Publikacje ogólne .. , i Alcock J. (1993) Animal behavior. An evolutionary approach, wyd. 3, Sunderland, Mass., Sinauer. Basic neurochemistry. Molecular, cellular and medical aspects (1999) G. J. Siegel (red.), wyd. 6, Philadelphia, Lippincott. Brooks V. B. (1986) The neural basis of motor control, New York, Oxford University Press. Bunge M. (1980) The mind-body problem. A psychobiological approach, Oxford, Pergamon Press. Damasio A. R. (1999) Błąd Kartezjusza, Poznań, Rebis. Eccles J. C. (1957) The physiology ofnerve cells, Baltimore, The Johns Hopkins Press. Eccles J. C. (1964) The physiology of synapses, Berlin, Springer. Falconer D. S., Mackay T. F. C. (1996) Introduction to quantitative genetics, Burnt Mili, Harlow. Fundamental neuroscience (1999) M. J. Zigmond, F. E. Bloom, S. C. Landis, J. L. Roberts, L. R. Squire (red.), San Diego, Academic Press. Guenter, R. K. (1998) Human cognition, Upper Saddle River, Prentice Hali. Guyton A. C, Hali J. E. (1996) Textbook of medical physiology, wyd. 9, Philadelphia, Saunders. Hartl D. L. (1980) Principles ofpopulation genetics, Sunderland, Mass., Sinauer. Iggo A., Andres K. H. (1982) Morphology of cutaneous receptors, „Annual Review of Neuroscience" 5, s. 1-32. Kalra S. P., Dube M. G., Pu S., Xu B., Horvath T. L., Kalra P. S. (1999) Interacting appetite-regulating pathways in the hypothalamic regulation ofbody weight, „Endocrine Reviews" 20, s. 68-100. LeDoux J. (2000) Mózg emocjonalny, Poznań, Media Rodzina. Macphail E. M. (1993) The neuroscience ofanimal intelligence, New York, Columbia University Press. Molekularne mechanizmy przekazywania sygnałów w komórce (1995) L. Konarska (red.), Warszawa, Wydawnictwo Naukowe PWN. Narkiewicz O., Moryś J. (2000) Neuroanatomia czynnościowa i kliniczna, Warszawa, PZWL. Polyak S. (1959) The vertebrate visual system, Chicago, Chicago University Press. Principles and practice of endocrinology and metaboUsm (1990) K. L. Becker (red.), Philadelphia, Lippincott. Ranson S. W., Clark S. L. (1959) The anatomy of the nenous system, Philadelphia, Saunders. Receptory. Struktura, charakterystyka, funkcja (1997) J. Z. Nowak, J. B. Zawilska (red.), Warszawa, Wydawnictwo Naukowe PWN, s. 161-189. Shepherd G. M. (1994) Neurobiology, wyd. 3, New York, Oxford University Press. :> ; Springer S. P., Deutsch G. (1985) Left brain, right brain, New York, Freeman. Świerczyński J., Kochan Z., Karbowska J. (1997) Geny otyłości, „Postępy Biochemii" 43, s. 174-182. Williams textbook of endocrinology (1985) J. D. Wilson, D. W. Foster (red.), Philadelphia, Saunders, s. 3127401. Woods S. Ć., Seeley R. J., Porte D. jr, Schwartz M. W. (1998) Signals that regulate food intake and energy homeostasis, „Science" 280, s. 1378-1383. 564 Publikacje cytowane ,. Ache B. W., Zhainazarow K. (1995) Dual second-messenger pathways in olfactory transduction, „Current Opinion in Neurobiology" 5, s. 461-466. Adams D. B. (1979) Brain mechanisms for offense, defense, and submission, ,3ehavioral and Brain Sciences" 2, s. 201-241. Adams D. B. (1983) Hormone-brain interactions and their influence on agonistic behavior. W: Hormones and aggressive behavior, B. B. Svare (red.), New York, Plenum Press, s. 223-245. Adams J. E. (1976) Naloxone reversal of analgesia produced by brain stimulation in the human, „Science" 2, s. 161-166. Akil H., Watson S. J., Young E., Lewis M. E., Khachaturian H., Walker J. M. (1984) Endogenous opioids: biology andfunction, „Annual Review of Neuroscience" 7, s. 223-255. Alcock J. (1989) Animal behavior. An evolutionary approach, wyd. 2, Sunderland, Mass., Sinauer, s. 51-103. Amaral D. G., Price J. L., Pitken A., Carmichael S. T. (1992) Anatomical organization of the primate amygdaloid complex. W: Amygdala, J. P. Aggleton (red.), New York, Wiley, s. 1-66. Ambalavanar R., McCabe B. J., Potter K. N., Horn G. (1999) Learning-relatedfos-like immunoreactMty in the chick brain: time-course and co-localization with GABA and parvalbumin, „Neuroscience" 93, s. 1515-1524. Amlaner C. J. jr, Bali N. J. (1994) Avian sleep. W: Principles and practice of sleep medicine, M. H. Kryger, T. Roth, W. C. Dement (red.), Philadelphia, Saunders, s. 81-94. Anand B. K., Brobeck J. R. (1951) Hypothalamic control offood intake in rats and cats, .Journal of Biology and Medicine" 24, 123-140. Aronin N., Sagar S. M., Sharp F. R., Schwartz W. J. (1990) Light regulates expression ófa Fos-related protein in the rat suprachiasmatic nuclei, „Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA" 87, s. 5959-5962. Aschoff J. (1960) Exogenous and endogenous components in circadian rhythms, „Cold Spring Harbor Symposium on Quantitative Biology" 25, s. 11-26. Aschoff J. (1980) The circadian system in man. W: Neuroendocrinogy: the interrelationships of the body's two major integrative systems in normal physiology and in clinical disease, D. T. Krieger, J. C. Hughes (red.), New York, Hospital Practice, s. 77-83. Ashe J., Georgopoulos A. P. (1994) Movement parameters and neural activity in motor cortex and area 5, „Cerebral Cortex" 4, s. 590-600. Asherinsky E., Kleitman N. (1953) Regularly occurring periods of ocular motility and concomitant phenomena during sleep, „Science" 118, s. 361-375. Astic L., Saucier D. (1986) Anatomical mapping of the neuroepithelial projection to the olfactory bulb in the rat, ,3rain Research Bulletin" 16, s. 445-454. Atkinson R. C, Shiffrin, R. M. (1968) Human memory: a proposed system and its control processes. W: The psychology of learning and motivation: advances in research and theory, t. 2, K. W. Spence (red.), New York, Academic Press, s. 89-195. ,.; ,„^\\,ą,- Axel R. (1995) The molecular logie of smell, „Scientific American" 10, s. 130-137. Baddeley A. D., Hitch G. J. (1974) Working memory. W: The psychology of learning and motivation: advances in research and theory, t. 8, G. A. Bower (red.), New York, Academic Press, s. 47-89. Baddeley A. D., Papagno C, Vallar G. (1988) When long-term learning depends on short-term storage, .Journal of Memory and Language" 27, s. 586-595. Bai F. L., Yamano M., Shiotani Y., Emson P. C. Smith A. D., Powell J. F., Toyama M. (1985) An arcuato-paraventricular and -dorsomedial hypothalamic neuropeptide Y-containing system which lacks noradrenaline in the rat, „Brain Research" 331, s. 172-175. Bailey C. H., Chen M. (1983) Morphological basis of long-term habituation and sensitization in Aplysia, „Science" 220, s. 91-93. Ballantine H. T. jr, Bouckoms A. J., Thomas E. K., Giriunas I. E. (1987) Treatment of psychiatrie illness by stereotaxic cingulotomy, „Biological Psychiatry" 22, s. 807-819. Bancroft J. (1978) The relationship between hormones and sexual behaviour in humans. W: Biological determinants ofsexual behaviour, J. B. Hutchison (red.), Chichester, Wiley, s. 493-519. 565 Bandler R., Keay, K. A. (1996) Columnar organization of the midbrain periaąueductal gray and the integration of emotional expression, „Progress in Brain Research" 107, s. 285-300. Barbaro N. M. (1988) Studies of PAG/PVG stimulation for pain relief in humans, „Progress in Brain Research" 77, s. 165-173. Bargiello T. A., Jackson F. R., Young M. W. (1984) Restoration ofcircadian behavioural rhythms by gene transfer in Drosophila, „Naturę" 312, s. 752-754. Barraclough A., E. W. Haller E. W. (1970) Positive and negative feedback effects of estrogen onpituitary LH synthesis and release in normal and androgen sterilizedfemale rats, „Endocrinology" 86, s. 542-551. Bateson P., Horn G. (1994) Imprinting and recognition memory: a neural net model, „Animal Behaviour" 48, s. 695-715. Batini C, Moruzzi G„ Palestini M., Rossi G. F., Zanchetti A. (1959) Effects of complete pontine transections on the sleep-wakefulness rhythm: the midpontine pretrigeminal preparation. „Archives Italiennes de Biologie" 97, s. 1-12. Bell J., Bolanowski S. J., Holmes M. H. (1994) The structure and function of Pacinian corpuscles: a review, „Progress of Neurobiology" 42, s. 79-128. Benardete E. A., Kapłan E. (1997) The receptive field ofthe primate P retinal ganglion celi, I: Linear dynamics, „Visual Neuroscience" 14, s. 169-185. Benardete E. A., Kapłan E., Knight B. W. (1992) Contrast gain control in the primate retina: P cells are not X-like, some M cells are, „Visual Neuroscience" 8, s. 483-486. Bende M., Nordin S. (1997) Perceptual learning in olfaction: professional winę tasters versus controls, „Physiology and Behavior" 62, s. 1065-1070. Benecke R., Rothwell J. C, Dick J. P. R., Day B. L., Marsden C. D. (1986) Performance of simultaneous movements in patients with Parkinson's disease, „Brain" 109, s. 739-757. Benecke R., Rothwell J. C, Dick J. P. R., Day B. L., Marsden C. D. (1987) Disturbance of seąuential movements in patients with Parkinson's disease, „Brain" 110, s. 361-379. Benton A. L. (1990) Facial recognition, „Cortex" 26, s. 491^t99. Bernstein I. S., Gordon T. P., Rosę R. M. (1983) The interaction of hormones, behavior and social context in nonhuman primates. W: Hormones and aggressive behavior, B. B. Svare (red.), New York, Plenum Press, s. 535-561. Berthold P., Helbig A. J., Mohr G., Querner, U. (1992) Rapid microevolution of migratory behaviour in a wild bird species, „Naturę" 360, s. 668-670. Binder J. R., Rao S. M., Hammeke T. A., Yetkin F. Z., Jesanowicz A., Bandettini P. A., Wong E. C, Estowski L. D., Goldstein M. C, Haughton V. M., Hyde J. (1994) Functional magnetic resonance imaging ofthe human auditory cortex, „Annals of Neurology" 35, s. 662-672. Bizzi E., Mussa-Ivaldi F. A. (1995) Toward a neurobiology of coordinate transformations. W: The cognitive neurosciences, M. S. Gazzaniga (red.), Cambridge, Mass., MIT Press, s. 495-506. Blanchard D. C, Blanchard R. J. (1988) Ethoexperimental approaches to the biology of emotion, „Annual Reyiew of Psychology" 39, s. 43-68. Blanchard D. C, Blanchard R. J., Lee E. M. C, Nakamura S. (1979) Defensive behaviors in rats following septal and septal-amygdala lesions, „Journal of Comparative and Physiological Psychology" 93, s. 378-390. Blanchard D. C, Blanchard R. J., Takahashi L. K., Takahashi T. (1977) Septal lesions and aggressive behavior, „Behavioral Biology" 21, s. 157-161. Blanchard R. J., Blanchard D. C. (1994) Opponent environmental targets and sensorimotor systems in aggession and defence. W: Ethology and Psychopharmacology, S. J. Cooper, C. A. Hendrie (red.), Chichester, Wiley, s. 133-157. Bliss T. V. P., Gardner-Medwin A. R. (1973) Long-lasting potentiation of synaptic transmission in the dentate area ofthe unanaesthetized rabbit following stimulation of the perforant path, , Journal of Physiology" 232, s. 357-374. Bliss T. V. P., Lomo T. (1983) Long-lasting potentiation of synaptic transmission in the dentate area of the anaesthetized rabbit following stimulation of the perforant path, „Journal of Physiology" 232, s. 331-356. Bliss T. V. P., Lomo T. (1986) Correlation between long-term potentiation and release of endogenous amino acids from dentate gyrus of anaesthetized rats, , Journal of Physiology" 377, s. 391-408. 