Wrodzone kontra nabyte, badania na bliźniętach ujawniają dziedziczność niektórych własności mózgu

Zdjęcie pochodzące z mediów społecznościowych
Istnieje wiele dowodów na to, że dziedziczymy wiele cech strukturalnych mózgu po naszych rodzicach, takich jak rozmiar mózgu czy kształt kory mózgowej, ale czy odpowiedź naszych mózgów na określone zadania i emocje również jest dziedziczna? Jak duży wpływ na to może mieć środowisko? Badania nad mózgiem pozostawiają wszystkie te pytania bez odpowiedzi. Niedawne badanie analizujące mózgi setek par bliźniąt wykazało, że sposób, w jaki podchodzimy do różnych zadań poznawczych i przetwarzamy różne emocje, może być determinowany przez połączenie czynników genetycznych, jak i środowiskowych. Badanie, opublikowane 12 lutego 2024 roku w czasopiśmie naukowym „Human Brain Mapping”, zostało przeprowadzone przez siedmiu naukowców z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii i Neuroscience Research Australia NeuRA. Naukowcy przeanalizowali wpływ środowiska i genów na odpowiedź mózgu w obliczu różnych zadań, wykonując skany organu na bliźniakach za pomocą technologii funkcjonalnego obrazowania metodą rezonansu. Główna autorka badania Doktor Haeme Park powiedziała: „Przeprowadziliśmy wiele badań w celu zbadania wpływu genetyki i środowiska na strukturę mózgu, ale zrozumienie, jak funkcjonuje nasz mózg, jest znacznie trudniejsze”. Wyniki badania pokazują złożony obraz okazywanych emocji i funkcji poznawczych. Niektóre emocje i funkcje poznawcze są częściowo kształtowane przez geny, podczas gdy inne są całkowicie związane ze środowiskiem. Stwierdzono również, że te same czynniki genetyczne i środowiskowe mogą zmieniać różne właściwości mózgu. Na przykład, czynniki genetyczne jednocześnie wpływają na to, jak przetwarzamy strach, przyjemność oraz na zmysł równowagi.

Doktor Haeme Park. Zdjęcie: unsw.edu.au
Justine Gatt, współautorka badania, powiedziała: „To badanie jest fascynujące, ponieważ daje nam wgląd w to, w jakim stopniu nasze doświadczenia życiowe kształtują nasz mózg. Sugeruje to, że mamy pewną kontrolę nad naszymi mózgami. Kontrolę pewną, ponieważ istnieją czynniki genetyczne, na które wpływu nie mamy”. Profesor Gatt powiedziała również, że „Zrozumienie, które funkcje mózgu są ściśle powiązane ze środowiskiem, może pomóc nam opracować strategie poprawy samopoczucia i poprawy zdrowia psychicznego pacjentów”.
Bliźnięta na wagę złota.
Debata wrodzone kontra nabyte w procesie kształtowaniu mózgu nie jest nowe,  ale badania bliźniąt mogą dostarczyć w niej bardzo dobrych argumentów. Bliźnięta są podobnie lub nawet identyczne pod względem genetyki i wychowania, jednak każde posiada unikalne dla siebie wydarzenia życiowe. Połączenie tych dwóch czynników czyni je wyjątkowymi obiektami badawczym dla genetyków i psychologów w ocenie wpływu czynników środowiskowych i genetycznych na właściwości mózgu.
Profesor Gatt wyjaśnia: „W przypadku badań bliźniąt ważne jest, aby zwracać uwagę zarówno na bliźnięta jednojajowe, jak i dwujajowe. Bliźnięta jednojajowe dzielą wszystkie geny, a jeśli dorastają razem, to dzielą również środowisko. W przypadku bliźniąt nieidentycznych mają one tylko połowę wspólnych genów, ale jednakowe środowisko”. Badania bliźniąt dostarczają mocnych dowodów na dziedziczność budowy mózgu. Sugerują, że różnice w różnych strukturach mózgu można przypisać czynnikom genetycznym. Z drugiej strony, dziedziczność sposobu działania mózgu, oceniana na przykład za pomocą elektroencefalografu, została zbadana słabiej. W badaniu znaleziono tylko 26 zależności, ale i tak są niepewne.
Doktor Park powiedziała: „Tym badaniem chcieliśmy uzupełnić wiele luk w naszej wiedzy. Analizując bliźnięta, chcieliśmy, nakreślić bardziej kompleksowy i pewny obraz wpływu czynników genetycznych i środowiskowych na ekspresję mózgu w procesach emocjonalnych i poznawczych”.
Procesy poznawcze i emocje.

