Nigdy nie widzieli nawet światła. Naukowcy odkryli, jak zmieniły się ich mózgi

Jak rozwija się mózg, jeśli od pierwszych chwil życia nie docierają do niego żadne obrazy? Czy część kory odpowiedzialna zwykle za widzenie pozostaje niewykorzystana, czy może znajduje dla siebie zupełnie nowe zadania? To pytania, które od lat fascynują neuronaukowców. Teraz polsko-niemiecki zespół badaczy, wykorzystując zaawansowane metody obrazowania mózgu, przyjrzał się temu procesowi z wyjątkową dokładnością.

Badanie osób niewidomych od urodzenia przyniosło wynik, który zmienia sposób patrzenia na obserwowane od dawna różnice w budowie ich kory wzrokowej. Naukowcy wskazują, że kluczowe znaczenie może mieć nie – jak długo zakładano – nadmierna liczba zachowanych połączeń między neuronami, lecz sposób, w jaki tkanka mózgowa zostaje pokryta mieliną.

Wyniki międzynarodowego projektu opublikowano na łamach czasopisma „Science Advances”.

Ludzki mózg nie przychodzi na świat jako gotowa, ostatecznie ukształtowana struktura. Pierwsze lata życia to czas niezwykle intensywnej przebudowy. Już w pierwszym roku powierzchnia kory mózgowej zwiększa się o około 75 procent, a jej grubość rośnie mniej więcej o jedną trzecią.

Początkowo mózg działa z pewnym „nadmiarem”. Powstaje znacznie więcej połączeń między neuronami, niż będzie potrzebnych w późniejszym życiu. Z czasem sieci, które są regularnie wykorzystywane, zostają wzmocnione, natomiast część pozostałych połączeń zanika. Ten naturalny proces porządkowania mózgu nazywany jest przycinaniem synaptycznym.

Jednocześnie trwa mielinizacja. Włókna nerwowe stopniowo otrzymują osłonkę z mieliny, która działa nieco jak izolacja kabla elektrycznego: umożliwia szybsze i sprawniejsze przesyłanie informacji. Proces ten nie przebiega jednak wszędzie jednakowo. Silnie zmielinizowane są między innymi obszary związane z przetwarzaniem bodźców zmysłowych, w tym kora wzrokowa i słuchowa. Inaczej wygląda to w części struktur odpowiadających za bardziej złożone funkcje poznawcze.

Właśnie dlatego osoby, które nigdy nie doświadczyły widzenia, stanowią dla naukowców szczególną grupę. Ich mózgi rozwijają się bez informacji wzrokowych, co pozwala badać, jak głęboko doświadczenie zmysłowe wpływa na kształtowanie się ludzkiego układu nerwowego.

Jak wyjaśnia główna autorka badania, dr Anna-Lena Stroh z Instytutu Maxa Plancka ds. Nauk Poznawczych i Mózgu Człowieka w Lipsku, wcześniejsze eksperymenty prowadzone na zwierzętach pokazały już, że bodźce zmysłowe mają ogromne znaczenie dla rozwoju mózgu. Wciąż jednak nie było jasne, jakie dokładnie mechanizmy stoją za tym zjawiskiem u człowieka.

Od lat wiadomo, że w badaniach obrazowych kora wzrokowa osób niewidomych od urodzenia wygląda na grubszą niż u ludzi widzących. Przez długi czas najbardziej oczywistym wyjaśnieniem wydawało się zaburzenie procesu przycinania synaptycznego.

Hipoteza była stosunkowo prosta: skoro do kory wzrokowej nie docierają typowe bodźce, mózg może nie usuwać części niepotrzebnych połączeń. W efekcie miałoby pozostawać ich więcej, a sama kora byłaby grubsza.

Polscy i niemieccy naukowcy postanowili sprawdzić tę koncepcję znacznie dokładniej. W projekcie uczestniczyły 24 osoby niewidome od urodzenia oraz 24 osoby widzące, dobrane pod względem wieku i płci. Badania przeprowadzono w Lipsku, wykorzystując zaawansowane techniki obrazowania pozwalające analizować mikrostrukturę żywej tkanki mózgowej z dokładnością poniżej jednego milimetra.

Rezultaty potwierdziły wcześniejsze obserwacje: w obrazach MRI kora wzrokowa osób niewidomych rzeczywiście sprawiała wrażenie grubszej. Kiedy jednak naukowcy zajrzeli głębiej w strukturę tkanki, obraz okazał się bardziej skomplikowany.