566 Błaszczyk J. W. (1993) Kontrola stabilności postawy ciała, „Kosmos" 42, s. 473^86. Bonica J. J., Ekstrom J. L. (1990) Systemie opioids for the management of cancer pain: an updated review. W: Advances in pain research and therapy, t. 14, C. Benedetti, C. R. Chapman, G. Giron (red.), New York, Raven Press, s. 425^46. Borbćly A. A. (1982) A two process model ofsleep regulation, „Human Neurobiology" 1, s. 195-204. Brady J. V., Nauta W. J. H. (1953) Subcortical mechanisms in emotional behavior: ajfective changes following forebrain septal lesions of the albino rat, „Journal of Comparative and Physiological Psychology" 46, s. 339-346. Bremer F. (1935) Cerveau isole et physiologie du sommeil, „Comptes Rendus des Seances de la Societe de Biologie de Paris" 118, s. 1235-1242. Brobeck J. R., Tepperman J., Long C. N. H. (1940) Experimental hypothalamic hyperphagia in the albino rat, „Yale Journal of Biology and Medicine" 15, 831-853. Brown M. W., Horn G. (1990) Are specific proteins implicated in the learning process of imprinting? „Developmental Brain Research" 52, s. 294-297. Brown P. L., Jenkins H. M. (1968) Autoshaping ofthe pigeon's key-peck, „Journal of the Experimental Analysis of Behavior" 11, s. 1-8. Brown R. G., Marsden C. D. (1988) Internat versus external cues and the control of attention in Parkinson disease, „Brain" 111, s. 323-345. Brown V. J., Robbins T. W. (1991) Simple and choice reaction time performance following unilateral striatal dopamine depletion in the rat. Impaired motor readiness but preserved response preparation, „Brain" 114, s. 513-525. Brownell W. E., Bader C. R., Bertrand D., Ribaupierre Y. de (1984) Evoked mechanical responses of isolated cochlear outer hair cells, „Science" 227, s. 194-196. Bruce H. M. (1960) A błock to pregnancy in the mouse caused by the proximity of strange males, .Journal of Reproduction and Fertility" 1, s. 96-103. Brundin L., Canlon B., Flock A. (1989) Sound induced motility of isolated cochlear outer hair cells is freąuency selective, „Naturę" 342, s. 814—816. Brutkowski S., Fonberg E., Mempel E. (1961) Angry behavior in dogs following bilateral lesions in the genual portion of the rostral cingulate gyrus, „Acta Biologiae Experimentalis" 21, s. 199-205. , ,;, Buchsbaum M. F. (1984) Quantification ofanalgesic effects by evoked potentials. W: Pain measurement in man. Neurophysiological correlates ofpain, B. Bromm (red.), Elsevier, Amsterdam, s. 291-310. Buck L., Axel R. (1991) A novel multigene family may encode odorant receptors: a molecular basis for odór recognition, „Celi" 65, s. 175-187. Buck R., Duffy R. (1980) Nonverbal communication of ajfect in brain-damaged patients, „Cortex" 16, s. 351-362. Butter C. M. (1969) Perseveration in extinction and in reversal discrimination tasks following selective prefrontal ablations in Macaca mulatta, „Physiology and Behavior" 4, s. 163-171. Butter C. M., McDonald J. A., Snyder D. R. (1969) Orality, preference behavior, and reinforcement value of non-food objects in monkeys with orbital frontal lesions, „Science" 164, s. 1306-1307. Butter C. M, Snyder D. R. (1972) Alterations in aversive and aggressive behaviors following orbitofrontal lesions in rhesus monkeys, „Acta Neurobiologiae Experimentalis" 32, s. 525-565. Butters N., Pandya D. N. (1969) Retention of delayed alternation: effect of selective lesions o/suleus principalis, „Science" 165, 1271-1273. Cajal Ramón y S. (1911) Histologie du systPme nerveux de I'homme & des vertebr€s, Madrid, Instituto Ramon y Cajal. Callaway C. W., Lydic R., Baghdoyan H. A., Hobson J. A. (1987) Ponto-geniculo-occipital waves: spontaneous visual system activation oceurring in REM sleep, „Cellular and Molecular Neuro- biology" 7, s. 105-149. Campbell J. N., Rąja S. N„ Cohen R. H., Manning D. C, Khan A. D., Meyer R. A. (1989) Peripheral neural mechanisms of nociception. W: Texbook of pain, P. D. Wall, R. Melzack (red.), wyd. 2, Edinburgh, Churchill, s. 22^t5. Cannon W. B. (1927) The James-Lange theory of emotion: a critical examination and an alternative theory, „American Journal of Psychology" 39, s. 10-124. S67 Cannon W. B. (1928) The mechanism of emotionał disturbance of bodily functions, „New England Journal of Medicine" 198, s. 877-884. Cannon W. B. (1932) The wisdom ofthe body, New York, Norton. H i« !•,>« rt.; i> .: r. Caplan D. (1995) The cognitive neuroscience of syntactic processing. W: The cognitive neurosciences, M. S. Gazzaniga (red.), Cambridge, MIT Press, s. 871-879. Carew T. J., Hawkins R. D., Kandel E. R. (1983) Differential classical conditioning of a defensive withdrawal reflex in Aplysia californica, „Science" 219, s. 397-400. Carli M., Robbins T. W., Everden J. L., Everitt B. J. (1983) Effect oflesions to ascending noradrenergic neurones on performance of a 5—choice serial reaction time tast; implications for theories of dorsal forebrain bundle function based on selective attention and arousal, „Behavioral Brain Research" 9, s. 361-390. Carr W. J., Krames L., Constanzo D. J. (1970) Previous sexuał experience and olfactory preference for novel versus original sexpartners in rats, „Journal of Comparative and Physiological Psychology" 71, s. 216-222. Carskadon M. A., Dement W. C. (1994) Normal human sleep: an overview. W: Principles and practice of sleep medicine, M. H. Kryger, T. Roth, W. C. Dement (red.), Philadelphia, Saunders, s. 16-25. Celesia G. G., Puletti F. (1969) Auditory cortical areas ofman, „Neurology" 19, s. 211-220. Chanas-Sacre G, Rogister B, Moonen G, Leprince P. (2000) Radial glia phenotype: origin, regulation, and transdifferentiation, „Journal of Neuroscience Research" 61, s. 357-363. Charney D. S., Menkes D., Heninger G. R. (1981) Receptor sensitivity and the mechanism of action of antidepressant treatment: Implications for the etiology and therapy of depression, „Archives of General Psychiatry" 38, s. 1160-1180. Cheney, D. L. (1977) The acąuisition of rank and the development of reciprocał alliances among free-ranging immature baboons, „Behavioral Ecology and Sociobiology" 2, s. 303-318. Cyt. za: Chalmers N. (1979) Social behaviour in primates, London, Edward Arnold, s. 173-175. Chi C. C, Flynn J. P. (1971) Neural pathways associated with hypothalamically elicited attack behavior in cats, „Science" 171, s. 703-705. Chomsky N. (1988) Language and problems of knowledge, Cambridge, Mass., MIT Press. Clark C. R., Geffen G. M., Geffen L. B. (1989) Catecholamines and the covert orientation of attention in humans, „Neuropsychologia" 27, s. 131-139. Cleland B. G., Lee B. B. (1985) A comparison of visual responses of cat lateral geniculate nucleus neurones with those of ganglion cells afferent to them, .Journal of Physiology" 369, s. 249-268. Cohen R. M., Semple W. E., Gross M., Nordahl T. E. (1988) From syndrome to illness: delineating the pathophysiology of schizophrenia with PET, „Schizophrenia Bulletin" 14, s. 169-176. Colpaert F. C. (1975) The ventromedial hypothalamus and the control of avoidance behavior and aggression: fear hypothesis versus response-suppression theory of limbie system function, „Behavioral Biology" 15, s. 27-44. Considine R. V., Caro J. F. (1997) Leptin and the regulation ofbody weight, „International Journal of Biochemistry and Celi Biology" 29, s. 1255-1272. Conway M. A. (1993) Impairments of autobiographical memory. W: Handbook of neuropsychology, t. 8, F. Boller, J. Grafman (red.), Amsterdam, Elsevier, s. 175-191. Corbalis M. C. (1994) Split decisions: problems in the interpretation ofresultsfrom commissurotomized subjects, ,3ehavioural Brain Research" 64, s. 163-172. Cox G. W. (1985) The evolution ofavian migration systems between temperate and tropical regions of the New World, .American Naturalist" 126, s. 452-475. Crutcher M. D., Alexander G. E. (1990) Movement-related neuronal activity selectively coding either direetion or muscle pattern in three motor areas of the monkey, .Journal of Neurophysiology" 64, s. 151-163. Curtiss S. (1977) Genie: a psycholinguistic study of a modem day „wild child", New York, Academic Press. Cyt. za: K. Stromswold (1995) The cognitive and neural bases of language acąuisition. W: The cognitive neurosciences, M. S. Gazzaniga (red.), Cambridge, Mass., MIT Press, s. 855-870. Curtiss S. (1989) The independence and task-specificity of language. W: Interaction in human development, A. Bornstein, J. Bruner (red.), Hillsdale, NJ, Eldbaum. Cyt. za: K. Stromswold (1995) 568 The cognitive and neural bases of language acąuisition. W: The cognitive neurosciences, M. S. Gazzaniga (red.), Cambridge, Mass., MIT Press, s. 855-870. Dahlstrom A., Fuxe K. (1964) Evidence for the existence of monoamine-containing neurons in the central nervous system. I. Demonstration of monoamines in the celi bodies of brain stem neurons, ,Acta Physiologica Scandinavica" 62, supl. 232, s. 1-55. Damasio A. R. (2000) Tajemnica świadomości. Jak ciało i emocje tworzą świadomość, Poznań, Rebis. Damasio A. R., Damasio H. (1992) Mózg a mowa, „Świat Nauki" 11, s. 64-72. Damasio A., Tranel D., Damasio H. (1990) Individuals with sociopathic behavior caused by frontal damagefail to respond autonomically to social stimuli, „Behavioral Brain Research" 41, s. 81-94. Damasio A., Van Hoesen G. (1983) Emotional disturbances associated withfocal lesions of the limbie frontal lobe. W: Neuropsychology of human emotion, K. Heilman, P. Satz (red.), New York, Guilford, s. 85-110. Damasio H., Grabowski T. J., Tranel D., Hichwa R. D., Damasio A. R. (1996) A neural basisfor łexical retrieval, „Naturę" 380, s. 499-505. Darwin K. (1988) O wyrazie uczuć u człowieka i zwierząt, przekład z: The expression ofthe emotions in man and animals (1872); Warszawa, PWN. Davis H. R., Sąuire L. R. (1984) Protein synthesis and memory: a review, „Psychological Bulletin" 96, s. 518-559. ? jf.,, Dawkins R. (1996) Samolubny gen, Warszawa, Pruszyński. De Valois R. L. (1960) Color vision mechanisms in the monkey ganglion cells, „Journal of General Physiology" 43, s. 115-128. Delgado J. M. R. (1963) Cerebral heterostimulation in a monkey colony, „Science" 141, s. 161-163. Delgado J. M. R., Kitahata L. M. (1967) Reversible depression of hippocampus by local injections of anestheties in monkeys, „Electroencephalography and Clinical Neurophysiology" 22, s. 453^64. Dement W. (1958) The oceurrence of Iow voltage, fast electroencephalogram patterns during behavioral sleep in the cat, „Electroencephalography and Clinical Neurophysiology" 10, s. 291-296. Dement W., Kleitman N. (1957) Cyclic variations of EEG during sleep and their relation to eye movements, bodily motility, and dreaming, „Electroencephalography and Clinical Neurophysiology" 9, s. 673-690. Devor M. (1989) The pathophysiology of damaged peripheral nerves. W: Texbook ofpain, P. D. Wall, R. Melzack (red.), wyd. 2, Edinburgh, Churchill, s. 63-81. Diamond M. (1970) Intromission pattern and species vaginal code in relation to induetion of pseudopregnancy, „Science" 169, s. 995-997. Dickenson A. H., Sulivan A. F. (1990) Differential efects ofexcitatory amino acid antagonists on dorsal horn nociceptive neurones in the rat, ,3rain Research" 506, s. 31-39. Dostrovsky J. O. (1988) Stimulation-produced antinociception, „Progress in Brain Research" 77, s. 159-164. Drevets W. C, Raichle M. E. (1992) Neuroanatomical circuits in depression: implications for treatment mechanisms, „Psychopharmacology Bulletin" 28, s. 261-274. Drevets W. C, Raichle M. E. (1995) Positron emission tomographic imaging studies of human emotional disorders. W: The cognitive neurosciences, M. S. Gazzaniga (red.), Cambridge, Mass., MIT Press, s. 1153-1164. Drickamer L. C. (1974) A ten-year summary of reproductive data for free-ranging Macaca mulatta, „Folia Primatologica" 21, s. 61-80. Dube M. G., Horvath T. L., Leranth C, Kalra P. S., Kalra S. P. (1994) Naloxone reduces the feeding evoked by intracerebroventricular galanin injection, „Physiology and Behavior" 56, s. 811-813. Dunbar R. I. M., Dunbar E. P. (1977) Dominance and reproductwe success among female Gelada baboons, „Naturę" 266, s. 351-352. Eccles J. C. (1986) Do mental events cause neural events analogously to the probability fields of ąuantum mechanics? „Philosophical Transactions of the Royal Society of London" 227, s. 411-^-28. Eccles J. C. (1990) A unitary hypothesis ofmind-brain interaction in the cerebral cortex, „Philosophical Transactions of the Royal Society of London" 240, s. 433-451. Ehert C, T. Trucco T. (1967) Molecular models for the circadian clock. I. The chronon concept, Journal of Theoretical Biology" 15, s. 240-262. 