Fascynujący mózg - ebook

WSTĘP

Mało która dyscyplina z zakresu nauk biologicznych zdobyła w ostatnich latach taką popularność co neurobiologia. Badania nad mózgiem stały się modne i nowoczesne; nie ograniczają się wyłącznie do badań w laboratoriach, a ich zaskakujące wyniki coraz wyraźniej przenikają do naszego życia codziennego. Odkrycia oraz przełomy neurologiczne dotyczące ludzkiego mózgu pojawiają się zarówno w codziennej prasie, jak i w czasopismach naukowych, a my śledzimy je z ogromnym zainteresowaniem. Nie bez powodu – ostatnie wielkie sekrety ludzkiego ciała związane są właśnie z mózgiem. Pragniemy zrozumieć, jak powstają umysł i świadomość, a także w jaki sposób funkcjonują i współdziałają ze sobą nasze komórki nerwowe oraz jak kontrolują one procesy myślowe. Eksperci od badań nad mózgiem stoją zatem przed niełatwym zadaniem. Postęp w neuronauce (z ang. neuroscience) jest jednak zaskakująco szybki, przez co zdobywa ona coraz większe znaczenie. I słusznie, bo jest naprawdę fascynująca.

Ludzie od dawna interesują się układem nerwowym i mózgiem. Od czasów antycznych naukowcy badają sposób działania umysłu i próbują odkryć jego tajemnice. Jednak mimo tysięcy lat analiz narząd ten wciąż pozostaje fascynującym obiektem o zaskakujących właściwościach. W przyszłości badania nad mózgiem z pewnością przyniosą jeszcze wiele ciekawych wniosków, ponieważ jak dotąd tylko w niewielkim stopniu zrozumieliśmy jego działanie.

Mózg w sposób szczególny wyróżnia się na tle wszystkich innych części ludzkiego ciała. Zazwyczaj kształt i funkcja danego organu są ze sobą powiązane – po sercu widać, że pompuje płyn, a z kolei płat płuca ma idealną budowę do przyjmowania powietrza. Jednak w przypadku mózgu jest inaczej. Na podstawie struktury tkanki nerwowej nie jesteśmy w stanie tak łatwo stwierdzić, jak on funkcjonuje. Ten ważący półtora kilograma narząd, który ma wyrażać wszelkie aspekty ludzkiego umysłu – od mowy i wspomnień po uczucia oraz myśli, tworzy gęsto ułożona sieć komórek i włókien nerwowych. To, jakie dokładnie zachodzą tu procesy, pozostaje zagadką po dziś dzień i stanowi ogromne wyzwanie dla współczesnej neuronauki. Jedno wiemy na pewno – klucz do działania mózgu tkwi również w jego strukturze. Tylko nie jest to tak oczywiste jak w przypadku innych narządów.

Kto chce zrozumieć, jak pracuje mózg, musi poznać jego budowę. Na szczęście jest to niesamowicie ciekawe i inspirujące zadanie. Od dawna badania nad mózgiem przynoszą nie tylko wiele wartościowych wniosków naukowych, lecz stanowią także zajęcie interesujące wizualnie. Struktura układu nerwowego fascynowała już pierwszych anatomów, gdyż trudno o inny organ, który byłby zorganizowany w tak złożony i iście pedantyczny sposób. Włókna nerwowe są obecne we wszystkich partiach ciała, tworzą struktury o niesamowitej architekturze i posiadają fascynującą anatomię. Na pierwszy rzut oka tkanka nerwowa może sprawiać wrażenie chaotycznej. Jednak im bliżej się jej przyjrzymy, tym piękniej wygląda. Zwłaszcza w ostatnich latach nowoczesne techniki laboratoryjne umożliwiły spojrzenie na nasz układ nerwowy z zupełnie nowej perspektywy, tym samym znacznie przyczyniając się do fascynacji neuronauką.

Obecnie możliwe jest obrazowanie anatomii mózgu w innowacyjny i spektakularny sposób. Możemy chociażby przyjrzeć się strukturom mózgowym w trzech wymiarach, skupiając się na przebiegu procesów myślowych. Nowoczesne techniki analityczne pozwalają nawet na oznaczanie poszczególnych komórek nerwowych różnymi kolorami i szczegółowe analizowanie sieci nerwów. Oprócz wspierania rozwoju nauki, takie metody mają jeszcze jedną zaletę, której nie sposób przecenić – pozwalają na uzyskiwanie fascynujących obrazów. Mamy więc nadzieję, że uda nam się zaciekawić tą dyscypliną nie tylko młodych naukowców, lecz także innych czytelników interesujących się mózgiem.

Niniejsza książka ma na celu ukazanie, jak fascynująca jest neurobiologia. Pokazanie, w jaki sposób wspaniała architektura komórek nerwowych tworzy anatomię mózgu. Przedstawienie procesów zachodzących w układzie nerwowym. A tym samym – przyczynienie się do lepszego zrozumienia mózgu i układu nerwowego.

Publikacja ta nie jest pomyślana jako podręcznik przeznaczony wyłącznie dla ekspertów z zakresu biologii. Chcemy zainspirować i zaprosić wszystkich czytelników w fascynującą podróż po świecie obrazów neurobiologicznych, a także wzbudzić u nich zainteresowanie tą dyscypliną. W krótkich rozdziałach skupimy się dlatego na omówieniu najciekawszych aspektów układu nerwowego, ilustrowanych poglądowymi rysunkami i zdjęciami. Na początku poświęcimy uwagę dużym strukturom, aby następnie – krok po kroku – coraz bardziej zagłębić się w świat komórek nerwowych. Jak już wspomnieliśmy, klucz do zrozumienia ludzkiego mózgu tkwi między innymi w jego budowie. Kto zna biologiczne oraz strukturalne podstawy układu nerwowego, ten może lepiej zrozumieć, jak przebiegają procesy myślowe i działania w naszym mózgu.