Najważniejszą różnicą była słabsza mielinizacja.

Zdaniem prof. Nikolausa Weiskopfa, dyrektora Wydziału Neurofizyki w Instytucie Maxa Plancka, właśnie mniejsza ilość mieliny najlepiej tłumaczy obserwowane wcześniej różnice. Badacze nie znaleźli natomiast jednoznacznych dowodów, które pozwalałyby uznać zaburzone przycinanie synaptyczne za główną przyczynę pozornego pogrubienia kory.

Ma to również znaczenie dla interpretacji samych badań MRI. Mniejsza zawartość mieliny może zmieniać sposób, w jaki na obrazach rezonansu widoczna jest granica pomiędzy istotą szarą i białą. W rezultacie kora może być mierzona jako grubsza, choć źródło tej różnicy tkwi w jej mikrostrukturze.

Co istotne, zmiany zaobserwowano także w istocie białej, która odpowiada za komunikację pomiędzy poszczególnymi obszarami mózgu. Podobnego wzorca nie stwierdzono jednak w regionach związanych ze słuchem czy dotykiem. To mocny argument przemawiający za tym, że odkryte różnice są bezpośrednio związane z brakiem doświadczeń wzrokowych, a nie z ogólną przebudową całego mózgu.

Jednym z najbardziej fascynujących aspektów mózgu osób niewidomych jest jego zdolność do reorganizacji. Obszar, który u człowieka widzącego zajmuje się analizowaniem obrazów, nie pozostaje u osoby niewidomej biologiczną „pustką”.

Wręcz przeciwnie.

Badania prowadzone w ostatnich latach pokazują, że kora wzrokowa może zostać włączona w procesy, które pozornie niewiele mają wspólnego z widzeniem. Uczestniczy między innymi w przetwarzaniu języka, pracy pamięci roboczej czy kontroli poznawczej. Mózg wykorzystuje więc dostępne zasoby, dostosowując ich funkcję do warunków, w których rozwija się człowiek.

To może być również ważna wskazówka pozwalająca zrozumieć wyniki najnowszego badania. Obszary odpowiedzialne za bardziej złożone procesy poznawcze są u osób widzących zwykle słabiej zmielinizowane niż typowe kory sensoryczne. Jeśli więc kora wzrokowa osoby niewidomej zaczyna wykonywać zadania poznawcze, jej odmienna mikrostruktura może być naturalnym śladem tej funkcjonalnej przemiany.

Jak podkreśla prof. Marcin Szwed z Uniwersytetu Jagiellońskiego, nie należy zatem patrzeć na korę wzrokową osób niewidomych jak na obszar uszkodzony czy niewykorzystany. Jest ona aktywną częścią mózgu – tyle że realizuje inne zadania niż u człowieka, który widzi.

Badanie ma jeszcze jeden istotny wymiar. Przez dziesięciolecia wiele informacji dotyczących wpływu ślepoty na rozwój układu nerwowego pochodziło z eksperymentów na zwierzętach, również naczelnych. Rozwój nowoczesnych metod neuroobrazowania coraz częściej pozwala jednak odpowiadać na podobne pytania bezpośrednio na podstawie badań żywego ludzkiego mózgu.

Zdaniem prof. Szweda to kierunek, który może stopniowo ograniczać potrzebę prowadzenia inwazyjnych eksperymentów na zwierzętach wyłącznie w celu zdobywania wiedzy podstawowej. Współczesne technologie umożliwiają dziś obserwowanie mikrostruktury mózgu z precyzją, która jeszcze niedawno pozostawała poza zasięgiem nieinwazyjnych badań człowieka.

Najważniejszy wniosek płynący z pracy polsko-niemieckiego zespołu wykracza jednak poza samą ślepotę. Pokazuje, jak silnie środowisko i doświadczenie mogą wpływać na biologiczną organizację mózgu. Gdy jeden z najważniejszych kanałów informacji od początku życia pozostaje niedostępny, mózg nie zatrzymuje swojego rozwoju. Zmienia sposób działania, przebudowuje własną strukturę i wykorzystuje dostępne obszary do nowych celów.

To nie tyle historia o części mózgu, która straciła swoją funkcję, ile o niezwykłej zdolności ludzkiego układu nerwowego do znalezienia dla niej zupełnie nowej.