Szczur na bieżni

Doc. Urszula Sławińska i doc. Stefan Kasicki zaczęli współpracę przed około dwudziestu laty.

Zdarzają się wypadki i choroby, które powodują uszkodzenie mięśni, a co za tym idzie, zaburzenia możliwości wykonywania ruchu. Czy można przywrócić sprawność komuś, kto w taki sposób ją utracił? Jednym ze sposobów może być przeszczep zdrowego mięśnia w miejsce niesprawnego, np. przełożenie mięśnia prostownika w miejsce zginacza. Ale czy mięsień pełniący wcześniej inne funkcje jest w stanie nauczyć się wykonywania nowej?

Pierwsze badania funkcjonalnej plastyczności mięśnia po przełożeniu przeprowadził amerykański uczony R.W. Sperry w latach czterdziestych. Były to doświadczenia na dorosłych szczurach. Wyniki okazały się niejednoznaczne: raz obserwowano częściowe zmiany w działaniu tych mięśni, innym razem tych zmian nie dostrzegano. Przełożony mięsień pracował, jakby nie „zauważył” swojej nowej lokalizacji, co powinno wiązać się z modyfikacją wzorca aktywności. Ze swych badań Sperry wyciągnął wniosek, że u zwierząt nie ma funkcjonalnej zmiany mięśnia po jego przeszczepie. Od tamtej pory zastanawiano się, dlaczego tak jest, gdyż człowiek potrafi nauczyć się używania mięśnia po przełożeniu go w nowe miejsce. Choć i tu są pewne komplikacje.

Szczurza mikrochirurgia

Problemem tym zajęli się uczeni z Instytutu Biologii Doświadczalnej PAN im. M. Nenckiego: doc. Urszula Sławińska i doc. Stefan Kasicki. Oboje są absolwentami Wydziału Fizyki UW, Kasicki - biofizyki, Sławińska - fizyki medycznej. Zaczęli współpracę przed około dwudziestu laty. Wciągnęły ich badania, w których, z jednej strony, mieli swobodnie poruszające się zwierzę, z drugiej - konkretne zjawisko: biopotencjały mięśni (EMG) opisujące ruchy kończyn. Dzięki EMG naukowcy mogą ustalić, jakie są mechanizmy sterowania aktywnością mięśni. Analiza tych biopotencjałów pozwala badać procesy plastyczności funkcjonalnej mięśni.

W podejściu naukowców z Instytutu Nenckiego do problemu były dwie zasadnicze różnice w porównaniu z podejściem Sperry'ego. Po pierwsze, badania przeprowadzili na zwierzętach młodych, u których występują zmiany plastyczne. Po drugie, mięsień był przenoszony z zachowanym unerwieniem.

Nasi uczeni tłumaczą, że układ nerwowy i mięśniowy młodych zwierząt jest bardzo wrażliwy na to, co się z nim dzieje. W związku z tym większe są u nich możliwości zmian kompensacyjnych w porównaniu ze starszymi osobnikami i łatwiej im zaadaptować się do zmienionych warunków funkcjonalnych.

Sperry uważał, że gdy usunie niemal wszystkie mięśnie poza przeniesionym, to zmusi układ do zmiany działania. Tymczasem, jeżeli mocno zaburzy się system przez usunięcie innych mięśni, to potok informacji do rdzenia kręgowego jest dużo mniejszy i wykonanie czynności wcale nie jest prostsze.

W związku z nowym założeniem, doświadczenia trzeba przeprowadzać na bardzo młodych zwierzętach. Ale jak operować sześciodniowego szczura? Nawet jeden z recenzentów pracy stwierdził, że ze względu na rozmiary jest to niemożliwe. Ale uznał wyniki badań.

- To nie jest niemożliwe - zapewnia skromnie doc. Sławińska. - To kwestia mikroskopu, narzędzi, wprawnych rąk i cierpliwości. Mięsień ten u małego szczura ma długość około 8 mm. Na podobnych rozmiarami mięśniach w ludzkim oku też są przeprowadzane zabiegi chirurgiczne.

