2026-09-08 W mózgu liczy się nie tylko to, czy sygnał dotrze do komórki nerwowej, ale także jak długo pozostanie otwarta jego chemiczna brama. Zespół kierowany przez dr. Mehdiego Borjkhaniego z ICTER wykazał w modelu komputerowym, że zarówno zbyt szybkie, jak i zbyt wolne wyłączanie receptora NMDA może rozregulować pracę neuronu. Co ważne, prowadzą do tego dwa odmienne mechanizmy.
Każda myśl, obraz i wspomnienie opierają się na impulsach elektrycznych przesyłanych przez neurony. Impulsy te nie mogą być ani całkowicie jednostajne, ani zupełnie nieprzewidywalne. Mózg potrzebuje kontrolowanej zmienności: wystarczającej, by kodować nowe informacje, lecz nie tak dużej, by sygnał zamienił się w chaos.
Jednym z regulatorów tej równowagi jest receptor NMDA. Można porównać go do bramy z wbudowanym zegarem. Po związaniu glutaminianu otwiera drogę m.in. jonom wapnia, a następnie stopniowo się zamyka. Wapń uruchamia procesy odpowiedzialne za plastyczność synaptyczną, czyli zdolność połączeń nerwowych do wzmacniania się lub osłabiania. To biologiczna podstawa uczenia się i pamięci. Jeżeli jednak brama zamyka się w niewłaściwym tempie, rytm wyładowań neuronu może się załamać.
Badanie opisane w pracy NMDA receptor kinetics drive distinct routes to chaotic firing in pyramidal neurons opublikowano w Frontiers in Computational Neuroscience. Pierwszym i korespondencyjnym autorem jest dr Mehdi Borjkhani z Międzynarodowego Centrum Badań Oka (ICTER), części Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk. W zespole znaleźli się również Hadi Borjkhani, Morteza A. Sharif, Fariba Bahrami i Mahyar Janahmadi, reprezentujący ośrodki badawcze w Berlinie, Urmii i Teheranie.
„Zwykle pytamy, czy receptor NMDA działa prawidłowo. Nasze wyniki pokazują, że równie ważne jest pytanie, jak szybko kończy on pracę. Ten sam receptor może wspierać sprawne przekazywanie informacji albo destabilizować neuron, zależnie od czasu zamknięcia i rytmu docierających sygnałów” – mówi dr Mehdi Borjkhani, główny autor publikacji.
Ponad 2,9 miliona odstępów między impulsami
Naukowcy wykorzystali rozbudowany model neuronu piramidowego, jednego z podstawowych typów komórek pobudzających w korze mózgowej. Model uwzględniał kanały sodowe, potasowe i wapniowe, a także trzy ważne rodzaje receptorów synaptycznych: pobudzające NMDA i AMPA oraz hamujący GABA. Badacze dodali również szlak CaMKII, czyli enzymu, którego aktywność zależy od wapnia i który bierze udział w utrwalaniu zmian w połączeniach między neuronami.
Każda symulacja obejmowała 10 sekund aktywności neuronu. Obliczenia wykonywano z krokiem 0,05 milisekundy, a pierwsze dwie sekundy odrzucano, aby usunąć przejściową reakcję modelu. Pobudzenie podawano w impulsach trwających po 5 milisekund. Następnie systematycznie zmieniano częstotliwość stymulacji oraz parametr βNMDA, określający szybkość zamykania receptora.
W najbardziej istotnym fizjologicznie zakresie parametr βNMDA zmieniał się od 0,002 do 0,1 ms⁻¹. Odpowiadało to oknom aktywności receptora od około 500 do 10 milisekund. Łącznie przeanalizowano ponad 2,9 miliona odstępów między kolejnymi impulsami.
Model odtwarzał podstawowe cechy rzeczywistych neuronów piramidowych, m.in. potencjał spoczynkowy wynoszący około -65 mV, próg wyładowania w pobliżu -45 mV i amplitudę potencjału czynnościowego na poziomie 80-100 mV. W porównaniu z wynikami uzyskanymi w specjalistycznym symulatorze NEURON błąd względny pozostawał poniżej 0,1 proc.
Dwie drogi prowadzące do chaosu
Analiza ujawniła dwa różne scenariusze utraty stabilnego rytmu. Pierwszy pojawiał się, gdy receptor NMDA wyłączał się stosunkowo szybko, ale neuron otrzymywał sygnały o określonej częstotliwości. Wyładowania stawały się wtedy chaotyczne, a zdolność do wiarygodnego kodowania informacji spadała. W tej części przestrzeni parametrów miara informacji wzajemnej wynosiła około 0,185 bita, wobec około 0,275 bita w punkcie optymalnym.
Nie był to przy tym przypadkowy szum. Dodatnie wartości wykładnika Lapunowa, analiza entropii oraz diagramy bifurkacyjne wskazały na chaos deterministyczny. Oznacza to, że niewielka zmiana warunków początkowych mogła z czasem prowadzić do zupełnie innego wzoru wyładowań, mimo że model nie zawierał losowego źródła zakłóceń.
Druga droga pojawiała się przy bardzo wolnym zamykaniu NMDA, gdy βNMDA spadało poniżej 0,02 ms⁻¹. Receptor pozostawał aktywny długo nawet przy słabym pobudzeniu. Podtrzymywało to napływ wapnia, a następnie fosforylację CaMKII. W modelu tworzyło to warunki sprzyjające nadmiernemu, długotrwałemu wzmacnianiu synaps.