Najnowszy artykuł jest jednym z wielu wywodzących się z australijskiego projektu TWIN-E kierowanego przez Profesor Gatt, do którego w 2009 roku wybrano 1600 par bliźniąt jedno i dwujajowych z całej Australii. W tym badaniu wzięło udział łącznie 270 dorosłych bliźniąt. Profesor Gatt opowiedziała o tym jak przebiegało badanie: „Kazaliśmy uczestnikom wyposażonym w gogle, które pozwalały im widzieć przed sobą zadanie polegające na patrzeniu na różne obrazy i bodźce, leżeć na łóżkach do funkcjonalnego obrazowania metodą rezonansu”. Podczas gdy uczestnicy wykonywali zadania, urządzenie skanowało ich mózgi, aby zmierzyć ich aktywność. Bliźnięta wykonywały łącznie pięć zadań. Dwa były związane z reakcjami emocjonalnymi, takimi jak reagowanie na różne wyrazy twarzy, a pozostałe trzy były związane z funkcjami poznawczymi, takimi jak utrzymywanie uwagi i informacji w pamięci krótkotrwałej. Wyniki skanów mogą pokazać aktywność różnych obszarów mózgu przy wykonywaniu różnych zadać. Zmierzyć można również nasilenie aktywacji poszczególnych obszarów mózgu. „Osoby, które wykazują wyższą aktywację w określonych obszarach mózgu, są oceniane wyżej, podczas gdy osoby z niższą aktywacją niżej. Następnie wykorzystujemy te dane do tworzenia tak zwanego cyfrowego bliźniaka”. Doktor Park powiedziała: „Dzięki statystyce jesteśmy w stanie zrozumieć, jaką rolę w tych różnicach danych odgrywają odpowiednio genetyka i środowisko”.

Modelowanie cyfrowych bliźniąt pokazuje dziedziczność niektórych funkcji mózgu.
Podejście Australijczyków ujawniło dwa kluczowe wnioski podczas analizy wyników. Naukowcy przeanalizowali wpływ genetyki i środowiska na mózg, gdy poszczególne osoby wykonywały zadania. Profesor Gatt powiedziała, że: „Używamy różnych połączeń mózgowych, do przetwarzania różnych procesów na przykład rozpoznawanie smutnej lub wesołej twarzy, będzie wykorzystywać inne obszary mózgu, niż próba zapamiętania czyjegoś numeru telefonu. Odkryliśmy jednak, że w przypadku niektórych z tych połączeń genetyka odgrywa niewielką lub umiarkowaną, ale wciąż ważną rolę. W innych procesach czasem tylko środowisko determinowało funkcjonowanie mózgu”. W badaniu wykorzystano dwie analizy ilościowe, analizę składowych niezależnych ICA i pomiar obszaru zainteresowania ROI mózgu. Analizy ICA pamięci roboczej, utrzymywania uwagi, nieświadomego przetwarzania pozytywnych i negatywnych emocji oraz selektywnego funkcjonowania mózgu wykazały niewielki do umiarkowanego 21-34% wpływu genów, podczas gdy nie było dowodów na dziedziczność okazywania emocji i hamowania reakcji. Przy zastosowaniu metody ROI, poziomy aktywacji wyspy i płatu czołowego wykazały podobne poziomy dziedziczności 29-34%, wykazano to w nieświadomym przetwarzaniu negatywnych bodźców i działaniu selektywnej uwagi uczestników, ale nie wykazano wpływu genów na świadome pozytywne i negatywne emocje, pamięć roboczą, utrzymywanie uwagi i hamowanie reakcji.

Doktor Justine Gatt. Zdjęcie: raisingchildren.net.au
Druga część analizy miała pokazać wpływ różnych czynników genetycznych i środowiskowych leżących u podstaw różnych procesów zachodzących mózgu. Jak mówi Doktor Park „Odkryliśmy na przykład, że sposób, w jaki mózg przetwarza strach i przyjemność oraz nasza zdolność do utrzymania uwagi są warunkowane przez czynniki genetyczne. To sugeruje, że cechy genetyczne mogą wspierać bardzo różne procesy. Zespół odkrył również, że na naszą zdolność do utrzymywania uwagi i pamięć krótkotrwałą wpływają czynniki środowiskowe, co sugeruje, że doświadczenia życiowe ze środowiska jednostki odgrywają ważną rolę w funkcjonowania mózgu”.
Poprawa samopoczucia i odporności na stres.
Chociaż wyniki pokazują, że nasza genetyka i doświadczenia mają kluczowe znaczenie dla funkcjonowania naszego mózgu, to całkowite rozwiązanie tej tajemnicy wciąż pozostaje poza naszym zasięgiem. Jak mówi Doktor Park: „Pozostaje jeszcze wiele rzeczy do zbadania”. Profesor Gatt wraz z Doktor Park i zespołem planują ponownie przeanalizować wyniki. Profesor Gatt powiedziała, że: „Wszystkie te dane tworzą złożony obraz relacji między genami i środowiskiem, które kształtują aktywność mózgu leżącą u podstaw naszego poznawania i emocji. Jednak zrozumienie szczegółów tych procesów, może pomóc w opracowaniu spersonalizowanych strategii leczenia w celu polepszania zdrowia psychicznego lub zmniejszenia stresu”. Profesor Gatt powiedziała, że: „Trwający wciąż projekt TWIN-E dotyczy szerzej pojętego dobrostanu psychicznego i odporności na stres. Używamy tych danych do przewidywania stanu psychicznego pacjentów. Nie tylko patrzymy na geny i środowisko, sprawdzamy także, w jaki sposób różnice w funkcjonowaniu i strukturze mózgu, mogą sprawić, że niektórzy ludzie będą bardziej lub mniej odporni na problemy ze zdrowiem psychicznym.”  Profesor Gatt wyjaśnia: „Zrozumienie, w jakim stopniu nasze doświadczenia życiowe wpływają na mózg w porównaniu z wpływem genetyki, jest ważne, szczególnie dla osób z zaburzeniami nastroju i z zaburzeniami lękowymi. Jeśli ktoś jest bardziej skłonny do koncentrowania się na bodźcach negatywnych niż pozytywnych, a wiemy, że środowisko odgrywa w tym rolę, to poprzez interwencję i edukację możemy ułatwić tym ludziom życie.”