Zwierzę chce być funkcjonalnie sprawne i chętniej uczestniczy w ćwiczeniach

Przeszczep polega na wycięciu mięśnia i przełożeniu go w pozycję antagonistyczną, w warunki niezgodne z jego przeznaczeniem. Mięsień prostownik ma zmienić swoją funkcję i po przełożeniu stać się zginaczem. Za ruch w stawie odpowiada nie jeden, ale grupa mięśni, dlatego miejsce, z którego usunięto jeden z nich, nie wymaga uzupełnienia. Ten deficyt „na oko” jest niezauważalny. Dopiero zapis EMG pozwala zobaczyć, czy są jakieś różnice przy wykonywaniu ruchu. Dodatkowym czynnikiem, który wpłynął na powodzenie doświadczeń, było zwrócenie szczególnej uwagi, by nie uszkodzić nerwów dochodzących do mięśnia. Łapiąc za ścięgna można go było przesunąć o 2 mm do przodu i wstawić w miejsce drugiego, który był usuwany. Ingerencja polegała na przecięciu ścięgien własnych mięśnia i przyszyciu go do innych, z drugiej strony stawu.

Mięsień początkowo działa tak, jak wcześniej i nie wykonuje nowych funkcji. Dopiero gdy zwierzę zaczyna chodzić, wyucza się ich. To przyuczenie nie jest całkowite, a stara aktywność jest ciągle obecna. Pojawia się tylko nowa, związana ze zginaniem danego stawu. Było to możliwe dlatego, że cały system nerwowo-mięśniowy był poza tym nietknięty, ale wiązało się też z zachowaniem wcześniejszej aktywności, której nie można „wyciszyć”.

Szczury i ludzie

Wiek szczurów, na których prowadzono badania, był zasadniczym czynnikiem mającym wpływ na powodzenie. W doświadczeniach na dorosłych zwierzętach zauważono, że choć uczą się one używać mięśnia w nowej pozycji i są w stanie poprawnie korzystać z niego przez jakiś czas, w pewnym momencie ta aktywność zanika. Dokładnie nie wiadomo, dlaczego tak się dzieje. Być może dochodzą do głosu stare połączenia.

Podobnie jest u ludzi. W początkowej fazie po przeszczepie pacjent bardzo intensywnie pracuje nad tym, żeby wykorzystać przełożony mięsień do nowej funkcji. Tworzą się nowe połączenia w układzie nerwowym. Ale później, gdy zaangażowanie pacjenta jest mniejsze, większą rolę zaczynają odgrywać stare połączenia, a nowe, niedostatecznie silnie ukształtowane, zanikają. Z tego może wynikać, że funkcjonowanie układu jest genetycznie narzucane w trakcie rozwoju i tego przeznaczenia właściwie nie można zmienić. Zdaje się, że u młodych zwierząt wyuczenie nowej aktywności mięśnia jest o wiele trwalsze. Dzieci przecież łatwiej uczą się języków czy gry na fortepianie niż dorośli. Jest u nich więcej możliwości tworzenia się nowych połączeń nerwowych. Później już tylko można doskonalić nabyte umiejętności. U dorosłych ludzi nie tworzy się już tyle nowych połączeń, bo to wiązałoby się z zanikaniem starych, a w związku z tym - oduczaniem się wykonywania pewnych czynności. A przecież, gdy raz nauczyliśmy się jeździć na rowerze, nie musimy uczyć się za każdym razem od nowa. Pewne elementy w okresie rozwoju zostały utworzone, a potem się stabilizują. To sprawia, że układ wykonuje swoją funkcję i nie jest łatwo go z tej czynności wytrącić. Dzięki temu wyższe ośrodki układu nerwowego nie muszą zajmować się detaliczną kontrolą ruchu. Kiedy idziemy, nie zastanawiamy się, jak stawiamy nogi. W momencie, gdy się potykamy, włączają się dodatkowe odruchy: krok się poprawia, wydłuża, podnosimy wyżej nogi. To wszystko dzieje się na poziomie rdzenia i niższych struktur mózgowych, które kontrolują stereotypowe ruchy.

W przypadku przeszczepów u małp lub człowieka istnieje większa możliwość uzyskania pewnych zmian. Wynika to z większego udziału kory mózgowej przy sterowaniu ruchami kończyn. Opisywane doświadczenia były przeprowadzane na tylnej łapce szczura, której ruchy są kontrolowane głównie przez rdzeń kręgowy. Szczur jest na niższym poziomie rozwoju, w związku z czym połączenia z kory są uboższe. Tymczasem struktury korowe u ludzi odgrywają bardzo dużą rolę w kierowaniu czynnościami manualnymi. Takiej kontroli u szczurów nie ma, zwłaszcza w kończynach tylnych. Stąd różnice w podobnych doświadczeniach u ludzi i u szczurów. Okazuje się, że człowiek, ćwicząc bardzo intensywnie, może przebudować aktywność przełożonego mięśnia, używając struktur mózgowych przodomózgowia (kory). U szczura jest to niemożliwe. Przebudowa miała odbyć się na zasadzie wywołania automatycznych zmian. Chciano zbadać, jak automatyczny układ, który jest obecny w rdzeniu kręgowym i steruje naprzemiennymi ruchami kończyn, jest czuły na przełożenie mięśnia. Czy można otrzymać modyfikację czynności takiego mięśnia bez angażowania struktur nadrdzeniowych?