Wciąż nie udało się ostatecznie wyjaśnić działania mózgu ani stworzyć jego naukowego opisu. Nie musimy jednak rozumieć wszystkiego w pełni, aby uważać coś za fascynujące. Tak właśnie jest w przypadku mózgu. Jego prawdziwe piękno można dostrzec dopiero wtedy, gdy przyjrzymy się mu dokładnie.

1
UKŁAD NERWOWY

Układ nerwowy jest z pewnością najbardziej złożonym i najmniej oczywistym układem biologicznym w ludzkim ciele. Tworzą go miliardy komórek nerwowych oraz setki tysięcy kilometrów włókien nerwowych powiązanych ze sobą w skomplikowane struktury, wpisujące się w niemal nieprzeniknioną architekturę.

Układ nerwowy wyróżnia już sam jego zasięg – tak jak układ krwionośny i układ limfatyczny, obejmuje on całe ciało człowieka. Wchodzące w jego skład komórki nerwowe tworzą jednolitą sieć bez jakichkolwiek luk czy przerw. W zależności od umiejscowienia w organizmie, układ nerwowy wykonuje różnorodne zadania, takie jak np. uwalnianie hormonów, kontrola bicia serca i temperatury ciała lub ruchów mięśni oraz odczuwanie bólu, a także kształtowanie uczuć.

W układach biologicznych różne funkcje znajdują zazwyczaj odzwierciedlenie w rozmaitych strukturach – tak samo jest w przypadku układu nerwowego. Na zdjęciu po lewej widać istotne przejście pomiędzy ośrodkowym a obwodowym układem nerwowym. Fragment w środku (który wygląda trochę jak sucharek) to przekrój rdzenia kręgowego. Włókna nerwowe mózgu przechodzą przez ten obszar w drodze do swoich organów docelowych. Z kolei włókna odpowiedzialne za zmysły przechodzą od różnych partii ciała do rdzenia kręgowego. Widoczne tu dwa boczne zgrubienia to tzw. zwoje nerwowe, stanowiące przełącznik między nerwami ośrodkowymi i obwodowymi. Na zielono są zaznaczone komórki nerwowe, na czerwono – komórki pomocnicze, tworzące strukturę na kształt rusztowania. Jądra komórkowe wybarwiono na niebiesko.

W niniejszym rozdziale przedstawimy zasadniczą budowę układu nerwowego. W kolejnych bardziej szczegółowo przyjrzymy się jego anatomii.Podział układu nerwowego
Porządek w sieci połączeń

Układ nerwowy można podzielić na podstawie jego anatomii. Strukturalnie możliwe jest wyróżnienie dwóch obszarów: ośrodkowego układu nerwowego (OUN) i obwodowego układu nerwowego.

Ośrodkowy układ nerwowy składa się z mózgu (↓) i rdzenia kręgowego (↓). Tych obu elementów nie należy jednak postrzegać osobno, lecz raczej jako jeden układ, ponieważ pień mózgu (↓) łączy ze sobą kresomózgowie i rdzeń kręgowy. W ośrodkowym układzie nerwowym koordynowane są ważne procesy myślowe i działania, dlatego posiada on ochronę zewnętrzną pod postacią czaszki oraz kręgosłupa. Opony mózgowo-rdzeniowe osłaniają tkanki nerwowe, otoczone dodatkowo płynem mózgowo-rdzeniowym (↓). W ten sposób ośrodkowy układ nerwowy nieustannie „pływa” w cieczy amortyzującej, która działa niczym poduszka, chroniąc go przed wstrząsami.

Z kolei obwodowy układ nerwowy odważnie wysuwa się na pierwszy front. Jego włókna nerwowe przenikają do każdego obszaru ciała. W ten sposób obwodowy układ nerwowy odbiera informacje dotyczące zmysłów i przekazuje je przez włókna czuciowe do ośrodkowego układu nerwowego. Tymczasem impulsy ruchowe z ośrodkowego układu nerwowego są przekazywane przez nerwy ruchowe obwodowego układu nerwowego do narządów docelowych, np. do naszych mięśni. Dlatego też wśród włókien nerwowych wyróżniamy aferentne włókna nerwowe, przekazujące informacje do ośrodkowego układu nerwowego, oraz eferentne włókna nerwowe, które dostarczają informacje do skrajnych partii ciała.

Przejście pomiędzy ośrodkowym a obwodowym układem nerwowym znajduje się w rdzeniu kręgowym. To tutaj włókna nerwowe ośrodkowego układu nerwowego opuszczają rdzeń kręgowy jako nerwy obwodowe (↓). Strukturalny podział na ośrodkowy i obwodowy układ nerwowy może wydawać się dość sztywny. W praktyce tworzą one jeden układ nerwowy i wspólnie zapewniają jego funkcjonowanie.