569 Ehrenkranz J., Bliss E., Sheard M (1974) Plasma testosterone, correlation with aggressive behavior and social dominance in man, „Psychosomatic Medicine" 36, s. 469-475. Ellis D., Austin P. (1971) Menstruation and aggressive behavior in a correctional center for women, „Journal of Criminal Law and Police Science" 62, s. 388-395. Cyt. za: A. Mazur (1983) Hormones, aggression, and dominance in humans. W: Hormones and aggressive behavior, B. B. Svare (red.), New York, Plenum Press, s. 563-576. Enroth-Cugell C, Robson J. G. (1966) The contrast sensitivity of retinal ganglion cells of the cat, Journal of Physiology" 187, s. 517-552. Enroth-Cugell C, Robson J. G., Schweitzer-Tong D. E., Watson A. B. (1983) Spatio-temporal interactions in cat retinal ganglion cells showing linear spatial summation, „Journal of Physiology" 341, s. 279-307. Entus A. K. (1977) Hemispheric assymetry in processing of dichotically presented speech and nonspeech stimuli by infants. W: Language development and neurological theory, S. J. Segalowitz, F. A. Gruber (red.), New York, Academic Press, s. 63-73. Erickson C. J. (1978) Sexual affiliation in animals: pair bonds and reproductive stategies. W: Biological determinants ofsexual behaviour, J. B. Hutchison (red.), Chichester, Wiley, s. 678-725. Esposito R., Kornetsky C. (1977) Morphine lowering of self-stimulation thresholds: lack of tolerance with long term administration, „Science" 195, s. 189-191. Estes W. K., Skinner B. F. (1941) Some quantitative properties of awciety, „Journal of Experimental Psychology" 29, s. 390-400. Evarts E. V. (1968) Relation of pyramidal tract activity to force exerted during voluntary movement, .Journal of Neurophysiology" 31, s. 14-27. Everitt B. J., Herbert J. (1975) The effects of implanting testosterone propionate into the central nervous system on the sexual behavior of adrenalectomized female rhesus monkeys, „Brain Research" 86, s. 109-120. Everitt B. J., Herbert J., Hamer J. D. (1972) Sexual receptivity of bilaterally adrenalectomized female rhesus monkeys, „Physiology and Behavior" 8, s. 409^15. Ewing A. W. (1970) The genetic basis of song production in Drosophila pseudoobscura and D. persimilis, „Animal Behavior" 17, s. 555-560. Fan W., Boston B.A., Kesterson R.A., Hruby V.J., Cone R.D. (1997) Role of melanocortinergic neurons infeeding and the agouti obesity syndrome, „Naturę" 385, s. 119-120. Feder H. H, Whalen R. E. (1965) Feminine behavior in neonatally castrated and estrogen-treated małe rats, „Science" 147, s. 306-307. Filipkowski R. K. (2000) Inducing gene expression in barrel cortex -focus on immediate early genes, „Acta Neurobiologiae Experimentalis" 60, s. 411-418. Fitzpatrick D. C, Kanwai J. S., Butman J. A., Suga N. (1993) Combination-sensitive neurons in the primary auditory cortex of the mustached bat, „Journal of Neuroscience" 13, s. 931-940. Fonberg E. (1965) Effect ofpartiał destruction of the amygdaloid complex on the emotional-defenswe behavior of dogs, „Bulletin de 1'Academie Polonaise des Sciences (Serie Biologiąue)" 13, s. 429-431. Fputs R. S., Chown B., Goodin L. (1976) Transfer of signed responses in American Sign Language from vocal English stimuli to physical object stimuli by a chimpanzee (Pan), „Learning and Motivation" 7, s. 458^75. Frank L. G., Weldele M. L., Glickman S. E. (1995) Masculinization costs in hyenas, „Naturę", 377, s. 584-585. Friedman D. P., Murray D. A., O'Neill J. B., Mishkin M. (1986) Cortical connections of the somatosensory fields of the lateral sulcus of macaąues: evidence for a corticolimbic pathway for touch, „Journal of Comparative Neurology" 252, s. 323-347. Friedman D. X. (1990) Benzodiazepines: therapeutic, biological and therapeutic issues, , Journal of Psychiatrie Research" 24, supl. 2, s. 169-174. Freud S. (1996) Objaśnianie marzeń sennych, przekład z: Die Traumdeutung (1900), Leipzig und Wien, Deuticke; Warszawa, Wydawnictwo KR. Funahashi S., Bruce C. J., Goldman-Rakic P. S. (1989) Mnemonic coding of the visual space in the monkey's dorsolateral frontal cortex, .Journal of Neurophysiology" 61, s. 331-349. 570 Gabriel M., Kubota Y., Sparenborg S., Straube K., Vogt B. A. (1991) Effects of cingulate cortical lesions on avoidance learning and training-induced unit activity in rabbits, „Journal of Neuroscience" 11, s. 1508-1514. Gaffan D. (1974) Recognition impaired and association intact in the memory of monkeys after transection ofthefornix, „Journal of Comparative and Physiological Psychology" 86, s. 1100-1109. Gardner R. A., Gardner B. T. (1969) Teaching sign language to a chimpanzee, „Science" 165, s. 664-672. Gazzaniga M. S. (1995) Consciousness and the cerebral hemispheres. W: The cognitive neurosciences, M. S. Gazzaniga (red.), Cambridge, Mass., The MIT Press, s. 1391-1400. Georgopoulos A. P. (1995) Motor cortex and cognitive processing. W: The cognitive neurosciences, M. S. Gazzaniga (red.), Cambridge, Mass., MIT Press., s. 507-517. Getchell T. V., Shepherd G. M. (1978) Responses ofolfactory receptor cells to step pulses ofodour at different concentration in the salamander, „Journal of Physiology" 282, s. 521-540. Giraldeau L. A. (1997) The ecology of information use. W: Behmiioural ecology, J. R. Krebs, N. B. Davies, (red.), Oxford, Blackwell, s. 42-68. Gol A., Kellaway P., Shapiro M., Hurst C. M. (1963) Studies of hippocampectomy in the monkey, baboon and cat, „Neurology" 13, s. 1031. Goldman-Rakic P. S. (1988) Topography of cognition: parallel distributed networks in primate association cortex, „Annual Review of Neurosciences" 11, s. 137-156. f Goldman-Rakic P. S. (1990) Cellular and circuit basis of working memory in prefrontal cortex of nonhuman primates, „Progress in Brain Research" 85, s. 325-336. Gottlieb G. (1987) Imprinting. W: Encyclopedia of Neuroscience, G. Adelman (red.), Basel, Birkhauser, s. 524-526. Gouras P. (1968) Identification ofcone mechanisms in monkey ganglion cells, .Journal of Physiology" 199, s. 533- 547. Graeber R. C. (1994) Jet lag and sleep disruption. W: Principles and practice ofsleep medicine, M. H. Kryger, T. Roth, W. C. Dement (red.), Philadelphia, Saunders, s. 463^70. Graf P., Schacter D. L. (1985) Implicit and explicit memoryfor new associations in normal and amnesic subjects, .Journal of Experimental Psychology (Learning, Memory and Cognition)" 11, s. 501-518. Grandison L., Guidotti A. (1977) Stimulation of food intake by muscimol and beta endorphin, „Neuropharmacology" 16, s. 533-536. Greve K. W., Bauer R. M. (1990) Implicit learning of new faces in prosopagnosia: an application of the mere-exposure paradigm, „Neuropsychology" 28, s. 1035-1041. Griff I. C, Reed R. R. (1995) The genetics ofolfaction, „Current Opinion in Neurobiology" 5, s. 456^60. Gronenwegen H. J., Wright C. I., Beijer A. V. J. (1996) The nucleus accumbens: gateway for limbie structure to reach the motor system?, „Progress in Brain Research" 107, s. 485-511. Grossi D., Trojano L„ Grasso A., Orsini A. (1988) A selective ,^semantic amnesia" after closed-head injury: a case report, „Cortex" 24, s. 457-464. Grosvenor C. E. (1965) Evidence that exteroceptive stimuli can release prolactin from the pituitary gland of the lactating rat, „Endocrinology" 76, s. 340-342. Gulevich G„ Dement W., Johnson L. (1966) Psychiatrie and EEG obsemations on a case ofprolonged (264 h) wakefulness, „Archives of General Psychiatry" 15, s. 29-35. Hamilton W. D. (1964) The genetical evolution of social behaviour, .Journal of Theoretical Biology" 7, s. 1-52. Hammond L. J. (1980) The effect of contingency upon the appetitive conditioning of free operant behavior, „Journal of the Experimental Analysis of Behavior" 34, s. 297-304. Hands J., Herbert V. Tennent G. (1974) Menstruation and behavior in a special hospital, „Medicine, Science, and the Law" 14, s. 32-35. Cyt. za: A. Mazur (1983) Hormones, aggression, anddominance in humans. W: Hormones and aggressive behavior, B. B. Svare (red.), New York, Plenum Press, s. 563-576. Hardin P. E., Hali J. C, Rosbash M. (1990) Feedback of the Drosophila period gene product on circadian cycling of its messenger RNA levels, „Naturę" 343, s. 536-540. Harlow H. F., Harlow M. K. (1962) Social deprivation in monkeys, „Scientific American" 207, 11, s. 136-146. Harlow H. F., Zimmermann R. R. (1959) Affectional responses in the infant monkey, „Science" 130, s. 421-432. 571 Harris M. P. (1970) Abnormal migration and hybridization of Larus argentatus and L. fuscus after interspecies fostering experiments, „Ibis" 112, s. 488^98. Cyt. za: P. P. G. Bateson (1978) Early -:? experience and sexual preferences. W: Biological determinants of sexual behaviour, J. B. Hutchison (red.), Chichester, Włley, s. 29-53. Hartwig R., Schweiger R., Schweiger G. H. (1985) Identificaton ofa high molecular weight polypeptide that may be part of the circadian clockwork in Acetabularia, „Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA" 82, s. 6899-6902. Hawke C. (1951) Castration and sex crimes, „American Journal of Mental Deficiency" 55, s. 220-226. Cyt. za: A. Mazur (1983) Hormones, aggression, and dominance in humans. W: Hormones and aggressive behavior, B. B. Svare (red.), New York, Plenum Press, s. 563-576. Hayes L., Katayama Y. (1986) Rangę of environmental stimuli producing nodceptwe suppression: implication ofneural mechanisms. W: Stress-induced analgesia. Annals ofthe New York Academy of Sciences, t. 467, D. D. Kelly (red.), New York, The New York Academy of Sciences, s. 1-13. Heath R. G. (1963) Electrical self-stimulation ofthe brain in man, „American Journal of Psychiatry" 120, s. 571-577. Hebb D. O. (1949) The organization of behavior. A neurophysiological theory, New York, Wiley. Hebb D. O. (1955) Drives and the CNS (conceptual nervous system), „Psychological Reviews" 62, s. 243-254. Heimer L., Olmos J. de, Alheid G. R, Zaborsky, L. (1991) „Perestroika" in the basal forebrain: opening the border between neurology and psychiatry, „Progress in Brain Research" 87, s. 109-165. Heinrichs S. C, Menzaghi F., Pich E. M., Hauger R. L., Koob G. F. (1993) Corticotropin-releasing