Slike iz male crne kutije

Naučnici mozak često opisuju kao crnu kutiju – znamo šta je sve sposoban da uradi, ali ne razumemo baš kako. Poznajemo čak oko 3.300 tipova neuronskih ćelija u ljudskom mozgu, ali pretpostavljamo da ih ima desetine puta više. Povrh toga, ne znamo ni zašto se javljaju, niti kako da izlečimo bolesti nervnog sistema koje su među najvećim medicinskim izazovima današnjice: Parkinsonovu bolest i Alchajmerovu bolest.

Ne znamo, zapravo, ni šta sve tačno ima u mozgu. Do sada niko nije skenirao ljudski mozak na način da je pregledao, identifikovao i odredio uloge ćelija u njemu. Taj poduhvat još je mnogo daleko. No, u međuvremenu, naučnici “vežbaju” takvu vrstu istraživanja na jednom drugom biću po imenu Drosophila melanogaster – vinska mušica.

Neuro-istraživači umreženi u grupu koja obuhvata nekoliko desetina laboratorija širom sveta, nakon godina pipavog rada, načinili su pravi istraživački podvig. Uspeli su da istraže i mapiraju čitav mozak vinske mušice. Zvuči kao podsmevanje ili potcenjivanje, ali u tom malom mozgu, veličine zrna maka, nalazi se čak 8.453 tipa nervnih ćelija, skoro tri puta više nego što ih poznajemo u ljudskom mozgu.

Pre nego što je mapiran mozak mušice, istraživači su uspeli isti posao da obave kod jednog crva koji ima svega 302 neurona, ali taj posao nije bio ni toliko kompleksan niti se od njega očekivao veliki doprinos koji bi pomogao da bolje upoznamo mozak ljudi. Mapiran je i mozak larve voćne mušice, koja ima oko 3.000 neurona, što je i dalje neuporedivo jednostavnije od mozga odrasle vinske mušice sa oko 140.000 neurona i desetine miliona sinapsi koje ih povezuju.

Zbog čega baš vinska mušica i kakve veze ima njen mozak sa našim?

NAUČNI MODELI

Prva životinja koja je lansirana u svemir nije bila Lajka koja je orbitirala oko Zemlje 1957, već su to bile vinske mušice. Njih su američki astronauti 1947. godine spakovali u raketu i lansirali na visinu od 100 kilometara, a onda su sletele na Zemlju padobranom. Cilj je bio da se ispita na koji način zračenje i bestežinsko stanje utiču na mušice.

Drosophila melanogaster je u to vreme već više od pola veka bila upotrebljavana za najrazličitija istraživanja kao uzorni organizam. Vinske mušice živele su na Međunarodnoj svemirskoj stanici, njihov genom sekvenciran je pre čovekovog, i formiranje njihovih očiju kontrolišu geni ekvivalentni onima kod ljudi. Zapravo, voćne mušice dele 60 odsto ljudske DNK, uključujući gene za učenje i Daunov sindrom. Čak dve trećine gena koji izazivaju bolest kod ljudi takođe nalazimo i u voćnoj mušici. Međutim, njihov genom je znatno jednostavniji od našeg pa i pogodniji za istraživanja i manipulacije.

Iako je sve to postalo poznato tek u ovom veku, vinska mušica je mnogo ranije postala važna istraživačima. Američki evolucioni biolog Tomas Morgan, koji je kasnije dobio Nobelovu nagradu jer je bliže objasnio ulogu hromozoma u nasleđivanju, predložio je 1901. godine da se upravo vinske mušice koriste kao modelni organizam. I ne samo da je Morgan dobio Nobela za istraživanje vezano za mušice, već su do sada straživanja ovog insekta osvojila ukupno šest Nobelovih nagrada.