Już na tym etapie widać, że w układzie nerwowym można łatwo się pogubić. Aby ułatwić sobie orientację, anatomowie zdefiniowali pojęcia dotyczące kierunków. Pomagają one np. poprawnie opisać szczegółowe zdjęcia. Układ nerwowy kręgowców ma trzy osie: grzbietowo-brzuszną (dorsalis-ventralis), przednio-tylną (anterior-posterior) i przyśrodkowo--boczną (medialis--lateralis). Choć wydaje się to skomplikowane, pojęcia te można bardzo łatwo wyjaśnić. Dorsalis (łac.) lub superior oznacza „nad głową” lub „od strony pleców/grzbietu”, a ventralis opisuje stronę w kierunku klatki piersiowej. Anterior oznacza stronę, po której znajduje się nos, a posterior – stronę potylicy. Medialis oznacza kierunek w stronę środkowej linii ciała, a lateralis – kierunek od środkowej linii ciała. No cóż, może jednak nie jest to wcale takie proste, ale bez obaw – nie wymagamy od naszych czytelników biegłej znajomości łaciny, a wszystkie ilustracje bardzo dokładnie objaśniamy. Jednocześnie przepraszamy już teraz za to, że pierwsi anatomowie opisali mózg, posługując się rzadko dzisiaj używanymi pojęciami łacińskimi i greckimi. Kto by sto lat temu przypuszczał, że łacina będzie coraz bardziej wychodziła z użycia?

Układ nerwowy dzieli się na część ośrodkową (kolor pomarańczowy) i obwodową (kolor zielony). W rdzeniu kręgowym znajduje się przejście pomiędzy oboma układami.

Ośrodkowy układ nerwowy obejmuje mózg i rdzeń kręgowy. Rdzeń kręgowy pełni funcję „centralnego kabla przesyłowego”, który zaopatruje ciało we włókna nerwowe. Pod wieloma względami może być więc postrzegany jako „rozszerzenie mózgu”.

Dla lepszej orientacji w układzie nerwowym anatomowie stosują dokładnie zdefiniowane opisy kierunków.Somatyczny i wegetatywny układ nerwowy
Jak świadomość kontroluje nieświadomość

Oprócz anatomicznego podziału układu nerwowego możliwy jest niekiedy również podział ze względu na funkcję, ponieważ nie wszystkie jego obszary spełniają te same zadania. Większość z nich wyspecjalizowała się w zakresie konkretnych procesów zachodzących w ciele.

Niemal wszystko, co świadomie przeżywamy lub na co mamy wpływ, jest kontrolowane przez somatyczny (cielesny) układ nerwowy. Kontroluje on mięśnie szkieletu, abyśmy mogli wykonywać ruchy zależne od woli. Kiedy dotkniemy gorącej płyty kuchennej, czujemy oparzenie i związany z nim ból, ponieważ świadome odczucia są przekazywane przez somatyczny układ nerwowy.

Oprócz tego wyróżniamy jeszcze wegetatywny (lub autonomiczny) układ nerwowy, którego obecność zauważamy rzadziej. Układ ten odpowiada za niezależne od woli działania sterujące ciałem – czyli za procesy, które odbywają się bez udziału naszej świadomości. Układ wegetatywny kontroluje np. ciśnienie krwi, procesy trawienne lub uwalnianie hormonów. Przekazuje on również informacje o stanie narządów wewnętrznych. W ten sposób wegetatywny układ nerwowy reguluje otoczenie we wnętrzu ciała (homeostaza ↓), dostosowując funkcję narządów do zmieniających się warunków.

Ten układ nerwowy kontroluje wiele procesów, więc aby nad tym wszystkim zapanować, podzielił sobie swoje zadania. Dwa „pododdziały” wegetatywnego układu nerwowego – układ współczulny i przywspółczulny (parasympatyczny) – odpowiadają za kontrolę układu narządów. Te dwa układy działają w wielu aspektach przeciwstawnie. Podczas gdy układ współczulny w przeważającej części działa aktywizująco i mobilizująco, układ przywspółczulny działa w pełnym tego słowa znaczeniu odwrotnie, redukując aktywność naszego organizmu oraz oszczędzając energię. W dużym uproszczeniu można powiedzieć, że układ współczulny nas napędza, a przywspółczulny – pozwala nam odpocząć.

Łatwo to zaobserwować na konkretnych przykładach, np. serca. Podczas gdy układ współczulny zapewnia szybsze bicie serca i wzmożony puls, układ przywspółczulny odpowiada za redukcję tych parametrów. W płucach układ współczulny rozszerza oskrzela, abyśmy w sytuacjach stresowych mogli lepiej oddychać, a układ przywspółczulny je zwęża. Dlatego śpiącym astmatykom ciężej niż za dnia oddycha się nocą, gdy bardziej aktywny jest układ przywspółczulny.

Układy współczulny i przywspółczulny różnią się od siebie także budową. Wszystkie włókna nerwowe układu współczulnego zostają „przeprogramowane”, kiedy tylko znajdą się poza rdzeniem kręgowym – w pniu współczulnym. W przypadku układu przywspółczulnego włókna nerwowe są przełączane bezpośrednio przy organie docelowym w tzw. zwojach nerwowych, czyli małych grupkach komórek nerwowych.