factor in the paraventricular nucleus modulates feeding induced by neuropeptide Y, „Brain Research" 611, s. 18-24. Hendrie C. A., Weiss S. M. (1994) The development of an animal model of panie with predictive and face validity. W: Ethology and psychopharmacology, S. J. Cooper, C. A. Hendrie (red.), Chichester, Wiley, s. 111-132. Herbert J. (1978) Neuro-hormonal integration of sexual behaviour in female primates. W: Biological determinants of sexual behaviour, J. B. Hutchison (red.), Chichester, Wiley, s. 467-491. Hernandez-Peón R. (1960) Neurophysiological correlates of habituation and other manifestations of plastic ińhibition, „FJectroencephalography and Clinical Neurophysiology" 13, s. 101-114. Hess W. R. (1954) Das Zwischenhirn: Syndrome, Lokalisationen, Funktionen, wyd. 2, Basel, Schwabe. Hinde R. A., Spencer-Booth Y. (1971) Ęffects of brief separation from mother on rhesus monkeys, „Science" 173, s. 111-118. Hobson J. A., McCarley R. W. (1977) The brain as a dream state generator: an activation-synthesis hypothesis ofthe dream process, „American Journal of Psychiatry" 134, s. 1335-1348. Hobson J. A., Stickgold R. (1995) The conscious state paradigm: a cognitive approach to waking, sleeping, and dreaming. W: The cognitive neurosciences, M. S. Gazzaniga (red.), Cambridge, Mass., MIT Press, s. 1373-1389. Hoebel B. G., Teitelbaum P. (1966) Weight regulation in normal and hypothalamic hyperphagic rats, „Journal of Comparative and Physiological Psychology" 61, s. 189-193. Horn G. (1998) Visual imprinting and the neural mechanisms of recognition memory, „Trends in Neuroscience" 21, s. 300-305. Horn G., McCabe B. J., Bateson P. P. (1979) An autoradiographic study of the chick brain after imprinting, ,3rain Research" 168, s. 361-373. Hubel D. H. (1982) Exploration ofthe primary visual cortex, 1955-1978, „Naturę" 299, s. 515-524. Hubel D. H., Wiesel T. N. (1959) Receptive fields of single neurones in the cat's visual cortex, .Journal of Physiology" 148, s. 574-591. Hubel D. H., Wieseł T. N. (1962) Receptive fields, binocular interaction and functional architecture in the cafs visual cortex, „Journal of Physiology" 160, s. 106-154. Hull, C. L. (1943) Principles ofbehavior. New York, Appleton-Century. Humphreys G. W., Riddoch M. J. (1992) Interactions between objects and space-vision revealed through neuropsychology. W: Attention and performance XIV, D. E. Myers, S. Kornblum (red.), Hillsdale, Erlbaum. Cyt. za: R. Rafał, L. Robertson (1995) The neurology ofvisual attention. W: The cognitive neurosciences, M. S. Gazzaniga (red.), Cambridge, Mass., MIT Press, s. 625-648. 572 Huszar D., Lynch C. A., Fairchild-Huntress V., Dunmore J. H., Fang Q., Berkemeier T. R., Gu W., Kestreson R. A., Boston B. A., Cone R. D., Smith F. J., Campfield L. A., Burn P., Lee F. (1997) Targeted disruption of the melanocortin-4 receptor results in obesity in mice, „Celi" 88, s. 131-141. Imig T. J., Adrian H. O. (1977) Binaural columns in the primary field (AI) ofcat auditory cortex, „Brain Research" 138, s. 241-257. Inouye S. T., Kawamura H. (1982) Persistence ofcircadian rhythmicity in a mammalian hypothalamic „island" containing the suprachiasmatic nucleus, „Journal of Comparative Physiology" 146, s. 153-160. Jacobsen C. F. (1935) Functions offrontal association area in primates, „Archives of Neurology and Psychiatry" 33, s. 558-569. Janowsky J. S., Shimamura A. P., Kritchevsky M., Sąuire L. R. (1989a) Cognitive impairment following frontal lobe damage and its relevance to human amnesia, „Behavioral Neuroscience" 103, s. 548-560. Janowsky J. S., Shimamura A. P., Sąuire L. R. (1989b) Memory and metatnemory: comparisons between patients with frontal lobe lesions and amnesic patients, „Psychobiology" 17, s. 3-11. Janowsky J. S., Shimamura A. P., Sąuire L. R. (1989c) Source memory impairment in patients with frontal lobe lesions, „Neuropsychologia" 27, s. 1043-1056. » Jensen T. S., Rasmussen P. (1989) Phantom pain and related phenomena after amputation. W: Textbook of pain, P. D. Wall, R. Melzack (red.), wyd. 2, Edinburgh, Churchill, s. 508-521. Johnson J., Newport E. (1989) Critical period ejfects in second language learning: the influence of maturational state on the acąuisition of English as a second language, „Cognitive Psychology" 21, s. 60-99. Johnson K. O., Hsiao S. S. (1994) Evaluation ofthe relative roles ofslowly and adapting ąfferent fibers in roughness perception, „Canadian Journal of Physiology and Pharmacology" 72, s. 488-497. Johnson M. H., Horn G. (1987) The role of a restricted region ofthe chick forebrain in the recognition of individual conspecifics, „Behavioral Brain Research" 23, s. 269-275. Jones E. G., Porter R. (1980) What is area 3a?, „Brain Research" 2, s. 1^3. Jones E. G., Powell T. P. (1969a) Connexions of the somatic sensory cortex of the rhesus monkey. I. Ipsilateral cortical connexions, „Brain" 92, s. 477-502. Jones E. G., Powell T. P. (1969b) Connexions of the somatic sensory cortex of the rhesus monkey. II. Contralateral cortical connexions, ,3rain" 92, s. 717-730. Jones E. G., Powell T. P. (1970) Connexions of the somatic sensory cortex of the rhesus monkey. III. Thalamic connexions, „Brain" 93, s. 37-56. Jones N., Rog D. (1998) Olfaction: a review, .Journal of Laryngology and Otology" 112, s. 11-24. Jones R. B., Noweli N. W. (1974) A comparison of the aversive female attractant properties ofurine from dominant and subordinate małe mice, „Animal Learning and Behavior" 2, s. 141-144. Jouvet M. (1962) Recherches sur les structures nerveuses et les mecanismes responsables des differentes phases du sommeil physiologiąue, „Archives Italiennes de Biologie" 100, s. 125-206. Jouvet M., Delorme F. (1965) Locus coeruleus et sommeil paradoxal, „Comptes Rendus des Sćances de la Societe de Biologie de Paris," 159, s. 895-899. Jurgens U., Cramon G. von (1982) On the role of the anterior cingulate cortex in phonation: a case report, „Brain and Language" 15, s. 243-248. Kaada B. R., Rasmussen E. W., Bruland H. (1968) Approach behavior towards a sex-incentive following forebrain lesions in the rat, „International Journal of Neurology" 6, s. 203-223. Kaba H., Hayashi Y., Higuchi T., Nakanishi S. (1994) Induction of an olfactory memory by the activation of a metabotropic glutamate receptor, „Science" 265, s. 262-264. Kaczmarek L. (1994) Rola pobudzenia genomu w procesach uczenia się i pamięci. W: Mechanizmy plastyczności mózgu, M. Kossut (red.), Warszawa, Wydawnictwo Naukowe PWN, s. 175-183. Kaczmarek L. (2000) Gene expression in learning processes, „Acta Neurobiologiae Experimentalis" 60, s. 419-424. Kalaska J. F., Cohen D. A., Proud'homme M., Hyde M. L. (1990) Parietal area 5 neuronal actwity encodes movement kinematics, not movement dynamics, „Experimental Brain Research" 80, s. 351-364. 573 Kalra P. S., Dube M. G., Sahu A., Phelps C. P., Kalra S. P. (1991) Neuropeptide Y secretion increases in the paraventricular nucleus in association with increased appetite for food, „Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA" 88, s. 10931-10935. Kalra P. S., Dube M. G., Xu B., Farmerie W. G., Kalra S. P. (1998) Neuropeptide Y (NPY) Yl receptor mRNA is upregulated in association with transient hyperphagia and body weight gain: evidence for a hypothalamic site for concurrent development of leptin resistance, ,Journal of Neuroendoc- rinology" 10, s. 43^19. Kamin L. J. (1968) „Atention-like" processes in classical conditioning. W: Miami symposium on the prediction of behavior: aversive stimulation, M. Jones (red.), Miami, University of Miami Press, s. 9-31. Cyt. za: J. A. Anderson (1995), Learning and memory. An integrated approach, New York, Wiley, s. 61-62. Kandel E. R., Hawkins R. D. (1992) Biologiczne podstawy uczenia się i osobowości, „Świat Nauki" 11, s. 53-62. Kasamatu T., Heggelund P. (1982) Single celi responses in cat visual cortex to visual stimulation during iontophoresis of noradrenaline, „Experimental Brain Research" 45, s. 317-324. Kavanau J. L. (1995) Sleep and memory: evolutionary perspectives, „Sleep Research Society Bulletin" 1, s. 59-65. Kawashima R., Roland P. E., O'Sullivan B. T. (1994) Fields in human motor areas involved in preparation for searching, actual reaching, and yisuomotor learning: a positron emission tomography study, .Journal of Neuroscience," 14, s. 3462-3474. Kawashima R., Yamada K., Kinomura S., Yamaguchi T., Matsui H., Yoshioka S., Fukuda H. (1993) Regional cerebral bloodflow changes ofcortical motor areas in humans related to ipsilateral and contralateral hand movement, „Brain Research" 623, s. 33-40. Kemp D. T. (1978) Stimulated acoustic emissions from within the human auditory system, ,Journal of the Acoustical Society of America" 64, s. 1386-1391. Kendrick K. M., Levy F., Keverne E. B. (1992) Changes in the sensory processing of olfactory signals induced by birth in sheep, „Science" 256, s. 833-836. Kennard M. A. (1955a) The cingulate gyrus in relation to consciousness, ,Journal of Nervous and Mental Diseases" 121, s. 34-39. Kennard M. A. (1955b) Effect ofbilateral ablation of cingulate area on behaviour ofcats, .Journal of Neurophysiology" 18, s. 159-169. Kennedy G. C. (1953) The role of depot fat in the hypothalamic control of food intake in the rat, „Proceedings of the Royal Society of London, Series B: Biological Sciences" 19, s. 578-592. Keverne E. B. (1978) Olfactory cues in mammalian sexual behaviour. W: Biological determinants of sexual behaviour, J. B. Hutchison (red.), Chichester, Wiley, s. 727-763. Keverne E. B. (1995) Olfactory learning, „Current Opinion in Neurobiology" 5, s. 482-488. Kiang N. Y. S. (1975) Stimulus representation in the discharge pattern of auditory neurons. W: The nervous system, D. B. Tower (red.), t. 3, Human communication and its disorders, New York, Raven Press, s. 81-96. Kiang N. Y. S. (1984) Peripheral neural processing of auditory information. W: Handbook of physiology, J. M. Brookhart, V. B. Mountcastle (red.), t. 3, Bethesda, American Physiological Society, s. 639-674. Kimble D. P., Gostnell D. (1968) Role of cingulate cortex in shock avoidance behavior ofrats, .Journal of Comparative and Physiological Psychology" 65, s. 290-294. King F. A. (1958) Effects of septal and amygdaloid lesions on emotional behavior and conditioned avoidance responses in the rat, „Journal of Nervous and Mental Diseases" 126, s. 57-63. King H. E. (1961) Psychological ejfects ofexcitation in the limbie system. W: Electrical stimulation of the brain, D. E. Sheer (red.), Austin, University of Texas Press, s. 477^86. Kliiver H., Bucy P. C. (1937) „Psychic blindness" and other symptoms following bilteral temporal lobectomy in Rhesus monkeys, „American Journal of Physiology" 119, s. 352-353. Knapp R. J., Hawkins K. N., Lui G. K., Shook J. E., Heyman J. S., Porreca F., Hruby V. J., Burks T. F., Yamamura H. J. (1990) Multiple opioid receptors and novel ligands. W: Advances in pain research and therapy, t. 14, C. Benedetti, C. R. Chapman, G. Giron (red.), New York, Raven Press, s. 45-85. 