Napad padaczki może rozpocząć się od wyładowań neuronów hamujących w mózgu oraz zmian stężeń jonów w środowisku wokół neuronów. Mechanizm ten został potwierdzony w modelu komputerowym komórek nerwowych, stworzonym na Wydziale Fizyki UW.
Padaczka jest jedną z najczęściej występujących chorób neurologicznych. Dostępne na rynku leki pozwalają na kontrolowanie napadów, ale u części pacjentów – nie działają.
Zespół naukowców z Wydziału Fizyki UW oraz Istituto Neurologico Carlo Besta w Mediolanie ustalił, że napady padaczki mogą rozpocząć się od wyładowań neuronów hamujących w mózgu oraz zmian stężeń jonów w środowisku wokół neuronów. Mechanizm ten, zaobserwowany doświadczalnie w modelu zwierzęcym mózgu świnki morskiej, został potwierdzony w modelu komputerowym komórek nerwowych, który zaprojektowali polscy fizycy.
– Według naszych badań napad padaczkowy jest procesem fizjologicznym wywołanym destabilizacją poziomu potasu w mózgu. Wskazuje to cele dla nowych strategii terapeutycznych – wyjaśnia dr hab. Piotr Suffczyński, prof. UW.
Hipoteza akumulacji potasu
Przez długi czas zakładano, że napad padaczkowy rozwija się, gdy kolejne neurony pobudzają się przez połączenia synaptyczne. Tymczasem już w latach 80. XX wieku w czasopiśmie „Nature” ukazała się publikacja, która pokazała, że napady padaczkowe nie wymagają komunikacji synaptycznej – można zablokować komunikację między neuronami, a napad dalej będzie trwać.
– W eksperymencie przeprowadzonym w 2001 roku wywołano napad padaczkowy w skrawku mózgu in vitro. Dwie części skrawka zostały następnie rozdzielone nacięciem skalpela. I choć doszło do zerwania fizycznego połączenia między dwiema połówkami skrawka – synchronizacja między nimi się utrzymywała, a napad trwał dalej. Naukowcy zadali sobie pytanie, czy za rozwój napadu może odpowiadać coś innego niż neuroprzekaźniki – mówi prof. Suffczyński. Gdy w kolejnej fazie eksperymentu między skrawkami umieszczono cienką, nieprzepuszczalną błonę, która zablokowała przepływ jonów pomiędzy połówkami, ich aktywności utraciły synchronizację. – Tak potwierdzono, że indukcja i synchronizacja napadów padaczki może mieć przyczyny nie synaptyczne, ale jonowe – dodaje badacz
Neurony to komórki naładowane elektrycznie, a nierówne rozmieszczenie jonów dodatnich i ujemnych wewnątrz oraz na zewnątrz neuronu tworzy spoczynkowy potencjał błonowy komórki. Przepływ jonów przez błonę umożliwia neuronom zmianę swojego potencjału i generowanie krótkich impulsów elektrycznych, czyli potencjałów czynnościowych.
– Jony sodu wpływają do komórki, a odpływają z niej jony potasu. W celu przywrócenia pierwotnej równowagi jonowej pompy sodowo-potasowe wpompowują potas z powrotem, a wypompowują sód. Jednak gdy potencjały czynnościowe są wyzwalane z dużą szybkością, sód gromadzi się wewnątrz komórek, a potas w przestrzeni wokół neuronów. Podwyższony poziom pozakomórkowego potasu zwiększa potencjał błonowy neuronów, prowadząc do ich zwiększonej pobudliwości, co skutkuje dalszym gromadzeniem się potasu. Tak indukuje się napad padaczki – tłumaczy prof. Suffczyński.
„Hipoteza akumulacji potasu” została wysunięta już w latach 70. XX wieku. – W tamtym czasie została ona odrzucona, ponieważ naukowcy nie byli w stanie wyjaśnić, w jaki sposób dochodzi do zakończenia napadu. Dziś wiemy, że oprócz pomp sodowo-potasowych odpowiadają za to m.in. komórki glejowe w mózgu, które nie tylko odżywiają neurony, ale mają za zadanie usuwać nadmiar potasu z przestrzeni wokół neuronów – dodaje fizyk z UW.
Model napadu padaczki
Korzystając z danych doświadczalnych, naukowcy z Wydziału Fizyki UW skonstruowali pierwszy kompletny model komputerowy symulujący mechanizm przebiegu napadu padaczki.
– Nasz biofizycznie realistyczny model obliczeniowy składa się z 5 komórek: 1 hamującej i 4 pobudzających, z komórek glejowych oraz otoczenia neuronów, w którym następuje ruch jonów. Używając tego modelu, jako pierwsi pokazaliśmy potencjalny mechanizm inicjacji napadu przez neurony hamujące poprzez początkowe gromadzenie się pozakomórkowego potasu – wylicza prof. Suffczyński. Model pokazuje też, jak działa mechanizm przyczyniający się do ustania napadów. Nierównowaga sodowo-potasowa prowadzi do zwiększonej aktywności pomp sodowo-potasowych.
– Pompa przenosi dwa jony potasu do komórki i trzy jony sodu z komórki w każdym cyklu pompy. Proces ten powoduje usunięcie z komórki jednego jonu dodatniego na cykl i prowadzi do obniżenia potencjału elektrycznego komórki. Zwiększona szybkość pompy powoduje znaczne ujemne przesunięcie potencjału błony komórkowej i prowadzi do zatrzymania napadów – podkreśla badacz.
Wyniki badań zespołu polskich i włoskich naukowców zostały opublikowane w czasopiśmie eLife.