Instytut Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN w Warszawie

Pracownia Neurobiologii

Badanie przy współpracy, między innymi, z Instytutem Maxa Plancka w Getyndze

 i University of California, Los Angeles (UCLA).

„Jak to jest, że istnieje umysł i w jaki sposób możemy wyjaśnić pojęcie umysłu poprzez  funkcjonowanie mózgu?”

Izabela Blimel, Nauka i Biznes: Jak przebiega pana kariera naukowa? Czy od samego początku głównym tematem zainteresowań było pojęcie umysłu poprzez funkcjonowanie mózgu?

    Prof. dr hab. Leszek Kaczmarek, Instytut Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN, Pracownia Neurobiologii: Mój rozwój naukowy nie był typowy, gdyż opierał się o dość szerokie fundamenty i mobilność tematyki na początku mojej drogi naukowej. W młodości, magisterium z biochemii/biologii molekularnej na Uniwersytecie Warszawskim (badania nad wiązaniem się białek do DNA), doktorat z biologii komórki/hematologii doświadczalnej w Szpitalu Wojskowym w Warszawie, przy ulicy  Szaserów w Warszawie, następnie staż podoktorski w Filadelfii, w USA, w obszarze onkologii doświadczalnej i na tej podstawie habilitacja.

Od 1986 roku pracuję w Instytucie Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN i zajmuję się głównie neurobiologią.

 I.B.: Jakie były początki pana drogi naukowej?  

L.K.: Już na początku mojej kariery naukowej zdałem sobie sprawę z tego, że aby zaproponować światu coś ciekawego w dziedzinie, która mnie od dawna interesowała, czyli neurobiologii, muszę zbudować szerokie fundamenty na podstawie różnych dziedzin nauki.

Od 1986 roku w Instytucie im. Nenckiego bardzo konsekwentnie zajmujemy się jednym zagadnieniem, czyli relacją mózg – umysł. Był to okres narodzin neurobiologii molekularnej. Pytanie, które wówczas postawiliśmy brzmiało: „Jak to jest, że istnieje umysł i  w jaki sposób możemy wyjaśnić pojęcie umysłu poprzez funkcjonowanie mózgu?” Od tego momentu do dziś wszelkie nasze działania są podporządkowane poszukiwaniu odpowiedzi na to  pytanie.

Wydaje mi się, że w tamtych latach, na świecie, nie było innego zespołu naukowego, który  prowadziłby podobne badania. Biologia molekularna jest dziedziną nauki, która w połowie lat 80-tych, ale także i dziś, oferuje najmocniejszy warsztat metodyczny oraz pozwala najdokładniej i najskuteczniej wniknąć w podstawowe procesy biologiczne. My dokonaliśmy odkrycia polegającego na tym, że w procesach uczenia się i zapamiętywania dochodzi do pobudzenia ekspresji genów.

Wychodząc z założenia, że umysł jest bardzo złożony, dostrzegliśmy, iż w każdej definicji umysłu, zawarte są pojęcia uczenie się i pamięć, a zatem jednym z najważniejszych aspektów umysłu jest pamięć.

 I.B.: Czym jest pamięć? Co ważnego udało się dotychczas odkryć?  

L.K.: Pamięć jest taką cechą, którą można badać na zwierzętach, dlatego moja droga do poznania umysłu wiedzie przez zrozumienie pamięci. Naszym największym, dotychczasowym sukcesem jest odkrycie, że w procesie uczenia się dochodzi do zmian aktywności genów w mózgu.

 I.B.: Jak wyglądały badania? 

L.K.: Badanie prowadziliśmy na zwierzętach, głównie na myszach i szczurach. Mózg tych gryzoni jest dużo mniejszy niż mózg człowieka, ale jest on podobnie zbudowany i zdolny to tworzenia funkcji umysłowych, podobnie jak mózg człowieka. Odkryliśmy, że gdy zwierzę się czegoś uczy, to wówczas w neuronach mózgu tego zwierzęcia, dochodzi do pojawienia się aktywności genu c-fos, a produktem ekspresji tego genu jest białko c-Fos. Gen ten został odkryty jako protoonkogen jądrowy. Wiadomo, o nim, że jest aktywowany w różnych sytuacjach pobudzenia komórki. Zaproponowałem wówczas hipotezę, że pobudzenie komórek nerwowych nie powinno się znacząco różnić od pobudzenia innych komórek. Pobudzenie skutkuje zazwyczaj długotrwałą zmianą w funkcjonowaniu komórek, a pamięć to nic innego jak taka długotrwała zmiana w sieci neuronów. Szukaliśmy wśród genów, które są ważne w organizmie do pobudzania komórek, sprawdzając, czy takie geny mogą być aktywowane w mózgu w wyniku uczenia się i takim genem okazał się gen c-fos.