574 Knight R. T., Grabowecky M. (1995) Escapefrom linear time: prefrontal cortex and conscious experience. W: The cognitive neurosciences, M. S. Gazzaniga (red.), Cambridge, Mass., MIT Press, s. 1357-1371. Knudsen E. I., Konishi M. (1978) A neural map for auditory space in the owi, „Science" 200, s. 795-797. Kóhler W. (1925) The mentality ofapes, New York, Harcourt. Komisaruk B. R., Whipple B. (1986) Vaginal stimulation-produced analgesia in rats and women. W: Stress-induced analgesia. Annals ofthe New York Academy of Sciences, t. 467, D. D. Kelly (red.), , New York, The New York Academy of Sciences, s. 30-39. Konopka R. J., Benzer S. (1971) Clock mutants of Drosophila melanogaster, „Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA" 8, s. 2112-2115. Konorski J. (1948) Conditioned reflexes and neuron organization, Cambridge, Cambridge University Press. Konorski J. (1969) Integracyjna działalność mózgu, Warszawa, PWN. Konorski J., Miller S. (1933) Podstawy fizjologicznej teorii ruchów nabytych. Ruchowe odruchy warunkowe. Warszawa, Książnica Atlas. Kornetsky C, Bain G. (1983) Effects of opiates on rewarding brain stimulation. W: The Neurobiology of opiate reward processes, J. E. Smith, J. D. Lane (red.), New York, Elsevier, s. 237-256. Kossut M. (1992) Plasticity ofthe barrel cortex neurons, „Progress in Neurobiology" 39, s. 389-422. Kosterlitz H. W., Paterson S. J. (1990) Opioid receptors and mechanisms of opioid analgesia. W: Advances in pain research and therapy, t. 14, C. Benedetti, C. R. Chapman, G. Giron (red.), New York, Raven Press, s. 37^4. Kowalska D. M. (1995) Effects of hippocampal lesions on spatial delayed responses in dog, „Hippocampus" 5, s. 363-370. Koyama T., Kato K., Mikami A. (2000) During pain-avoidance neurons activated in the macaąue anterior cingulate and caudate, „Neuroscience Letters" 283, s. 17-20. Kreuz L., Rosę A. (1972) Assessment of aggressive behavior and plasma testosterone in a young criminal population, „Psychosomatic Medicine" 34, s. 321-332. Kryger M. H., Roth T., Carskadon M. (1994) Circadian rhythms in humans: an overview. W: Principles and practice of sleep medicine, M. H. Kryger, T. Roth, W. C. Dement (red.), Philadelphia, Saunders, s. 301-308. Kuffler S. W. (1953) Discharge patterns and functional organization ofthe mammalian retina,, Journal of Neurophysiology" 16, s. 37-68. Kutas M., Hilyard S. A. (1980) Reading senseless sentences: brain potentials reflect semantic anomaly, „Science" 207, s. 203-305. Kyrkouli S. E., Stanley B. G., Seirafi R. D., Leibowitz S. F. (1990) Stimulation offeeding by galanin: anatomical localization and behavioral specificity of this peptide 's effects in the brain, „Peptides" 11, s. 995-1001. Langston J. W., Ballard P., Tetrud J., Irwin I. (1983) Chronić Parkinsonism in humans due to aproduct of meperidine-analog synthesis, „Science" 219, s. 979-980. Laska M. Seibt A., Weber A. (2000) „Microsmatic" primates revisited: olfactory sensitivity in the sąuirrel monkey, „Chemical Senses" 25, s. 47-53. Lee C, Parikh V„ Itsukaichi T„ Bae K., Edery I. (1996) Resetting ofthe Drosophila clock by photic regulation of PER and a PER-TIM complex, „Science" 271, s. 1740-1744. Lehmann K. A. (1990) Patient-controlled analgesia for postoperative pain. W: Advances inpain research and therapy, t. 14, C. Benedetti, C. R. Chapman, G. Giron (red.), New York, Raven Press, s. 297-324. Leibowitz S. F. (1992) Neurochemical-neuroendocrine systems in the brain controlling macronutrient intake and metabolism, „Trends in Neuroscience" 15, s. 491^-97. Leon M., Cooopersmith R., Lee S., Sullivan R. M., Wilson D. A., Woo C. (1987) Neural and behavioral plasticity induced by early olfactory experience. W: Perinatal development: A psychobiological perspective, N. Krasnegor (red.), New York, Academic Press, s. 145-167. Levi-Montalcini R. (1965) Growth regulation of sympathetic nerve cells, „Archives Italiennes de Biologie" 103, s. 832-846. Levine J. D., Fields H. L., Basbaum A. I. (1993) Peptides and the primary afferent nociceptor, „Journal of Neuroscience" 13, s. 2273-2286. 575 Levy L. M., Henkin R. I., Hutter A., Lin C. S., Martins D., Schellinger D. (1997) Functional MRI of human olfaction, „Journal of Computer Assisted Tomography" 21, s. 849-856. Lhermitte F. (1983) „Utilization behaviour" and its relation to lesions of the frontal lobes, „Brain" 106, s. 237-255. Lhermitte F. (1986) Human autonomy and the frontal lobes. Część 2. Patient behavior in complex and social situations. The „environmental dependency syndrome", „Annals of Neurology" 19, s. 335-343. Lhermitte F., Pillon B., Serdaru M. (1986) Human autonomy and the frontal lobes. Część 1. Imitation and utilization behayior, „Annals of Neurology" 19, s. 326-334. Lindauer M. (1954) Temperaturregulierung und 'Wassarhausha.lt im Bienenstaat, „Zeitschrift fur Vergleichende Physiologie" 36, s. 391-432. Lissdk K., Endróczi E. (1965) The neuroendocrine control of adaptation, Philadelphia, Pergamon Press. Lorente de Nó R. (1938) Analysis of the activity of the chains of internuncial neurons, Journal of Neurophysiology" 1, s. 187-194. Lynch G., Baundry M. (1984) Biochemistry ofmemory: a new and specific hypothesis, „Science" 224, s. 1057-1063. Ławicka W., Konorski J. (1959) Physiological mechanism of delayed reaction. III. The effects of prefrontal ablations on delayed reaction in dogs, „Acta Biologiae Experimentalis" 21, s. 141-156. McCarley R. W. (1994) Dreams and the biology of sleep. W: M. H. Kryger, T. Roth, W. C. Dement, Principle and practice of sleep medicine, Philadelphia, Saunders, s. 373-383. McCarley R. W., Hobson J. A. (1971) Single neuron activity in cat gigantocellular tegmental field: selectivity of discharge in desynchronized sleep, „Science" 174, 1250-1252. McCarley R. W., Hoffman E. A. (1981) REM sleep dreams and the actwation-synthesis hypothesis, .American Journal of Psychiatry" 138, s. 904-912. McClintock M. K. (1971) Menstrual synchrony and suppression, „Naturę" 229, s. 244-245. Macdonald A. J. R. (1989) Acupuncture analgesia and therapy. W: Textbook of pain, P. D. Wall, R. Melzack (red.), wyd. 2, Edinburgh, Churchill, s. 906-919. McGill T. E., Coughlin R. C. (1970) Ejaculatory reflex and luteal activity induction in Mus musculus, Journal of Reproduction and Fertility" 21, s. 215-220. MacLean P. D. (1952) Some psychiatrie implications of physiological studies on fronto-temporal portion of limbie system (visceral brain), „Electroencephalography and Clinical Neurophysiology" 4, s. 407-418. Mamelak A. N., Hobson J. A. (1989) Nightcap: a home-based sleep monitoring system, „Sleep" 12, s. 157-166. Markowitsch H. J. (1995) Anatomical basis ofmemory disorders. W: The cognitive neurosciences, M. S. Gazzaniga (red.), Cambridge, Mass., MIT Press, s. 765-779. Marler C. A., Moore M. C. (1989) Time andenergy costs ofaggression in testosterone-implantedfree-living małe mountain spiny lizards (Sceroporus jarrovi), „Physiological Zoology" 62, s. 1334-1350. Martin A., Haxby J. V., Lalonde F. M., Wiggs C. L., Ungerleider L. G. (1995) Discrete cortical regions associated with knowledge ofcolor and knowledge of action, „Science" 270, s. 102-105. Martin A., Wiggs C. L., Ungerleider L. G., Haxby J. V. (1966) Neural correlates of category-specific knowledge, „Naturę" 379, s. 649-652. Martinez-Vargas M. C. (1974) Nest building in the ring dove (Streptopelia risoria): hormonal and social factors, ,3ehaviour" 50, s. 123-151. Martinez-Vargas M. C, Erickson C. J. (1973) Some social and hormonal determinants of nest-building behaviour in the ring dove (Streptopelia risoria), ,3ehaviour" 45, s. 12-37. Mather M. H., Roitberg B. D. (1987) A sheep in wolfs clothing: tephritid flies mimie spider predators, „Science" 236, s. 308-310. Matthies H. Neurobiological aspects of leaming and memory, „Annual Review of Psychology" 40, s. 381^*04. Mayer D. J., Price D. D., Raffi A. (1977) Antagonism of acupuncture analgesia in man by the narcotic antagonist naloxone, „Brain Research" 121, s. 368-372. Mayer J. (1952) The glucostatic theory of regulation offood intake and the problem of obesity, „New England Medical Center Bulletin" 14, s. 43^9. 576 Mazoyer B. M., Dehaene S., Tzurio N., Frak N., Murayama N., Cohen L., Levrier O., Salamon G., Syrota A., Mehler J. (1993) The cortical organization of speech, „Journal of Cognitive Neuroscience," 5, s. 467-479. Mazur A. (1983) Hormones, aggression, and dominance in humans. W: Hormones and aggressive behavior, B. B. Svare (red.), New York, Plenum Press, s. 563-576. Mehler J., Christophe A. (1995) Maturation and learning of language in the first year of life. W: The cognitive neurosciences, M. S. Gazzaniga (red.), Cambridge, Mass., MIT Press, s. 943-954. Melzack R. (1975) The McGill pain ąuestionnaire: major properties and scoring methods, „Pain" 1, s. 275-299. Melzack R., Wall P. D. (1965) Pain mechanisms: a new theory, „Science" 150, s. 971-979. ?'"?''»«?''?*? Melzack R., Wall P. D., Ty T. C. (1982) Acute pain in an emergency clinic: latency of onset and descriptor patterns related to different injuries, „Pain" 14, s. 33-43. Mempel E. (1975) Leczenie amygdalektomią zaburzeń emocjonalnych i napadów padaczkowych, Warszawa, PZWL. Mesulam M. M., Mufson E. J., Wainer B. H., Levey A. I. (1983) Central cholinergic pathways in the rat: an overview based on an alternative nomenclature (Chl-Ch6), „Neuroscience" 10, s. 1185-1201. Michael R. P., Saayman G. S. (1968) Differential effects on behaviour of subcutaneous and intravaginal administration of oestrogen in the rhesus monkey (Macaca mulatta), „Journal of Endocrinology" 41, s. 231-246. Michael R. P., Saayman G. S., Zumpe D. (1968) The suppression of mounting behaviour and ejaculation in małe rhesus monkeys by administration of progesterone to their female partners, „Journal of Endocrinology" 41, s. 421-430. Michael R. P., Welegalla J. (1968) Ovarian hormones and the sexual behaviour of the female rhesus monkey (Macaca mulatta) under laboratory conditions, „Journal of Endocrinology" 41, s. 407-420. Miczek K. A., Thompson M. L., Shuster L. (1986) Analgesia following defeat in an aggressive encounter: development of tolerance and changes in opioid receptors. W: Stress-induced analgesia. Annals of the New York Academy of Sciences, t. 467, D. D. Kelly (red.), New York, ?"- The New York Academy of Sciences, s. 14-29. ? '? Millan M. J. (1986) Multiple opioid systems and pain, „Pain" 27, s. 303-347. Miller K. F., Smith C. M., Zhu J., Zhang H. (1995) Preschool origins of crossnational differences in mathematical competence: the role ofnumber-naming systems, „Psychological Science" 6, s. 56-60. Mills A. W. (1960) Lateralization of high-frequency tones, „Journal of the Acoustical Society of America" 32, s. 132-134. Milner B. (1963) Effects of different brain lesions on card sorting, „Archives of Neurology" 9, s. 90-100. Milner B., Corkin S., Teuber H. L. (1968) Further anałysis of the hippocampal amnesic syndrome: 14-year follow-up study of H. M., „Neuropsychologia," 6, s. 215-234. Milner B., Petrides M., Smith M. L. (1985) Frontal lobes and the temporal organization of memory, „Human Neurobiology," 4, s. 137-142. Mistlberger R. E., B. Rusak B. (1994) Circadian rhythms in mammals: formal properties and environmental influences. W: Principles and practice of sleep medicine, M. H. Kryger, T. Roth, W. C. Dement (red.), Philadelphia, Saunders, s. 277-285. Mitchell P. J. (1994) Prediction of antidepressant activity from ethological anałysis of agonistic behavour in rats. W: Ethology and psychopharmacology, S. J. Cooper, C. A. Hendrie (red.), Chichester, Wiley, s. 85-109. Monk T. H. (1994) Circadian rhythms in subjective activation, mood and performance efftciency. W: Principles and practice of sleep medicine, M. H. Kryger, T. Roth, W. C. Dement (red.), Philadelphia, Saunders, s. 321-330. Montplaisir J., Godbout R., Pelletier G., Warnes H. (1994) Restless legs syndrome and periodic movements during sleep. W: Principles and practice of sleep medicine, M. H. Kryger, T. Roth, W. C. Dement (red.), Philadelphia, Saunders, s. 589-597. Mori K. (1995) Relation ofchemical structure to specificity ofresponse in olfactory glomeruli, „Current Opinion in Neurobiology" 5, s. 467-474. Mori K., Nagao H., Yoshihara Y. (1999) The olfactory bulb: coding and processing of odór molecule Information, „Science" 286, s. 711-715. 