Takvi modelni ili uzorni organizmi – među kojima su miševi verovatno najpoznatiji – koriste se za detaljna proučavanja određenih bioloških fenomena kao što su efekti lekova, mehanizmi razvoja bolesti ili epidemiologija zaraza. Razvoj transplantacije organa, otkriće insulina i njegova primena u lečenju dijabetesa, kao i mnogi drugi postupci u medicini ne bi bili mogući niti tako efikasni da umesto eksperimentisanja na ljudima u te svrhe nisu žrtvovane životinje (vidi okvir “Obavezno testiranje”). Idealni uzorni organizmi su mali, imaju kratak životni ciklus, brzo se razmnožavaju, lako su dostupni i imaju specifične osobine pogodne za dato istraživanje. Kada je Tomas Morgan eksperimentisao sa vinskim mušicama i identifikovao hromozome kao vektor nasleđa za gene, u javnosti je ocenjeno kako je Morgan doprineo da se biologija transformiše u eksperimentalnu nauku.

Među čestim modelnim mikroorganizmima su na primer bakterija Escherichia coli koja je deo mikrobioma ljudi i mnogih drugih bića, kao i pekarski kvasac, Saccharomices cerevisiae, koji se obilato koristi za istraživanje oštećenja i popravke DNK. Prva biljka čiji je genom sekvenciran i na kojoj se sprovode brojna istraživanja je Arabidopsis thaliana. Dugo se smatralo da ova neugledna jednogodišnja cvetnica koja nastanjuje više kontinenata ima najmanji genom među biljkama skrivenosemenicama, ali se ispostavilo da postoje i one sa manjim genomom, kao što su neke biljke mesožderke.

ŽIVOT U ŠEĆERU I SMOLI

foto: sanjay acharya / wikimedia commons

Vinska mušica je veoma mala, svega oko dva i po milimetra, i živi kratko. Ugodno joj je na sobnoj temperaturi i ishrana joj je prilično jednostavna. U prirodi vinske mušice najčešće vidimo u blizini prezrelog voća i fermentiranih pića, pa je njihove potrebe jednostavno i jeftino zadovoljiti i u laboratoriji. Od nastanka jajašca pa do uginuća protekne tek 50 dana. Za to vreme donosi na svet oko 2000 potomaka.

Tako prost insekt istovremeno vrši i mnoge kompleksne funkcije. Kako objašnjavaju istraživači sa Prinstona koji su učestvovali u ovom istraživanju, u tom sićušnom telu dešavaju se neke od jednostavnih radnji kao što je brzo kretanje, navigacija, traženje hrane, izbegavanje predatora, reagovanje na svetlo i tamu, ali i neke veoma kompleksne poput komunikacije sa romantičnim partnerima, jer je dobro poznato da mužjaci u ljubavnom žaru pevaju ženkama.

Kako bi mapirali mozak vinske mušice, istraživači su joj uklonili golim okom jedva vidljiv mozak i uronili ga u smolu gde se on stvrdnuo. Taj komadić smole isekli su na 7050 mikroskopski tankih delova, slajsova. Svaki od njih fotografisali su kroz mikroskop izuzetno visoke rezolucije. Onda su taj process ponovili više od hiljadu puta i dobili oko 21 milion slika. Globalni tim koji čini 287 pojedinaca iz 76 laboratorija, a koji su predvodili istraživači sa Univerziteta Prinston, Univerziteta Vermont i Univerziteta u Kembridžu, bacio se na posao pregledanja tih slika. Oni su tokom jedne decenije radili na identifikaciji svakog posebnog neurona i svake sinaptičke veze.

Kao rezultat, otkrili su da vinska mušica ima ukupno 139.255 neurona koji su svrstani u 8.453 tipa. Svaki tip neurona su opisali i imenovali. Otkrili su i oko 50 miliona hemijskih sinapsi, a zatim su prikazali kako su svi delovi mozga umreženi i povezani – kako rade zajedno na procesuiranju signala koji se pretvaraju u akcije. Tako je uz pomoć superračunara stvorena jedna kompleksna, fascinantna, trodimenzionalna mapa miliona sinaptičkih veza i izgrađen je kompjuterski model koji će se koristiti za dalja istraživanja.