W zasadzie wszystkie komórki naszego ciała zawierają takie same geny, ale komórki te bardzo różnią się między sobą. A jeśli się różnią, to wykonują różne funkcje. Więc co decyduje, że jedna komórka jest w wątrobie, a inna w mózgu?  Jeśli instrukcja, czyli materiał genetyczny jest taki sam, to z tej instrukcji można odczytać różne rzeczy. To powoduje, że powstają białka, a zestaw białek w komórce jest różny. Występowanie takiego lub innego zestawu białek w komórce jest zależne od zróżnicowanej aktywności genów.

Podsumowując, gen musi być aktywny, aby mogło powstawać białko. Stwierdzenie, że białko jest obecne w komórkach nerwowych, a jego ilość jest zależna od stanu pobudzenia komórek nerwowych było naszym fundamentalnym odkryciem. Wykazaliśmy np., że białko MMP-9 może być lokalne wytwarzane i wydzielane na synapsach, a ponadto pokazaliśmy, że jego ekspresja jest regulowana przez gen kodujący c-Fos.

Dwadzieścia parę tysięcy (tych samych) genów występuje w każdej komórce. W jednej komórce aktywnych jest 10 tys. genów, w innej działa 8 tys. częściowo tych samych, częściowo innych genów. W związku z tym powstają takie lub inne białka. Co oznacza, że część genów odpowiada za to, żeby komórka funkcjonowała, a część odpowiada za jej specjalizację. W związku z tym najważniejszą sprawą jest coś, co determinuje aktywność genu.

 I.B.: Jaka hipoteza została przyjęta?  

L.K.: Przyjmujemy hipotezę, że w uczeniu się także zmienia się aktywność genu. Komórka nerwowa w procesie uczenia się musi okazać się być mniej lub bardziej efektywna w połączeniu z innymi komórkami nerwowymi. Modyfikacja drogi, którą płynie sygnał pomiędzy komórkami, to jest właśnie proces uczenia się, pamięć i umysł. Zmiana tej drogi nazywa się plastycznością synaptyczną. Synapsy są połączeniami między komórkami nerwowymi, i mogą być mniej lub bardziej drożne. Bardziej drożne synapsy kierują sygnał nerwowy (czyli aktywność bioelektryczną) po jednych torach, mniej drożne po innych. My dokonaliśmy odkrycia, że plastyczności towarzyszą zmiany aktywności genu. Gen, który jako pierwszy odkryliśmy w ten sposób okazał się kodować białko, będące regulatorem innych genów. Rozpoczęliśmy, więc poszukiwania, jakie to mogą być geny. Doszliśmy do pewnych białek, które doprowadziły nas do synapsy i zaczęliśmy zajmować się białkami na synapsie.

W ostatnich parunastu latach dominującym tematem jest pokazanie, w jaki sposób te białka kontrolują synapsę, co powoduje, że ona jest mniej lub bardziej przewodna, mniej lub bardziej efektywna. I zadaliśmy pytanie: „Jeżeli odkryliśmy pewne fundamentalne mechanizmy plastyczności synaptycznej, która jest podłożem uczenia się i pamięci u zwierząt, a uczenie się i pamięć ma być dla nas oknem do umysłu, to czy te mechanizmy mogą odgrywać rolę w umyśle człowieka? Jak to zbadać?”

Do tych badań posłużyliśmy się chorym umysłem, czyli umysłem ze schorzeniami neuropsychicznymi. Na tej podstawie sprawdzamy, czy występują jakieś zaburzania tych fundamentalnych mechanizmów, które odkryliśmy. We współpracy z psychiatrami prowadzimy takie badania już od paru lat. We współpracy zarówno w Polsce, jak i za zagranicą pokazaliśmy, że rzeczywiście tak jest. Mechanizmy, które odkryliśmy rzeczywiście są w jakiś sposób zamieszane w zaburzenia umysłu. Obecnie staramy się wyjaśnić, jak to się dzieje w rozwoju padaczki, pełnych form autyzmu, uzależnień, zwłaszcza od alkoholu, czy w schizofrenii. I to są obszary, którymi się zajmujemy we współpracy z innymi zespołami.

I.B.: Czy w prowadzonych badaniach występuje jedna, określona metoda?  

L.K.: Badania wyglądają w ten sposób, że mamy już odkryty pewien mechanizm, ale zawsze szukamy nowej metody. Metody są szalenie ważne, ponieważ muszą przekraczać granice. Więc kierujemy się ciekawością. Korzystamy zarówno z tego, co już zostało przez człowieka wymyślone, jak i sami tworzymy nowe metody. Na przykład w przypadku białka, które jest krytyczne dla zmiany funkcjonowania synapsy, próbujemy funkcje tego białka zablokować. Dokonaliśmy bardzo ciekawego odkrycia, że pewna część mózgu jest krytyczna dla procesu ucznia się zdarzeń przyjemnych, ale nie dla zdarzeń nieprzyjemnych. Jest to bardzo fundamentalna różnica pomiędzy pamięcią apetytywną, a awersyjną. Chcemy potwierdzić, że białko, które znajduje się na synapsie jest ważne w uczeniu się zdarzeń przyjemnych, a nie nieprzyjemnych. Jak to zrobić? Stworzyliśmy nanocząstki, do których wprowadziliśmy czynnik hamujący białko. Za pomocą mikroigły podaliśmy je w okolice badanej przez nas struktury mózgu, co pozwoliło na uwalnianie czynnika hamującego przez kolejnych kilka dni. Okazało się, że ma to wpływ na historię zdarzeń przyjemnych i nie ma wpływu na zdarzenia nieprzyjemne. Jest to zupełnie nowe podejście. Wcześniej nikt przed nami nie pomyślał o tym, aby nanotechnologię zastosować do badania procesów uczenia się i pamięci. Pewne elementy były znane, ale nigdy nie została zastosowana tego typu kombinacja.