577 Morley J. E., Levine A. S., Kneip J. (1981) Muscimol induced feeding: a model to study the hypothalamic regulation ofappetite, „Life Sciences" 29, s. 1213-1218. Morris R. G. M., Garrud P., Rawlins J. N. P., O'Keefe J. (1982) Place navigation impaired in rats with hippocampal lesions, „Naturę" 297, s. 681-683. Moruzzi G., Magoun H. W. (1949) Brainstem reticular formation and actwation of the EEG, „Electroencephalography and Clinical Neurophysiology" 1, s. 455-473. Moscovitch M., Vriezen E., Goshen-Gottstein Y. (1993) Implicit tests ofmemory in patients withfocal lesions or degenerative brain disorders. W: Handbook of neuropsychology, t. 8, F. Boller, J. Grafman (red.), Amsterdam, Elsevier, s. 131-173. Mountcastle V. B. (1995) The parietal system and some higher brain, „Cerebral Cortex" 5, s. 377-390. Mrosovsky N., Salmon P. A. (1987) A behavioural methodfor accelerating reentrainment of rhythms in new light-dark cycles, „Naturę" 330, s. 372-373. Murray E. A., Mishkin M. (1984) Relative contributions of Sil and area 5 to tactile discrimination in monkeys, ,3ehavioral Brain Research" 11, s. 67-83. Myers M. P., Wager-Smith K., Wesley C. S., Young M. W., Sehgal A. (1995) Positional cloning and seąuence analysis of the Drosophila time gene, timeless, „Science," 270, s. 805-808. Myers M. P., Wager-Smith K., Wesley C. S., Young M. W., Sehgal A. (1996) Light-induced degradation of TIMELESS and entrainment of the Drosophila circadian clock, „Science," 271, s. 1736-1740. Myers R. E. (1956) Functions of corpus callosum in interocular transfer, „Brain" 79, s. 358-363. Nebes R. D. (1972) Dominance of the minor hemisphere in commissuromized man on a test of figurę unification, „Brain" 95, s. 633-638. Nebes R. D. (1974) Hemispheric specialization and commissuromized man, „Psychological Bulletin" 81, s. 1-14. Neil A. (1990) Tolerance and dependence. W: Advances in pain research and therapy, t. 14, C. Benedetti, C. R. Chapman, G. Giron (red.), New York, Raven Press, s. 121-142. Neville H. J., Nicol A., Barss A., Forster K., Garrett M. (1991) Syntactically based sentence processing classes: evidence from event related potentials, „Journal of Cognitive Neuroscience" 3, s. 151-165. Newport E. (1990) Maturational constraints on language learning, „Cognitive Science" 14, s. 11-28. Nicoll R. A., Kauer J. A., Maleńka R. C. (1988) The current excitement in long-term potentiation, „Neuron", s. 97-103. Ojemann G. A. (1983) Brain organization for language from the perspective of electrical stimulation mapping, „Behavioral Brain Sciences" 6, s. 189-230. Ojemann G. A., Whitaker H. A. (1978) The bilingual brain., „Archives of Neurology" 35, s. 409^12. O'Keefe J. (1976) Place units in the hippocampus of the freely moving rat, „Experimental Neurology" 51, 78-109. O'Keefe J., Ostrovsky J. (1971) The hippocampus as a spatial map: preliminary evidence from unit activity in the freely moving rat, ,3rain Research" 34, s. 171-175. i Olds J. (1962) Hypothalamic substrates of reward, „Physiological Reviews" 42, s. 554-604. Olds J., Milner P. (1954) Positive reinforcement produced by electrical stimulation of septal area and other regions ofrat brain, „Journal of Comparative and Physiological Psychology" 47, s. 419-427. Olton D. S., Papas B. C. (1979) Spatial memory and hippocampal function, „Neuropsychologia" 17, s. 669-682. Olton D. S., Samuelson R. J. (1976) Remembrance ofplaces passed: spatial memory in rats, ,Journal of Experimental Psychology (Animal Behavior Processes)" 2, s. 97-116. Ongur D., Price J. L. (2000) The organization of networks within the orbital and medial prefrontal cortex of rats, monkeys and humans, „Cerebral Cortex" 10, s. 206-219. Oomura Y. (1976) Significance of glucose, insulin andfreefatty acid on the hypothalamic feeding and satiety neurons. W: Hunger: basie mechanisms and clinical implications, D. Nowin, W. Wyrwicka, G. Gray (red.), New York, Raven Press, s. 145-157. Osterhout L., Holcomb P. (1992) Event related brain potentials elicited by syntactic anomaly, „Journal of Memory and Language" 31, s. 785-806. Overmier J. B., Seligman M. E. P. (1967) Effects of inescapable shock upon subseąuent escape and avoidance responding, „Journal of Comparative and Physiological Psychology" 63, s. 28-33. 578 Packer C. (1977) Reciprocal altruism in Papio anubis, „Naturę" 265, s. 441—443. Page K. J., Sofroniew M. V. (1996) The ascending basal forebrain cholinergic system, „Progress in Brain Research" 107, s. 513-522. Papez J. W. (1937) A proposed mechanism for emotions, „Archives of Neurology and Psychiatry" 38, s. 727-743. Paradis M. (1993) Multilingualism and aphasia. W: Unguistic disorders and pathologies. An International handbook, G. Blanken, J. Dittman, H. Grimm, J. C. Marshall, C.-W. Wallesch (red.), Berlin, Gruyer, s. 278-288. Parlee M. B. (1973) The premenstrual syndrome, „Psychological Bulletin" 80, s. 454-465. Pawłów I. P. (1951) Wykłady o czynności mózgu, przekład z: Lekcii o rabotie bolszich połuszarij gołownogo mozga, Moskwa; Warszawa, PZWL. Pedersen P. E., Blass E. M. (1982) Prenatal and postnatal determinants of the first suckling episode in the albino rat, „Developmental Psychobiology" 15, s. 349-356. Penfield W., Roberts L. (1959) Speech and brain mechanisms, Princeton, Princeton University Press. Petersen S. E., Fiez J. A. (1993) The processing of single words studied with positron emission tomography, „Annual Review of Neuroscience" 16, s. 509-530. Petersen S. E., Fox P. T., Posner M. I., Mintum M., Raichle M. E. (1989) Positron emission tomographic studies of the processing of single words, „Journal of Cogn|tive Neuroscience" 1, s. 153-170. Pfeiffer R. R. (1966) Classification of response pattems of spike dischanges for units in the cochlear nucleus: tonę burst stimulation, ,JExperimental Brain Research" 1, s. 220-235. Phillips J. R„ Johansson R. S., Johnson K. O. (1990) Representation of braile characters in human nerve flbers, „Experimental Brain Research" 81, s. 589-592. Pietrewicz A. T., Kamil A. C. (1977) Visual detection ofcryptic prey by blue jays (Cyanocita cristata), „Science" 195, s. 580-582. Pinker S., Bloom P. (1990) Natural language and natural selection, „Behavioral Brain Sciences" 13, s. 707-784. Pomeranz B. (1981) Neural mechanisms of acupuncture analgesia. W: Persistentpain: modern methods of treatment, t. 3, S. Lipton, J. Miles (red.), London, Academic Press, s. 241-257. Pomeranz B., Chiu D. (1976) Naloxone blocks acupuncture analgesia and causes hyperalgesia: endorphin is implicated, „Life Sciences" 19, s. 1757-1762. Pomeranz B., Paley D. (1979) Electroacupuncture analgesia is mediated by ąfferent neiye impulses: an electrophysiological study in mice, „Experimental Neurology" 66, s. 398—402. Posner M. I. (1980) Orienting of attention, „Quarterly Journal of Experimental Psychology" 32, s. 3-25. Premack D. (1971) On the assessment of language competence in the chimpanzee. W: Behavior of nonhuman primates, t. 4, A. M. Schreier, F. Stolnitz (red.), New York, Academic Press. Cyt. za: N. Chalmers (1979) Social behaviour in primates, London, Edward Arnold, s. 221-223. Premack D., Premack A. J. (1983) The mind of an ape, New York, Norton. Cyt. za: J. A. Anderson, Learning and memory. An integrated approach, New York, Wiley, s. 384—386. Pulvermuller F., Lutzenberger W., Preissl H. (1999) Nouns and verbs in the intact brain: evidence from event-related potentials and high-freąuency cortical responses, „Cerebral Cortex" 9, s. 497-506. Rafał R., Robertson L. (1995) The neurology of visual attention. W: The cognitive neurosciences, M. S. Gazzaniga (red.), Cambridge, Mass., MIT Press, s. 625-648. Rafał R., Smith J., Krantz J., Cohen A., Brennan C. (1990) Extrageniculate vision in hemianopis humans: saccade inhibition by signals in the blindfield, „Science" 250, s. 118-121. Rainey M. jr, Ettedgui E., Pohl B., Balon R., Weinberg P., Yelonek S., Berchou R. (1984) The-a-receptor: isoproterenol anxiety states, „Psychopathology" 17, supl. 3, s. 40-51. Rakic P., Bourgeois J. P., Eckenhoff M. F., Zecevic N., Goldman-Rakic P. S. (1986) Concurrent overproduction of synapses in diverse regions of the primate cerebral cortex, „Science" 232, s. 232-235. Ralph M. R., Foster R. G., Davis F. C, Menaker M. (1990) Transplanted suprachiasmatic nucleus determines circadian period, „Science" 247, s. 975-978. Rapoport J. L., Ryland D. H., Kriete M. (1992) Drug treatment and canine acral lick, „Archives of General Psychiatry" 49, s. 517-521. 579 Rebar R. W., Kenigsberg D., Hodgen G. D. (1990) The normal menstrual cycle and the control of ovulation. W: Principles and practice of endocrinology and metabolism, K. L. Becker (red.), Philadelphia, Lippincott, s. 788-797. Reichling D. B., Kwiat G. C. Basbaum A. I. (1988) Anatomy, physiology and pharmacology of the periaąueductal gray contribution to antinociceptive controls, „Progress in Brain Research" 77, s. 31^6. Reid P. J., Shettleworth S. J. (1992) Detection of cryptic prey: search image or search ratę?, „Journal of Experimental Psychology, Animal Behavior Process" 18, s. 273-286. Reid R. L., Yen S. S. C. (1981) Premenstrual syndrome, „American Journal of Obstetrics and Gynecology" 139, s. 85-104. Reppert S. M., Sauman I. (1995) Period and timeless tango: a dance oftwo clock genes, „Neuron" 15, s. 983-986. Rescorla R. A. (1968) Probability of shock in the presence and absence of CS in fear conditioning, .Journal of Comparative and Physiological Psychology" 66, s. 1-5. Rescorla R. A., Wagner A. R. (1972) A theory of Pavlovian conditioning: variations on the effectiveness of reinforcement and nonreinforcement. W: Classical conditioning: II. Current research and theory, A. H. Black, W. F. Prokasy (red.), New York, Appleton, s. 64-99. Cyt. za: J. A. Anderson (1995) Learning and memory. An integrated approach, New York, Wiley, s. 64-68. Reykowski J. (1977) Z zagadnień psychologii motywacji, Warszawa, PWN. Reynolds D. V. (1969) Surgery in the rat during electrical analgesia induced byfocal brain stimulation, „Science" 164, s. 444—445. Ribbot T. (1881) Les maladies de la memoire. Cyt. za: L. M. Squire, B. J. Knowlton (1995) Memory, hippocampus, and brain systems. W: The cognitive neurosciences, M. S. Gazzaniga (red.), Cambridge, Mass., MIT Press, s. 825-837. Riblet L. A., Eison A. S., Eison M. S., Taylor D. P., Tempie D. L., VanderMaelen C. P. (1984) Neuropharmacplogy of buspirone, „Psychopathołogy" 17, supl. 3, s. 69-78. Riekkinen P. jr, Kuitunen J., Riekkinen M. (1995) Effects of scopolamine infusions into the anterior and posterior cingulate on passive avoidance and water maże navigation, „Brain Research" 685, s. 46-54. Robertson R. G., Farmery S. M., Sambrook M. A., Crossman A. R. (1989) Dyskinesia in the primate following the injection of an excitatory amino acid antagonist into the medial segment of the globus pallidus, „Brain Research" 476, s. 317-422. Robinson B. W., Mishkin M. (1968) Penile erection evoked from stimulation offore-brain structures in Macaca mulatta, „Neurology" 19, s. 184—198. Rodgers R. J., Cole J. C. (1994) The elevated plus-maze: pharmacology, methodology and ethology. W: Ethology andpsychopharmacology, S. J. Cooper, C. A. Hendrie (red.), Chichester, Wiley, s. 9-44. Roediger III H. L., McDermott K. B. (1993) Implicit memory in normal human subjects. W: Handbook of neuropsychology, t. 8, F. Boller, J. Grafman (red.), Amsterdam, Elsevier, s. 63-131. Rolls E. T. (1984) Neurons in the cortex of the temporal lobe an in the amygdala of the monkey with responses selectwe to faces, „Human Neurobiology" 3, s. 209-222. Rolls E. T. (1990) A theory ofemotion, and its application to understanding the neural basis ofemotion, „Cognition Emotion" 4, s. 161-190. Rolls E. T. (1992) Neurophysiological mechanisms underlying face processing within and beyond the temporal cortical visual area, „Philosophical Transactions of the Royal Society of London" 335, s. 11-21. Romaniuk A. (1965) Representation of aggression andflight reactions in the hypothalamus of the cat, „Acta Biologiae Experimentalis" 25, s. 177-186. Rosę J. E., Hind J., Anderson D. J. (1971) Some effects of stimulus intensity on response of auditory nerve fibers in the sąuirrel monkey, .Journal of Neurophysiology" 34, s. 685-699. Ross E. D. (1996) Hemisphaeric specialization, affective aspects of language and communication and the cognitive control ofdisplay behaviors in humans, „Progress in Brain Research" 107, s. 583-594. Ross E. D., Homan R. W., Buck R. (1994) Differential hemospheric lateralization ofprimary an social emotions: implications for developing a comprehensive neurology for emotion, repression and the subconscious, „Neuropsychiatry, Neuropsychology and Behavioral Neurology" 7, s. 1-19. 580 Roth G. L., Kochhar R. K., Hind J. E. (1980) Interaural time differences: implications regarding the neurophysiology of sound localization, „Journal of the Acoustical Society of America" 68, s. 1643-1651. Rowe M. P., Coss R. G., Owings D. H. (1986) Rattlesnake rattles and burrowing owi hisses: a case of acoustic Batesian mimicry, „Ethology" 72, s. 53-71. Rowell T. E. (1974) The concept of social dominance, „Behavioral Biology" 11, s. 131-154. Rubenstein J. L., Rakic P. (1999) Genetic control ofcorticaldevelopment, „Cerebral Cortex" 9, s. 521-523. Sachar E. J. (1980) Hormonal changes in stress and mentol illness. W: Neuroendocrinogy: the interrelationships ofthe body's two major integrative systems in normal physiology and in clinical disease, D. T. Krieger, J. C. Hughes (red.), New York, Hospital Practice, s. 177-183. Sahakian B. J., Owen A. M, Morant N. J., Eagger S. A., Boddington S., Crayton L., Crockford H. A., Crooks M., Hill K., Levy R. (1993) Further analysis of the cognitive effects of tetrahyd- romaminoacridine (THA) in Alzheimer's disease: Assessment of attentional and mnemonic function using CANTAB, „Psychopharmacology" 110, s. 395-401. Sahu A., Kalra P. S., Kalra S. P. (1988) Food deprivation and ingestion induce reciprocal changes in neuropeptide Y concentrations in the paraventricular nucleus, „Peptides" 9, s. 83-86. Saito H., Sakai K., Jouvet M. (1977) Discharge patterns ofthe nucleus parabrachialis lateralis neurons in the cat during sleep and waking, „Brain Research" 134, s. 59-72. *? Sakai K. (1980) Some anatomicał and physiological properties ofponto-mesencephalic tegmentał neurons with special reference to the PGO waves andpostural atonia during paradoxical sleep in the cat. W: The reticular formation revisited, J. A. Hobson, M. A. Brazier (red.), New York, Raven Press, s. A21-M1. Sandberg R., Moore F. R. (1996) Migratory orientation of red-eye vireos, Vireo olivaceus, in relation to energetic condition and ecological context, „Behavioral Ecology and Sociobiology" 39, s. 1-10. Cyt. za: J. Alcock (1993) Animal behavior. An evolutionary approach, wyd. 3, Sunderland, Mass., Sinauer, s. 396-400. Sano K. (1966) Sedative stereoencephalotomy: fornicotomy, upper mesencephalic reticulotomy and posteromedial hypothalotomy, „Progress in Brain Research" 21B, s. 350-372. Sassenrath E. N. (1970) Increased advanced responsivenss related to social stress in rhesus monkeys, „Hormones and Behavior" 1, s. 283-283. Satoh K., Narita M., Someya T., Fukuyama H., Yonekura Y. (1993) Functional brain imaging of a catatonic type of schizophrenia: PET and SPECT studies, ,Japanese Journal of Psychiatry and Neurology" 47, s. 881-885. Satoh N., Ogawa Y., Katsuura G., Hayase M., Tsuji T., Imawawa K., Yoshimasa Y., Nishi S., Hosoda K., Nakao K. (1977) The arcuate nucleus as a primary site of satiety effect of leptin in rats, „Neuroscience Letters" 224, s. 149-152. Saunders R. C, Weiskranz L. (1989) The effects offornbc transection and combined fornix transection, mammillary body lesions and hippocampal ablations on object-pair association memory in the rhesus monkey, ,3ehavioral Brain Research" 35, s. 85-94. Schacter D. L., Rapcsak S. Z., Rubens A. B., Tharan M, Laguna J. M. (1990) Priming effect in a letter-by-letter reader depends on access to the word form system, „Neuropsychologia" 28, s. 1079-1094. Schick R. R., Samasami S., Zimmermann J. P., Eberl T., Endres C, Schusdziarra V., Classen M. (1993) Effect of galanin on food intake in rats: involvement of lateral and ventromedial hypothalamic sites, „American Journal of Physiology" 264, s. R355-R1993. Schiller P. H. (1992) The ON and OFF channels in the visual system, „Trends in Neurosciences" 15, s. 86-92. Schreiner L., Kling A. (1953) Behavioral changes following rhinencephalic injury in cat, „Journal of Neurophysiology" 16, s. 643-658. Schutz F. (1975) Der Einfluss von Testosteron auf die Partnerwahl bei gepragt aufgezogenen Stockentenweibchen: Nachweis latenter Sexualpragung, „Verhandlungsbericht der Deutschen Zoologischen Gesellschaft" 67, s. 339-344. Cyt. za: P. P. G. Bateson, Early experience and sexual preferences. W: Biological determinants of sexual behaviour, J. B. Hutchison (red.), Chichester, Wiley, s. 29-53. 581 Schwartz W., Gainer H. (1977) Suprachiasmatic nucleus: use of 14C-labeled deoxyglucose uptake as afunctional marker, „Science" 197, s. 1089-1091. Scott J. W., Pfaff D. W. (1970) Behavioral and electrophysiological responses of female mice to małe urine odors, „Physiology and Behavior" 5, s. 407-411. Scoville W. B., Milner B. (1957) Loss of recent memory after bilateral hippocampal lesions, .Journal of Neurology, Neurosurgery and Psychiatry" 20, s. 11-21. Seligman M. E. P., Maier S. F. (1967) Failure to escape traumatic shock, „Journal of Experimental Psychology" 74, s. 1-9. ..-•??!. 1 :.:>x-it: Sergent J. (1987) A new look at the human split brain, „Brain" 110, s. 1375-1392. Seyfarth R. M. (1977) A model ofsocial grooming among adultfemale monkeys, .Journal of Theoretical Biology" 65, s. 671-698. Shader R. I., Greenblatt D. J. (1993) Use of benzodiazepines in anxiety disorders, „New England Journal of Medicine" 328, s. 1398-1405. Shallice T., Burgess P. W. (1991) Deficits in strategy application following frontal lobe damage in man, „Brain" 114, s. 727-741. Shallice T., Warrington E. K. (1970) Independent functioning of verbal memory stores: a neuro- psychological study, „Quarterly Journal of Experimental Psychology" 22, s. 261-273. Shaw E. A. G. (1974) Transformation of sound pressure level from free field to the eardrum in the horizontal plane, .Journal ofthe Acoustical Society of America" 56, s. 1848-1861. Shepherd G. (1995) Toward a molecular basisfor sensory perception. W: The cognitive neurosciences, M. S. Gazzaniga (red.), Cambridge, Mass., MIT Press, s. 105-118. Sheridan M. R., Flowers K. A., Hurrell J. (1987) Programming and execution of movements in Parkinson's disease, „Brain" 110, s. 1247-1271. Sherman P. W. (1977) Nepotism and the evolution of alarm calls, „Science" 197, s. 1246-1253. Sherry D. F., Vaccarino A. L. (1989) Hippocampus and memory for caches in the black-capped chickadee, „Behavioural Neuroscience" 103, s. 308-318. Shimamura A. P. (1995) Memory and frontal lobe function. W: The cognitive neurosciences, M. S. Gazzaniga (red.), Cambridge, Mass., MIT Press, s. 803-813. Shimamura A. P., Janowsky J. S., Sąuire L. R. (1990) Memory for the temporal order of events in patients with frontal lobe lesions and in amnesic patients, „Neuropsychologia" 28, s. 803-813. Siegel J. M., McGinty D. J. (1977) Pontine reticular formation neurons: relationship of discharge to motor activity, „Science" 196, s. 678-680. Siegel S. (1983) Classical conditioning, drug tolerance and drug dependence. W: Research advances in alcohol and drug problems, t. 6, Y. Israel, F. B. Glaser, H. Kalant, R. E. Popham, W. Schmidt, R. G. Smart (red.), New York, Plenum Press, s. 207-246. Skinner B. F. (1948) ,J>uperstition" in thepigeon,,Journal of Experimental Psychology" 38, s. 168-172. Skinner B. F. (1995) Zachowanie się organizmów, przekład z: The behavior of organisms (1938), New York, Appleton-Century; Warszawa, Wydawnictwo Naukowe PWN. Skolnick P., Crawley J. N., Głowa J. R., Paul S. M. (\9M)-fł-carboline-induced anxiety states, „Psychopathology" 17, supl. 3, s. 52-59. Smith P. H., Joris P. X., Yin T. C. T. (1993) Projections of physiologically characterized spherical bushy celi axons from the cochlear nucleus of the cat: evidence for delay lines to the medial superior olive, , Journal of Comparative Neurology" 331, s. 245-260. Sokolov E. N. (1960) Neuronal models and the orienting reflex. W: The central neryous system and behavior, M. A. B. Brazier (red.), Madison, Madison Printing Company, s. 187-276. Soubrie P. (1986) Reconciling the role ofthe central serotonin neurons in human and animal behavior, „Behavioral and Brain Sciences" 9, s. 319-364. Sperling G. A. (1960) The infonnation available in briefvisual presentation, ,J?sychological Monographs" 74, 498. Cyt. za: J. A. Anderson (1995) Learning and memory. An integrated approach, New York, Wiley. Sperry R. W. (1961) Cerebral organization and behavior, „Science" 133, s. 1749-1757. ,, A . / Spiegel E. A., Wycis H. T., Freed H., Orchinik C. (1951) The central mechanism ofthe emotions, „American Journal of Psychiatry" 108, s. 426-432. 