“Ono što smo napravili je, na mnogo načina, atlas”, rekao je Sven Dorkenvald, prvi autor rada o mapiranju mozga muve. “Baš kao što ne biste želeli da se vozite do novog mesta bez Gugl mapa, ne želite da istražujete mozak bez mape. Mi smo napravili atlas mozga i dodali napomene za sva preduzeća, zgrade, nazive ulica. Istraživači su sada opremljeni da promišljeno upravljaju mozgom dok pokušavamo da ga razumemo.”

U prvi mah, rezultat ovog podviga je samo ta mapa, ali zapravo, ona je tek početna tačka iz koje će sada, očekujemo – uz mnogo manje truda – slediti brojna važna otkrića koja govore ne samo o vinskoj mušici nego potencijalno i o čoveku i njegovom mozgu. “Svaki mozak koji zaista razumemo govori nam nešto o svim mozgovima”, objašnjava Sebastijan Seung, profesor neuronauke i računarskih nauka sa Prinstona, predočavajući kako sa dijagramom umreženja imamo potencijal za “neviđeno, detaljno i duboko razumevanje”.

No, mozak čoveka je još beskonačno kompleksniji – imamo milijarde neurona (ko zna koliko tipova!) i trilione sinapsi, što ga čini najkompleksnijom neuronskom mrežom koja postoji. Tek će potpuno razumevanje načina na koji se neuroni povezuju pomoći da osvetlimo crnu kutiju i pronađemo odgovore na neka od najzagonetnijih pitanja današnjice.

Obavezno testiranje

Tridesetih godina 20. veka, za lečenje streptokoka lekari su masovno prepisivali lek sulfanilamid u obliku tableta i praha. U leto 1937. godine, velikoj farmaceutskoj kući “Masengil” iz Bristola (Tenesi, SAD), koja je u to vreme zapošljavala oko 200 ljudi, prijavljeno je da postoji tražnja za istim lekom u obliku sirupa. Glavni hemičar i farmaceut u ovoj kompaniji, Harold Kol Votkins, malo je eksperimentisao i došao do zaključka da se sulfanilamid lepo rastvara u dietilen glikolu. Ovo organsko jedinjenje nema miris, bezbojno je i slatkastog je ukusa. Jedino što Votkins nije znao da je uz to i vrlo otrovno.

Rastvorio je sulfanilamid u dietilenu i dodao malo ukusa maline – što se obično radi kada se prave lekovi za decu. U kontrolnoj laboratoriji isproban je ukus, miris i izgled i potvrđeno da je smeša dobra. Nazvali su je “eliksir sulfanilamid” i sipali u 633 bočice koje su u septembru 1937. poslali u apoteke iz različitih delova Sjedinjenih Američkih Država.

Već u oktobru te godine stigle su prve informacije da je ovaj “eliksir” izazvao smrt nekoliko ljudi. U narednom periodu najmanje 100 ljudi umrlo je usled trovanja “lekom”.

Vlasnik farmaceutske kuće “Masengil” Semjuel Masengil poricao je da je kompanija odgovorna, a hemičar Votkins je, čekajući suđenje, izvršio samoubistvo. Kompanija je kažnjena simboličnom kaznom i to sa obrazloženjem da je zabranjeno proizvod nazivati eliksirom ukoliko u njemu nema alkohola.

Međutim, usled velikog pritiska javnosti, Kongres je sledeće godine doneo Akt o hrani, lekovima i kozmetici kojim je obavezao kompanije da sve svoje proizvode testiraju na životinjama i da rezultate predaju Administraciji za hranu i lekove (FDA) kako bi dobili dozvolu za proizvodnju. U međuvremenu je ova regulativa značajno unapređena, ali testiranje lekova na životinjama i danas je deo procesa testiranja svakog leka.