Podążamy pewnymi metodami. Wyszliśmy od  badań na zwierzętach, następnie sprawdzaliśmy, czy te mechanizmy mogą również być zamieszane w choroby ludzkie. Obecnie cofamy się do zwierząt, żeby dokładnie to wyjaśnić, po to, aby w kolejnym etapie  podjąć badania u ludzi.

Zespół naukowców w Kalifornii odkrył, że białka MMP-9 jest za dużo w przypadku pewnej formy autyzmu. Postanowili oni zahamować aktywność MMP-9. Dokonali tego w hodowli komórek nerwowych, pochodzących od zmutowanej myszy. Następnie zadali pytanie: „Co się stanie, jeśli u żywych myszy zablokujemy nadmiar białka?” Okazało się, że mysz została wyleczona z objawów autyzmu. To spowodowało, że kilka zespołów amerykańskich naukowców rozpoczęło badania kliniczne z zastosowaniem substancji hamującej białko. Nasz zespół został włączony do współpracy. Wyjaśniliśmy, jak ten mechanizm działa.

Obecnie na świecie, w kilku zespołach, prowadzone są badania kliniczne, sprawdzające wpływ minocyliny (substancja blokująca MMP-9) na autyzm. Również w przypadku schizofrenii okazało się, że białko jest ważne. We współpracy z nami zespół z Instytutu Maxa Plancka w Getyndze zbadał gen kodujący białko u schizofreników. Odkryto pewną zmianę genetyczną, która może stwarzać predyspozycje do schizofrenii, zwłaszcza tzw. objawów pozytywnych, czyli urojeń i halucynacji. Staramy się obecnie zrozumieć, dlaczego ta cząsteczka może być zaburzona.

Podsumowując, wyszliśmy od pewnego złożenia teoretycznego, które okazało się prawdą, potwierdzoną doświadczalnie. Przez wiele lat były to badania na zwierzętach. Kiedy zyskaliśmy pewność, zaczęliśmy szukać sposobu weryfikacji naszych osiągnięć u ludzi, zwłaszcza chorych. Okazało się, że tak jest. Dziś próbujemy to weryfikować. Można oczekiwać, że doprowadzi to do nowych testów diagnostycznych, a nawet sposobów leczenia najbardziej dolegliwych ludzkich chorób.

 I.B.: Dziękuję za rozmowę i życzę sukcesów.     

Profesor Leszek Kaczmarek jest absolwentem Uniwersytetu Warszawskiego (biochemia/biologia molekularna, 1981 r.); doktorat z biologii komórki/hematologii doświadczalnej, 1983 r.; habilitacja z biologii/onkologii doświadczalnej, 1988 r. Od 1986 r. w Instytucie Biologii Doświadczalnej im M. Nenckiego PAN (kierownik Pracowni Neurobiologii; profesor od 1996; przewodniczący Rady Naukowej, od 2007). Autor ponad 170 publikacji w czasopismach międzynarodowych, cytowanych ponad 6000 razy, H-indeks = 51.

Główne osiągnięcia badawcze: wykazanie roli białka c-Myc w regulacji cyklu komórkowego; odkrycie zjawiska pobudzenia ekspresji genów w mózgu ssaków w uczeniu się; odkrycie apoptozy w mózgu dorosłych zwierząt; wykazanie roli cykliny D2 w powstawaniu nowych neuronów w mózgu dorosłych myszy; pokazanie udziału metaloproteazy macierzy zewnątrzkomórkowej, MMP-9 w plastyczności synaptycznej, uczeniu się i pamięci oraz chorobach neuropsychiatrycznych.

Promotor w 30 zakończonych przewodach doktorskich. Kierownik ponad 40 projektów badawczych krajowych i zagranicznych, w tym siedmiu PR UE. Ponad 100 zaproszeń na wykłady podczas zjazdów i sympozjów naukowych; ponad 200 innych wykładów na zaproszenie. Udział w komitetach programowych światowych i europejskich kongresów naukowych. Laureat Nagrody FNP w 2000 r. Członek: PAN, EMBO, Academia Europaea. Członek władz krajowych i międzynarodowych towarzystw naukowych, m.in., TPKN, PTBUN, IBRO; ISN; EMBO; Vice-President European Molecular Biology Conference; Przewodniczący Komitetu Neurobiologii PAN (1999-2003); Przewodniczący Wydziału Nauk Biologicznych PAN (2003-2007), Członek Neuroscience Panel, Starting Grants ERC (2007-2012).