„Chaos w tym badaniu nie oznacza zwykłego bałaganu ani przypadkowych zakłóceń. To precyzyjnie rozpoznawalny stan dynamiczny. Co istotne, można do niego dojść dwiema drogami: przez zbyt krótką albo zbyt długą aktywność receptora NMDA. Te mechanizmy mogą wymagać zupełnie innych sposobów interwencji” – wyjaśnia dr Mehdi Borjkhani.
Pomiędzy tymi skrajnościami naukowcy znaleźli optymalne okno. Przy βNMDA równym 0,042 ms⁻¹, co w przybliżeniu odpowiada czasowi zamykania około 24 milisekund, informacja wzajemna osiągnęła 0,275 bita. W miarze zastosowanej w modelu był to punkt, w którym wzór impulsów najlepiej rozróżniał częstotliwości sygnału wejściowego, zachowując jednocześnie stabilność.
Częstotliwość może przywracać rytm
Drugim ważnym regulatorem okazała się częstotliwość pobudzenia. Przy stymulacji 2 Hz badacze znaleźli aż 18 oddzielnych zakresów parametrów prowadzących do chaosu. Wraz ze wzrostem częstotliwości chaotyczne obszary stawały się węższe i przesuwały się w stronę coraz wolniejszego zamykania NMDA. Przy 50 Hz chaos został niemal całkowicie wygaszony, a odstępy między impulsami skupiły się w zakresie 15-18 milisekund, odpowiadającym rytmowi gamma.
Jeszcze silniej zadziałało hamowanie GABA-ergiczne, naturalny „hamulec” układu nerwowego. Zwiększyło ono stabilny obszar parametrów o 34,2 proc., ograniczając przede wszystkim wolniejsze, nieregularne wzorce, a zachowując szybką aktywność gamma. Przy hamowaniu GABA o częstotliwości 50 Hz chaos zniknął w całym analizowanym zakresie βNMDA.
Zmieniły się też modelowe stany plastyczności. Bez stymulacji GABA 65 proc. przestrzeni parametrów przypisano do długotrwałego osłabienia synaps, 25 proc. do stanu przejściowego, a 10 proc. do długotrwałego wzmocnienia. Przy GABA 20 Hz udział ostatniego stanu spadł do 3 proc., natomiast przy 50 Hz zniknął całkowicie. Autorzy zaznaczają, że była to jakościowa klasyfikacja oparta na progach przyjętych w modelu, a nie bezpośredni pomiar biologiczny.
Co to właściwie oznacza?
Jednym z możliwych zastosowań jest lepsze zrozumienie uzależnień. Wspomnienia związane z substancją psychoaktywną potrafią być wyjątkowo trwałe i wywoływać głód nawet po długim okresie abstynencji. Wyniki modelu sugerują, że przedłużona aktywność NMDA może podtrzymywać napływ wapnia i nadmierną aktywację CaMKII, sprzyjając utrwalaniu takich patologicznych wspomnień. Mapa zależności między kinetyką receptora a częstotliwością pobudzenia może w przyszłości pomóc w precyzyjniejszym planowaniu interwencji podczas odtwarzania i ponownego utrwalania pamięci.
Drugim obszarem jest widzenie. Receptory NMDA uczestniczą w pracy komórek zwojowych siatkówki oraz w przetwarzaniu informacji przez korę wzrokową. Ich nieprawidłowa aktywność jest wiązana z zaburzeniami sygnalizacji w jaskrze, retinopatii cukrzycowej i chorobach neurodegeneracyjnych siatkówki. Przedłużony napływ wapnia może sprzyjać uszkodzeniu komórek, natomiast chaotyczne oscylacje mogą wprowadzać do sygnału wzrokowego uporządkowany, trudny do odfiltrowania „szum”. Poznanie zakresów stabilności może więc pomóc w projektowaniu metod stymulacji siatkówki i strategii przywracania widzenia.
Autorzy wskazują również na możliwe znaczenie wyników dla schizofrenii, zaburzeń ze spektrum autyzmu, choroby Alzheimera i przewlekłego bólu. We wszystkich tych przypadkach opisywano nieprawidłowości związane z NMDA lub równowagą między pobudzeniem i hamowaniem.
„Nie jest to jeszcze projekt terapii ani dowód uzyskany u pacjentów. Otrzymaliśmy mapę mechanizmów, którą trzeba teraz sprawdzić w doświadczeniach biologicznych i w zapisach aktywności prawdziwych neuronów. Jej wartość polega na tym, że wskazuje konkretne zakresy kinetyki i częstotliwości, zamiast traktować wszystkie zaburzenia NMDA jako jeden problem” – podkreśla dr Mehdi Borjkhani.
Model obejmuje pojedynczą komórkę, dlatego nie odtwarza synchronizacji całych sieci neuronowych ani złożonych interakcji między obszarami mózgu. Kolejnym krokiem powinno być porównanie przewidywań z rzeczywistymi zapisami elektrofizjologicznymi i rozwinięcie modelu do poziomu sieci. Już teraz badanie pokazuje jednak ważną zasadę: mózg koduje informacje nie tylko liczbą impulsów. Równie istotny jest ich rytm oraz czas, przez jaki molekularne bramy neuronu pozostają otwarte.
Źródło: Mehdi Borjkhani, Hadi Borjkhani, Morteza A. Sharif, Fariba Bahrami, Mahyar Janahmadi (2026). NMDA receptor kinetics drive distinct routes to chaotic firing in pyramidal neurons. Frontiers in Computational Neuroscience.
DOI: https://doi.org/10.3389/fncom.2026.1753444
Autor: Redaktor Naukowy Marcin Powęska