Współczulny i przywspółczulny układ nerwowy regulują aktywność narządów wewnętrznych. Układ współczulny pobudza ich aktywność i mobilizuje energię. Układ przywspółczulny zmniejsza aktywność organizmu i pomaga oszczędzać energię. Przełączanie włókien nerwów współczulnych następuje od razu po wyjściu z rdzenia kręgowego, natomiast przywspółczulne włókna nerwowe są przekodowywane dopiero w małych zwojach nerwowych bezpośrednio przy narządzie docelowym. Choć wydaje się, że układy współczulny i przywspółczulny działają przeciwstawnie, ich aktywność jest dopasowana względem siebie. W sytuacji stresowej aktywacji ulega zarówno układ współczulny, jak i układ przywspółczulny – ich działania zawsze znajdują się w równowadze.Enteryczny układ nerwowy
Mózg w brzuchu

Ośrodkowy i obwodowy układ nerwowy, funkcje somatyczne oraz wegetatywne – to wszystko brzmi dosyć jasno. Choćbyśmy starali się bardzo wyraźnie oddzielić od siebie poszczególne elementy układu nerwowego, to w ciele człowieka nieustannie się one przeplatają. Świetnie to widać na przykładzie jelitowego układu nerwowego, czyli enterycznego układu nerwowego (z gr. enteron – jelito), który praktycznie niezauważalnie wykonuje swoją pracę w jamie brzusznej, za co zbyt mało się go docenia.

Zazwyczaj zaopatrzenie nerwowe narządów wewnętrznych przebiega według ustalonego schematu. Obwodowy układ nerwowy tworzy w danej lokalizacji grupki nerwów, czyli zwoje. Włókna nerwowe, które wychodzą ze zwojów, budują w ten sposób gęstą siatkę nerwową (splot), otaczającą narząd docelowy. Taki splot jest w pewnym sensie „układem sterującym” danego organu. Poprzez modyfikację jego czynności współczulny i przywspółczulny układ nerwowy mogą kontrolować funkcje danego organu.

W przypadku jelit taki „lokalny układ nerwowy” ma jednak inną budowę. Siatka nerwowa naszych narządów trawiennych jest nadzwyczaj złożona i mieści się bardzo blisko tkanek żołądkowej oraz jelitowej. Liczba obecnych tu komórek nerwowych wynosi ok. 100 milionów, co odpowiada mniej więcej liczbie komórek nerwowych w rdzeniu kręgowym. Tak jak każdy inny splot nerwowy, enteryczny układ nerwowy może być również sterowany przez współczulny i przywspółczulny układ nerwowy. Poza tym wykonuje on zupełnie samodzielne funkcje, wymykając się spod kontroli obwodowego układu nerwowego. Z tego powodu enteryczny układ nerwowy jest również często nazywany „trzecim układem nerwowym” ciała (poza ośrodkowym i obwodowym układem nerwowym).

Enteryczny układ nerwowy tworzy dwa główne sploty nerwowe, za pomocą których oplata nasze narządy trawienne: splot Auerbacha i splot Meissnera. Poprzez te połączenia nerwowe kontroluje aktywność jelita i przesyła informacje dotyczące stanu naszych narządów trawiennych bezpośrednio do mózgu. W ten sposób możemy świadomie postrzegać, co dzieje się w naszym brzuchu.

Włókna nerwowe tworzą gęsty splot, za pomocą którego oplatają wnętrzności. W ten sposób nadzorują ruchy jelita lub regulują uwalnianie substancji przekaźnikowych i hormonów. Sygnały z enterycznego układu nerwowego mogą być przewodzone do ośrodkowego układu nerwowego. Dzięki temu żołądek może też wpływać na nasz mózg. Na zdjęciu zaznaczono kolorem zielonym włókna nerwowe u kury, które oplatają odcinek jelita.

dr Alan Burns, Instytut Zdrowia Dziecka UCL (oryg. UCL Institute of Child Health), Londyn, Zjednoczone Królestwo

Funkcje enterycznego układu nerwowego w rzeczywistości obejmują wszelkie rodzaje kontroli naszych narządów trawiennych. Za pomocą wrażliwych elementów rozpoznaje on stan układu pokarmowego, rejestruje bóle brzucha, ruchy jelit i uczucie pełności, pozwalając nam je świadomie zauważyć. Enteryczny układ nerwowy jest bezpośrednio połączony z mózgiem, dzięki czemu może nam przekazywać informacje dotyczące stanu naszego organizmu.

Enteryczny układ nerwowy aktywnie koordynuje płynny przebieg naszych procesów trawiennych, a w szczególności kieruje ruchami jelitowymi (perystaltyką) i wydzielaniem soków trawiennych (np. z trzustki lub pęcherzyka żółciowego). Poza tym układ ten kontroluje ukrwienie układu trawiennego i wpływa na aktywność komórek układu odpornościowego w tkankach jelitowych.

Naomi Tjaden i Paul Trainor, Instytut Badań Medycznych Stowers (oryg. Stowers Institute for Medical Research), Kansas City, Stany Zjednoczone

Enteryczny układ nerwowy współpracuje oczywiście ze współczulnym i z przywspółczulnym układem nerwowym. W ten sposób wegetatywny układ nerwowy może również wpływać na funkcjonowanie jelit. Jednak w przeciwieństwie do innych splotów nerwowych naszych narządów, enteryczny układ nerwowy nie jest „organem wykonawczym” współczulnego i przywspółczulnego układu nerwowego. W wielu obszarach jest on samodzielny – niczym mały „mózg jelita”.Mózg
Centrum dowodzenia

Zanim przejdziemy do opisu szczegółowej anatomii mózgu, warto w tym miejscu omówić jego budowę ogólną (zob. ilustrację po prawej). W końcu to mózg stanowi najważniejszy element układu nerwowego, przez co jest tak bardzo złożony i „tajemniczy”.