582 Sąuire L. R. (1992a) Declarative and nondeclarative memory: multiple brain systems supporting learning and memory, „Journal of Cognitive Neurosciences" 4, s. 232-243. Sąuire L. R. (1992b) Memory and the hippocampus: a synthesis from flndings with rats, monkeys and humans, „Psychological Reviews" 99, s. 195-231. Sąuire L. R., Knowlton B. (1995) Memory, hippocampus, and brain systems. W: The cognitive neurosciences, M. S. Gazzaniga (red.), Cambridge, Mass., MIT Press, s. 825-847. Sąuire L. R., Knowlton B., Musen G. (1993) The structure and organization of memory, „Annual Review of Psychology" 44, s. 453-495. Stanley B. G., Chin A. S., Leibowitz S. F. (1985) Feeding and drinking elicited by central injection of neuropeptide Y: evidence for a hypothalamic site(s) of action, „Brain Research Bulletin" 4, s. 521-524. Stanley B. G., Willet III V. L., Donias H. W., Ha L. H., Spears L. C. (1993) The lateral hypothalamus: a primary site mediating excitatory amino acid-elicited eating, „Brain Research" 630, s. 41-49. Steinbaum E. A., Miller N. A. (1965) Obesity from eating elicited by daily stimulation of hypothalamus, „American Journal of Physiology" 208, s. 1-5. Stephens D. W., Krebs J. R. (1986) Foraging theory, Princeton, Princeton University Press. Cyt. za: J. R. Anderson (1995) Learning and memory. An integrated approach, New York, Wiley, s. 143-144. ^ Steriade M. (1994) Brain electrical activity and sensory processing during waking and sleep states. W: Principles and practice of sleep medicine, M. H. Kryger, T. Roth, W. C. Dement (red.), Philadelphia, Saunders, s. 105-144. Steriade M., McCormick D. A., Sejnowski T. J. (1993) Thalamocortical oscillations in the sleeping and aroused brain, „Science" 262, s. 679-684. Stromswold K. (1995) The cognitive and neural bases of language acąuisition. W: The cognitive neurosciences, M. S. Gazzaniga (red.), Cambridge, Mass., MIT Press, s. 855-870. Takashi T., Moiseff A., Konishi M. (1984) Time and intensity cues are processed independently in the auditory system ofthe owi, „Journal of Neuroscience" 7, s. 1781-1786. Talairach J., Bancaud J., Geier S., Bordas-Ferrer M., Bonis A., Szikla G., Rusu M. (1973) The cingulate gyrus and human behavior, „Electroencephalography and Clinical Neurophysiology" 34, s. 45-52. Talbot W. H., Darian-Smith I., Kornhuber H. H., Mountcastle V. B. (1968) The sense of flutter vibration: comparison ofthe human capacity with response patterns ofmechanoreceptive afferents from the monkey hand, „Journal of Neurophysiology" 31, s. 301-334. ' Tarkka I. M„ Hallet M. (1990) Cortical topography of premotor and motor potentials preceding self-paced, voluntary movement of dominant and non-dominant hands, „Electroencephalography and Clinical Neurophysiology" 75, s. 36-43. Templeton J. J., Giraldeau L. A. (1995) Patch assessement in foraging flocks of European starlings: evidence for public Information use, ,3ehavioral Ecology" 6, s. 65-72. Terman G. W., Morgan M. J., Liebeskind J. C. (1986) Opioid and nonopioid stress analgesia from cold water swim: importance of stress severity, „Brain Research" 372, s. 167-171. Terman M. (1994) Light treatment. W: Principles and practice of sleep medicine, M. H. Kryger, T. Roth, W. C. Dement (red.), Philadelphia, Saunders, s. 1012-1029. Terzian H., Ore G. D. (1955) Syndrome of Kliiver and Bucy. Reproduced in man by bilateral removal of the temporal lobes, „Neurology" 5, s. 378-380. Thorpe W. H. (1966) Consciousness and ethology. W: Brain and conscious experience, J. C. Eccles (red.), Berlin, Springer, s. 470-505. Tiengo M., Izzo Y. Pagnoni B., Piva 1., Colombo F. (1990) Patient-controlled analgesia inpostoperative pain. W: Advances in pain research and therapy, t. 14, C. Benedetti, C. R. Chapman, G. Giron (red.), New York, Raven Press, s. 341-347. Tinbergen L. (1960) The natural control of insects in pine woods. I. Factors influencing the intensity ofpredation by sonbirds, „Archives Neerlandaises de Zoologie" 13, s. 265-343. Tinbergen N. (1976) Badania nad instynktem, przekład z: The study ofinstinct (1951), London, Oxford University Press; Warszawa, Wydawnictwo Naukowe PWN. Tolman E. C. (1995) Zachowanie celowe u zwierząt i ludzi, przekład z: Purpusive behavior in animals and men (1949), University of California Press; Warszawa, Wydawnictwo Naukowe PWN. 583 Tow P. M. (1955) Personality changes following frontal leucotomy, London, Oxford University Press. Trafton C. L. (1967) Effects of lesions in the septal area and cingulate cortical areas on conditioned suppression ofactivity and avoidance behavior in rats, .Journal of Comparative and Physiological Psychology" 63, s. 191-197. Trimble M. R., J. Herbert J. (1968) The effect of testosterone or oestradiol upon the sexual and associated behaviour in adult famale rhesus monkey, .Journal of Endocrinology" 42, s. 171-185. Trivers R. L. (1971) The evolution of reciprocal altruism, „Quarterly Review of Biology" 46, s. 35-57. Troy J. B., Enroth-Cugell C. (1993) X and Y ganglion cells inform the cat's brain about contrast in the retinal image, „Experimental Brain Research" 93, s. 383-390. Tulving E. (1972) Episodic and semantic memory. W: E. TuMng, W. Donaldson, Organization of memory, New York, Academic Press, s. 381-403. Uhde T. W., Boulenger J. P., Post R. M., Siever L. J., Vittone B. J., Jimmerson D. C, Roy-Byrne P. P. (1984) Fear and anxiety: relationship to noradrenergic function, „Psychopathology" 17, supl. 3, s. 8-23. Ulfendahl M. (1997) Mechanical responses ofthe mammalian cochlea, „Progress in Neurobiology" 53, s. 331-380. Van Essen D. C. (1985) Functional organization of primate visual cortex. W: Cerebral cortex, A. Peters, E. G. Jones (red.), New York, Plenum Press, s. 259-330. Van Essen D. C, DeYoe E. A. (1995) Concurrent processing in the primate visual cortex. W: The cognitive neurosciences, M. S. Gazzaniga (red.), Cambridge, Mass., MIT Press, s. 383-400. Vitaterna M. H., King D. P., Chang A. M., Kornhauser J. M., Lowrey P. L., McDonald J. D., Dove W. F., Pinto L. H., Turek F. W., Takahaski, J. S. (1994) Mutagenesis and mapping of a mouse gene, clock, essential for circadian behavior, „Science" 264, s. 719-725. Vogt B. A., Finch D. M., Olson C. R. (1992) Functional heterogeneity in cingulate cortex: the anterior executive and posterior evaluative regions, „Cerebral Cortex" 2, s. 435-443. Wagner A. R. (1981) SOP: a model of automatic memory processing in animal behavior. W: Information processing in animals: Memory mechanisms, N. E. Spear, R. R. Miller (red.), Hillsdale, NJ, Erlbaum, s. 5-47. Cyt. za: J. A. Anderson (1995) Learning and memory. An integrated approach, New York, Wiley, s. 55-56. Wagner A. R., Logan F. A., Haberlandt K., Price T. (1968) Stimulus selection in animal discrimination learning, .Journal of Experimental Psychology" 76, s. 171-180. Walcott C. (1972) Bird navigation, „Natural History" 81, s. 32-43. Cyt. za: J. Alcock (1998) Animal behavior. An evolutionary approach, wyd. 6, Sunderland, Sinauer, s. 156-164. Wall P. D. (1989) Introduction. W: Textbook ofpain, P. D. Wall, R. Melzack (red.), wyd. 2, Edinburgh, Churchill, s. 1-18. Warrington E. K. (1975) The selective impairment of semantic memory, „Quarterly Journal of Experimental Psychology" 27, s. 635-657. Warrington E. K. (1981) Concrete word dyslexia, „British Journal of Psychology" 72, s. 175-196. Warrington E. K., McCarthy R. (1988) The fractionation of retrograde amnesia, „Brain Cognition" 7, s. 184-200. Watkins L. R., Mayer D. J. (1986) Multiple endogenous opiate and non-opiate analgesia systems: evidence of their existence and clinical implications. W: Stress-induced analgesia. Annals of the New York Academy of Sciences, t. 467, D. D. Kelly (red.), New York, The New York Academy of Sciences, s. 273-299. Watson J. B. (1990) Behawioryzm, przekład z: Behaviorism (1925), New York, Norton; Warszawa, PWN. Westling G., Johansson R. S. (1987) Responses in glabrous skin mechanoreceptors during precision grip in humans, „Experimental Brain Research" 66, s. 128-140. Whitty C. W., Duffield J. E., Tow P. M., Cairns H. (1952) Anterior cingulectomy in the treatment of mental disease, „Lancet" 1, s. 475-481. Wiesel T. N., Hubel D. H. (1966) Spatial and chromatic interactions in the lateral geniculate body of the rhesus monkey, .Journal of Neurophysiology" 29, s. 1115-1156. Wilłer J.-C. (1984) Nociceptive flexion reflex as a physiological correlate ofpain sensation in humans. W: Pain measurement in man. Neurophysiological correlates ofpain, B. Bromm (red.), Amsterdam, Elsevier, s. 87-110. 584 Willis W. D. jr (1988) Anatomy and physiology of descending control ofnociceptive responses in dorsal horn neurons: comprehensive review, „Progress in Brain Research" 77, s. 1-29. Willis W. D. (1989) The origin and destination ofpathways involved in pain transmission. W: Textbook ofpain, P. D. Wall, R. Melzack (red.), wyd. 2, Edinburgh, Churchill, s. 112-127. Wilson E. O. (1979) Społeczeństwa owadów, przekład z: The insect societes (1971), Cambridge, Mass, The Belknap Press; Warszawa, PWN. Winberg J., Porter R. H. (1998) Olfaction and human neonatal behmńour: clinical implications, „Acta Paediatrica" 87, s. 6-10. Włodarski Z. (1996) Psychologia uczenia się i pamięci, Warszawa, Wydawnictwo Naukowe PWN. Wygotski L. S. (1989) Myślenie i mowa, przekład z: Izbrannyje psichołogiczeskije issledowania: myszlenie i riecz (1966), Moskwa, Akademia pedagogiczeskich nauk RSFSR; Warszawa, PWN. Xu B., Kalra P. S., Farmerie W. G., Kalra S. P. (1999) Daily changes in hypothalamic gene expression of neuropeptide Y, galanin, proopiomelanocortin, and adipocyte leptin gene expression and secretion: effects offood restriction, „Endocrinology" 140, s. 2868-2875. Xu B., Kalra, P. S„ Moldawer L. L., Kalra S. P. (1998) Increased appetite augments hypothalamic NPY Yt receptor gene expression: effects of anorexigenic ciliary neurotropic factor, „Regulatory Peptides", 75/76, s. 391-395. Yin T. C. T., Chan J. C. K. (1990) Interaural time sensitivity in mediał superior olive of cat, .Journal of Neurophysiology" 64, s. 465^88. Zadina J. E., Hackler L., Ge L. J., Kastin A. J. (1997) A potent and selective endogenous agonist for the mu-opiate receptor, „Naturę" 386, s. 499-502. Zald D. H., Pardo J. V. (1997) Emotion, olfaction, and the human amygdala: amygdala activation during aversive olfactory stimulation, „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America" 94, s. 4119^łl24. Zeki S. M. (1978) Functional specialization in the visual cortex of the rhesus monkey, „Naturę" 274, s. 423^28. Zeppelin H. (1994) Mammalian sleep. W: Principles and practice of sleep medicine, M. H. Kryger, T. Roth, W. C. Dement (red.), Philadelphia, Saunders, s. 69-80. Zieliński K. (1993) Warunkowanie a powstawanie asocjacji, „Kosmos" 42, s. 427^52. Zola-Morgan S., Sąuire L. R. (1993) Neuroanatomy ofmemory, „Annual Review of Neuroscience" 16, s. 547-563. Zorumski C. F., Isenberg K. E. (1991) Insights into the structure andfunction of GABA-benzodiazepine receptors: ion channels and psychiatry, „American Journal of Psychiatry" 148, s. 162-173. Żernicki, B. (1974) Isolated cerebrum of the pretrigeminal cat, „Archives Italiennes de Biologie" 112, s. 350-371. • i . '1 1 '..t'1. , •,„?•««»/>» ff, ^SUl ~ 'V ' 1 t I , I Vi >tl , % n ,' •>tl ,'tii->' (I i. . n"* NOWOŚĆ zachowania Robert Plomin John C. Defries Cera/d ?. McCIearn Peter McCuffm twu Nmtkowe P O Ł WIEKU PWN Nagroda 2000 FUNDACJI na rzecz NAUKI POLSKIEJ Jan "Strelau Psychologia temperamentu infolinia 0 801 351 929 • www.pwn.com.pl