Badania wciąż trwają

U ludzi operacje przeszczepów przeprowadza się wtedy, kiedy to konieczne - gdy część zginaczy jest uszkodzona po wypadku albo w wyniku zmian patologicznych. Wtedy jedyną szansą jest przełożenie jednego mięśnia spośród zdrowych i uczenie pacjenta wykorzystywania go w nowej pozycji. Odpowiednia stymulacja poprzez trening jest w stanie odbudować zepsutą sieć połączeń. Ten trening wymaga jednak bardzo dużego zaangażowania ze strony pacjentów i wielu godzin intensywnej pracy. Łatwiej się poruszać na wózku niż zrobić samodzielnie kilka kroków. Niestety, pacjenci często łatwiej pogodzą się z tym, że są niepełnosprawni, niż zechcą spędzić na intensywnych ćwiczeniach tyle czasu, by potem zrobić samodzielnie trzy, cztery kroki. Od zwierząt możemy się więcej nauczyć o możliwościach kompensacji po uszkodzeniu. Zwierzę chce być funkcjonalnie sprawne i chętniej uczestniczy w ćwiczeniach. - Człowiek bardzo szybko przyzwyczaja się do cywilizacyjnych udogodnień. Zapomina, że trening ruchowy to nie tylko większa sprawność, lecz także lepsza przemiana materii, lepsze funkcjonowanie układów krwionośnego, pokarmowego - tłumaczą Urszula Sławińska i Stefan Kasicki.

A jednak trening musi być zachowany na optymalnym poziomie. Kiedy w badaniach na dorosłych szczurach próbowano wyciszyć starą aktywność mięśnia, wprowadzano dodatkowe ćwiczenia ruchowe. Wydawało się, że zwiększenie przepływu informacji między mięśniem a rdzeniem kręgowym może pomóc w tworzeniu poprawnego wzorca działania w nowym miejscu. Ale to przypuszczenie się nie potwierdziło.

- Celem naszych badań jest opracowanie metod, które będą wspomagały restytucję funkcji po różnego rodzaju uszkodzeniach - tłumaczy doc. Sławińska. - Jeżeli to są uszkodzenia rdzenia kręgowego, próbujemy go stymulować przez trening na bieżni albo podając pewne substancje lub komórki, które będą wspomagały jego pracę.

Przykładem takich badań są doświadczenia, w których próbuje się zapobiegać skutkom zmiażdżenia nerwu. Na przykład zmiażdżenie nerwu kulszowego u noworodków szczurów powoduje obumieranie pewnej grupy neuronów unerwiających mięśnie. Sposobem na powstrzymanie tego procesu jest zablokowanie układu glutaminergicznego. W leczeniu klinicznym stosuje się do tego środki farmakologiczne, takie jak MK 801 i Riluzol. Jednak niektóre z nich u szczurów mogą powodować duże efekty uboczne. Potrzebne jest opracowanie mniej traumatycznych metod, które będą pomagały chronić organizm przed śmiercią neuronów i atrofią mięśni.

- To, co robiliśmy, było szukaniem - mówi doc. Kasicki. - Najpierw trzeba stwierdzić, że coś jest możliwe, że jakieś zjawisko występuje. Kwestią następnych wielu lat badań jest znalezienie mechanizmów tego zjawiska i sposobów stymulowania go. Naszymi metodami opisujemy, jakie to zjawiska. Potem dopiero można będzie stwierdzić, czy te zjawiska występują u człowieka i w jaki sposób można je będzie wykorzystać w terapii.

U zwierząt dorosłych z rozwiniętym układem nerwowo-mięśniowym nie możemy uzyskać trwałych zmian po przeszczepie, a u zwierząt młodych istnieje możliwość przeorganizowania tego układu. Dlatego dalszym krokiem w badaniach będzie dokładne poznanie tych mechanizmów rozwojowych i próba uruchomienia ich u dorosłych osobników. Może organizm będzie potrafił przypomnieć sobie i wznowić działanie tych mechanizmów z młodości? Badania trwają.