Możemy przyglądać się mózgowi z różnych perspektyw: strukturalnej, funkcjonalnej lub związanej z jego rozwojem na przestrzeni lat. Z reguły przeważa jednak podejście anatomiczne, w ramach którego obszary mózgu są wyodrębniane na podstawie ich struktury. Jak jeszcze będziemy mieli okazję zaobserwować, niektóre regiony mózgu „zazębiają się” pod kątem pełnionej przez siebie funkcji i dzielą się wykonywanymi zadaniami.

Zacznijmy od obszaru, w którym mózg przechodzi w rdzeń kręgowy. Tam, gdzie kończy się mózg, zaczyna się rdzeń przedłużony (łac. medulla oblongata). W tym miejscu znajdują się ważne włókna, które zostają ze sobą zgrupowane przed przejściem do rdzenia kręgowego, oraz mieści się tu ok. 100 gęsto ułożonych jąder nerwowych, tworzących niewielki układ siatkowaty (łac. formatio reticularis). Struktura ta wpływa na regulację snu (↓) oraz uwagi, ma także udział w różnych odruchach związanych z oddychaniem i układem krążenia.

W kierunku głowy od rdzenia przedłużonego znajduje się most (łac. pons). Na tym zgrubiałym obszarze również mieści się dużo włókien nerwowych i zbiorowisk komórek nerwowych, które łączą tu kresomózgowie z móżdżkiem. Jak sama nazwa mówi, most tworzy pomost między tymi dwoma obszarami mózgowia.

Nieco dalej w kierunku kresomózgowia znajduje się śródmózgowie (gr. mesencephalon). Jakkolwiek podniośle brzmi to określenie, ta część mózgowia jest jedynie ośrodkiem integracji bodźców akustycznych i optycznych. Mieści się tutaj jednak ciekawy obszar mózgowia, różniący się od pozostałych tkanek czarnym kolorem – jest to substantia nigra, czyli istota czarna. Jej komórki nerwowe odgrywają ważną rolę przy sterowaniu ruchami. Rdzeń przedłużony, most i śródmózgowie są często razem określane jako pień mózgu (↓).

W stronę szyi od pnia mózgu znajduje się móżdżek (↓) (łac. cerebellum), który potrafi znacznie więcej niż pozwala przypuszczać jego zdrobniała nazwa. Jest on ekstremalnie pomarszczony i pobrużdżony oraz nieodzowny przy kontroli ruchów. Poprzez liczne połączenia komunikuje się zarówno z kresomózgowiem, jak i z rdzeniem mózgowym oraz nieustannie porównuje impulsy ruchowe z położeniem naszych kończyn.

Między śródmózgowiem a kresomózgowiem znajduje się międzymózgowie (gr. diencephalon). Jego najważniejsze regiony to wzgórze (łac. thalamus) i podwzgórze (łac. hypothalamus). Podczas gdy wzgórze kontroluje, które informacje zmysłowe są przetwarzane w sposób świadomy, podwzgórze zarządza licznymi nieświadomymi funkcjami ciała (np. ciśnieniem krwi i temperaturą), a także reguluje gospodarkę hormonalną.

Nad tym wszystkim króluje kresomózgowie (gr. telencephalon). Głęboka bruzda dzieli je na dwie połowy, czyli półkule (gr. hemisphairion = półkula), połączone grubą wiązką włókien nerwowych – ciałem modzelowatym. Kora kresomózgowia jest mocno pomarszczona i składa się z ciał komórek nerwowych, które doprowadzają swoje włókna do jego wnętrza.

Mózg jest otoczony płynną wyściółką, czyli płynem mózgowo-rdzeniowym (↓). Płyn ten nie tylko otacza cały mózg, lecz także przenika przez system kanałów – cztery komory mózgu – nawet do jego wnętrza.

Mózg można podzielić na różne struktury anatomiczne, które odpowiadają za rozmaite zadania.

Nauka zajmuje się badaniem nie tylko ludzkich mózgów. Na ilustracji widzimy przekrój poprzeczny mózgu myszy z wybarwionymi na fioletowo jądrami komórek nerwowych. Jeśli uważnie się przyjrzymy, w górnym obszarze zauważymy dwa ciemnoniebieskie, przypominające wstążki sploty z gęsto ułożonych jąder komórkowych – jest to hipokamp (↓), który odgrywa kluczową rolę podczas procesów uczenia się.

Christopher Meyer zu Reckendorf i Bernd Knoll, Instytut Chemii Fizjologicznej, Uniwersytet w Ulm (oryg. Universität Ulm), Niemcy

Jan Klein, Fraunhofer MEVIS – Instytut Diagnostyki Obrazowej (oryg. Institute for Medical Image Computing), Niemcy

W architekturze mózgu szczególnie ważne są jego połączenia nerwowe. Na ilustracji widzimy niektóre z tych włókien w kresomózgowiu. Wybarwione na niebiesko włókna przebiegają z góry do dołu (lub na odwrót). Zielona włókna łączą prawą stronę z lewą. Czerwone włókna przebiegają prostopadle do płaszczyzny obrazu. Widać tu też wyraźnie zaznaczone na czerwono spoidło, które łączy obie półkule mózgu.Nerwy czaszkowe
Łącznik pomiędzy mózgiem a otoczeniem

Mimo iż mózg steruje niemal wszystkimi funkcjami ciała, to jest bardziej zajęty samym sobą niż pozostałymi narządami. Ponad 99% włókien nerwowych mózgu na zawsze pozostaje w jego wnętrzu i tylko nieliczne komórki nerwowe wchodzą w bezpośredni kontakt ze światem zewnętrznym. Mózg tworzy zatem niewiele przewodów nerwowych wychodzących na zewnątrz, ale są one niezwykle wydajne.

Oprócz rdzenia kręgowego istnieje jeszcze 12 innych włókien nerwowych wydostających się z mózgu – są to nerwy czaszkowe. Większość nerwów czaszkowych (oprócz nerwu błędnego) kontroluje ruchy bądź uczestniczy w przekazywaniu odczuć zmysłowych naszego ciała. Aby ułatwić orientację, anatomowie podzielili i ponumerowali nerwy czaszkowe według ich występowania w mózgu – od przednich po tylne.

Nerw czaszkowy I, czyli nerw węchowy (łac. nervus olfactorius) składa się z włókien nerwowych komórek czuciowych nabłonka węchowego błony śluzowej nosa. Informacje węchowe są przesyłane wzdłuż nerwu węchowego do specjalnego regionu mózgowia – opuszki węchowej. Tutaj informacje węchowe są kodowane na nowo i przetwarzane dalej przez mózg (↓).

Nerw wzrokowy (nerw czaszkowy II, nervus opticus) stanowi również bardzo ważny nerw czuciowy. Jest on dość gruby (4–5 milimetrów) i składa się z ok. miliona włókien nerwowych, które wychodzą z oka i biegną aż do międzymózgowia. To tutaj następuje kodowanie informacji wzrokowych, które są dalej przesyłane do ośrodka wzrokowego kresomózgowia (↓).

Jako że zmysł wzroku odgrywa dla mózgu tak ważną rolę, trzy kolejne nerwy czaszkowe (III, IV, VI) są zarezerwowane tylko dla oczu i kontrolują ich mięśnie. Pracują przy tym bardzo precyzyjnie. Każde z włókien tych nerwów czaszkowych kontroluje ok. trzech komórek mięśniowych (dla porównania w mięśniu udowym dane włókno nadzoruje nawet 10 000 komórek mięśniowych). Ruchy oczu są więc najbardziej precyzyjnie kontrolowanymi ruchami ciała.

Dwanaście nerwów czaszkowych wychodzi parami z obszaru pod mózgiem. Stanowią one jedyną drogę, za pomocą której neurony mogą nawiązać bezpośredni kontakt ze światem zewnętrznym. Każdy nerw czaszkowy wyspecjalizował się pod kątem konkretnego zadania. Nerwy czaszkowe przede wszystkim kontrolują ruchy mięśni głowy lub pośredniczą w przekazywaniu wrażeń zmysłowych.

Ten historyczny rysunek ilustruje, w jaki sposób nerwy czaszkowe wychodzą z mózgu i rozgałęziają się na drodze do ich obszarów docelowych (dolna część ilustracji po lewej stronie). Nerwy czaszkowe, z wyjątkiem nerwu węchowego i wzrokowego, biorą swój początek w pniu mózgu, stanowiąc tym samym bezpośrednie połączenie, które umożliwia mózgowi kontrolę nad mięśniami i narządami w głowie.

Mehau Kulyk / Science Photo Library

Nerw czaszkowy V (łac. nervus trigeminus), czyli nerw trójdzielny, zapewnia czucie w twarzy. Dodatkowo reguluje mięśnie odpowiedzialne za przeżuwanie oraz odbiera wrażenia zmysłowe z jamy nosowej i ustnej. Nerw twarzowy (łac. nervus facialis, nerw VII) jest z kolei odpowiedzialny za kontrolę mięśni naszej twarzy.

Podczas gdy nerw czaszkowy VIII (nerw przedsionkowo-ślimakowy) przekazuje informacje akustyczne i te związane z równowagą z ucha do naszego mózgu, IX nerw czaszkowy (nerw językowo-gardłowy) odpowiada za gardziel. Kontroluje on mięśnie jamy ustnej, umożliwiające przełykanie, a także części gruczołów ślinowych i przekazuje wrażenia zmysłowe języka do mózgu.

Nerw czaszkowy X, czyli nerw błędny (łac. nervus vagus), jest niesamowicie ważny dla układu przywspółczulnego (↓) autonomicznego (wegetatywnego) układu nerwowego. Tworzy on główną wiązkę nerwów, przez którą układ przywspółczulny steruje narządami docelowymi, regulując w ten sposób czynności naszych narządów wewnętrznych. Ten nerw nie kończy się w obszarze głowy lub gardła, lecz biegnie dalej do wnętrza naszego ciała.

Aby kierować głowę do przodu i w dół, korzystamy z nerwu czaszkowego XI, czyli nerwu dodatkowego. Nerw podjęzykowy (XII) kontroluje ruchy naszego języka i umożliwia mowę.

Nerwy czaszkowe kontrolują więc głównie ruchy głowy lub przekazują informacje zmysłowe. W ten sposób zapewniają komórkom mózgu rzadką okazję nawiązania kontaktu ze światem zewnętrznym.Nerwy obwodowe
Impulsy nerwowe w każdym zakątku ciała

Ośrodkowy układ nerwowy kontroluje funkcje naszego ciała, projektuje ruchy i interpretuje wrażenia zmysłowe. Aby jednak w ogóle odbierać odczucia zmysłowe, mózg musi wejść w interakcję ze światem zewnętrznym. W tym celu potrzebne mu są z jednej strony nerwy czaszkowe, które komunikują się bezpośrednio ze światem zewnętrznym, a z drugiej strony – nerwy obwodowe, które docierają do najmniejszych zakątków naszego ciała w kierunku narządów wewnętrznych. Nerwy czaszkowe są również zaliczane do obwodowego układu nerwowego – z wyjątkiem nerwu wzrokowego, który stanowi „przedłużenie mózgu” i pozostaje częścią ośrodkowego układu nerwowego.

Aby zachować porządek przy tak wielu gałęziach nerwów, włókna nerwowe nie przebiegają dowolnie przez nasze ciało, lecz tworzą grube sploty. Chronią one gałęzie nerwów (np. przed naciskiem i zniekształceniem), ale muszą przy tym pozostać elastyczne i plastyczne, aby móc dostosowywać się do ruchów. Z tego powodu powstał bardzo misterny układ tkanki łącznej, który łączy ze sobą poszczególne włókna i tworzy ostatecznie grubą gałąź.

Nerwy obwodowe (tak jak nerwy ośrodkowego układu obwodowego) są otoczone warstwą izolującą – osłonką mielinową (↓). Ta bogata w tłuszcze i białka osłonka pozwala pojedynczym włóknom nerwowym leżeć ciasno przy sobie, bez ryzyka, że powstaną między nimi niepożądane impulsy elektryczne. W ten sposób zapobiega się spięciom.

Poszczególne włókna nerwowe łączą się na drodze trzyetapowego procesu. Niektóre włókna nerwowe tworzą razem splot dzięki specjalnej tkance łącznej (endoneurium, śródnerwie). Określone sploty wiążą się ze sobą w pęczki przy użyciu następnej otoczki z tkanki łącznej (perineurium, onerwie). W końcu, niektóre z tych pęczków łączą się za pomocą epineurium (nanerwie) – czyli kolejnej warstwy tkanki łącznej – i tworzą nerw obwodowy.

Im dalej dany nerw obwodowy sięga w obrębie naszego ciała, tym bardziej się rozgałęzia. Do narządów docelowych dochodzą ostatecznie pojedyncze włókna nerwowe, które rozładowują tam swoje impulsy nerwowe.

Setki pojedynczych włókien nerwowych są zebrane przez warstwy tkanki łącznej w gruby pęczek nerwowy. Trzy z tych pęczków nerwowych tworzą tu nerw obwodowy.

Sofia Anastasiadou i Bernd Knöll, Instytut Chemii Fizjologicznej, Uniwersytet w Ulm, Niemcy.

Na tym zdjęciu widoczny jest nerw kulszowy, którego przykurcz bądź ucisk prowadzi do postrzału (lumbago). Za pomocą technik barwienia zaznaczono tutaj kolorem zielonym pojedyncze włókna nerwowe. W ten sposób widać, że w skład tego nerwu wchodzi kilkadziesiąt takich włókien. Na czerwono i niebiesko wybarwiono izolującą warstwę okrywającą włókna nerwowe.

Felipe Court, Zakład Fizjologii, Wydział Biologii, Chilijski Papieski Uniwersytet Katolicki (oryg. Pontificia Universidad Catolica de Chile) i Fundacja Biomedyczna Neurounion (oryg. Neurounion Biomedical Foundation)

Przedstawione tu pęczki włókien nerwowych to neurony ruchowe, które kontrolują nasze mięśnie. Aby wykonać to zdjęcie, zbadano komórki nerwowe wytwarzające własny barwnik. Każde włókno ma inny kolor, dzięki czemu można je bardzo dobrze rozróżnić.

Ryan W. Draft, Uniwersytet Harvarda, Cambridge, Stany Zjednoczone

Thomas Deerinck, Peter Friedman i Mark Ellisman, Narodowe Centrum Mikroskopii i Obrazowania UCSD (oryg. National Center for Microscopy and Imaging Research, UCSD), San Diego, Stany Zjednocznone

Włókna nerwowe łączą się w gęste pęczki. Na niniejszym zdjęciu widzimy jeden z nich. Wychodzi on z rdzenia kręgowego i biegnie w kierunku obszaru obwodowego. Każda „rurka” to pojedyncze włókno nerwowe, otoczone izolującą warstwą ochronną. Sam nerw składa się więc z kilkudziesięciu takich włókien nerwowych i jest podzielony tkanką łączną (jaśniejsze linie na zdjęciu) na poszczególne odcinki. W środku mieści się również odcinek tkanki łącznej, otaczający naczynie krwionośne (kolor czerwony). Widoczny tu pęczek nerwowy ma grubość około 0,1 milimetra. Zwracamy uwagę, że kolory zostały naniesione na zdjęcie po jego wykonaniu. Zdjęcia wykonywane mikroskopem elektronowym są z reguły czarno-białe.Rdzeń kręgowy
Więcej niż tylko kabel do transmisji danych

Rdzeń kręgowy to centralny punkt przekazu danych w naszym ciele. Nie ma nawet grubości małego palca, ale za to jest znacznie dłuższy. Bierze on początek w pniu mózgu i biegnie przez ok. 45 centymetrów wzdłuż kręgosłupa do drugiego kręgu lędźwiowego. Poprzez rdzeń kręgowy mózg nawiązuje kontakt z obwodowym układem nerwowym, a dzięki temu – z naszymi narządami. W ten sposób odbiera wrażenia zmysłowe i może przewodzić impulsy ruchowe do mięśni.

Rdzeń kręgowy nie składa się wyłącznie z włókien nerwowych, lecz także z licznych ciał komórek nerwowych, które znajdują się w jego wnętrzu i tworzą nowe włókna nerwowe. Tak oto powstaje typowa dla rdzenia „struktura motyla”, dobrze widoczna w przekroju poprzecznym. Wewnątrz znajdują się ciała komórek nerwowych, a na zewnątrz – włókna nerwowe, które biegną do mózgu (zob. ilustrację na górze po lewej).

Jak można zauważyć na przykładzie motylej struktury rdzenia kręgowego, posiada on dwa rogi z przodu, z tyłu i po bokach (na zdjęciu są to jaśniejsze wypustki widoczne w środku wybarwionego na niebiesko rdzenia kręgowego). W rogach przednich znajdują się ciała komórek nerwowych odpowiedzialne za motorykę. Za pomocą impulsów ruchowych sterują one mięśniami – polecenia mózgu są zatem przekazywane do ciała. W rogach tylnych mieszczą się z kolei ciała komórek nerwowych odpowiedzialne za przesyłanie informacji i wrażeń zmysłowych do mózgu – w tym przypadku informacje ze świata zewnętrznego są przekazywane z powrotem do centrali. Rogi boczne zawierają za to neurony, które jako część autonomicznego układu nerwowego odbierają informacje od narządów wewnętrznych lub przejmują nad nimi kontrolę niezależnie od naszej woli.

Przekrój poprzeczny ludzkiego rdzenia kręgowego. Na zdjęciu widzimy jaśniejszy obszar wewnątrz (z ciałkami komórek nerwowych) oraz zewnętrzny obszar (z włóknami nerwowymi, których izolująca warstwa została tu zaznaczona na niebiesko).

Sofia Anastasiadou i Bernd Knöll, Instytut Chemii Fizjologicznej, Uniwersytet w Ulm, Niemcy. Tkanka została udostępniona z banku tkanek ze stwardnieniem rozsianym ze Zjednoczonego Królestwa (UK Multiple Sclerosis Tissue Bank).

Rdzeń kręgowy pełni funkcję łuku odruchowego. Komórki nerwowe w zwojach nerwowych mierzą za pomocą wrzecionek nerwowo-mięśniowych (zaznaczone na zielono) stan napięcia włókna nerwowego i przekazują tę informację do stacji przełącznikowej w rdzeniu kręgowym. Przy nagłej zmianie napięcia (np. gdy grozi nam potknięcie lub przy uderzeniu młoteczkiem pod rzepką) natychmiast generowany jest impuls ruchowy (czerwone włókno), który napina mięsień i powoduje podniesienie nogi.

Istota biała składa się z włókien nerwowych i otacza szary obszar wewnętrzny rdzenia kręgowego (na zdjęciu na poprzedniej stronie w kolorze niebieskim). Ona również wyspecjalizowała się w zakresie konkretnych funkcji. Wyróżniamy w niej nerwy doprowadzające, które przekazują wrażenia zmysłowe do mózgu, i nerwy odprowadzające, które przesyłają impulsy ruchowe do mięśni.

Co prawda sygnały nerwowe są przekazywane w naszym ciele bardzo szybko, jednak dotarcie bodźca zmysłowego do mózgu, przetworzenie go i wywołanie reakcji ruchowej może zająć nawet kilka dziesiętnych części sekundy. To za długo dla osoby, która za chwilę potknie się na schodach. Dlatego też rdzeń kręgowy może samodzielnie przetwarzać szybkie ruchy bez udziału mózgu. W tym celu wytwarza odruchy, do których obok głównej gałęzi rdzenia kręgowego są potrzebne liczne zwoje nerwowe. Mieszczą się w nich komórki nerwowe, a ich wypustki nieustannie mierzą stan napięcia włókien mięśniowych. Te informacje przesyłają bezpośrednio do komórek nerwowych w rdzeniu kręgowym, które z kolei sterują włóknami mięśniowymi. Tak powstaje skrót – łuk odruchowy. Nagła zmiana w napięciu mięśnia zostaje zarejestrowana przez neurony w zwoju nerwowym i natychmiast przetworzona w rdzeniu kręgowym. W konsekwencji mięsień się napina, co – miejmy nadzieję – zapobiegnie potknięciu.

Na zdjęciu widzimy zwój nerwowy przy rdzeniu kręgowym. Znajduje się po lewej stronie i ma postać narośla w kształcie kropelki. Komórki nerwowe są zaznaczone na zielono, a otaczające komórki pomocnicze, biorące udział w budowie tej struktury, na czerwono. Zwoje nerwowe stanowią istotne stacje przełącznikowe między rdzeniem kręgowym a obwodowym układem nerwowym.

Gwenval LeDreau i Elisa Marti Gorostiza, Instytut Biologii Molekularnej w Barcelonie – CSIC (oryg. Instituto de Biologia Molecular de Barcelona-CSIC), Hiszpania

Na tym zdjęciu widać rozwijający się rdzeń kręgowy czterodniowego zarodka kurczęcia. Tworzące się komórki nerwowe zostały zaznaczone na czerwono, a wykształcone już neurony – na niebiesko. Wyraźnie widoczne są oba skupiska nerwów po bokach – tzw. zwoje, które stanowią ważne stacje przełącznikowe od ośrodkowego rdzenia kręgowego do nerwów obwodowych.