2018. július–augusztus: jegyzet, portré, anyagtudomány, tudomány, zöldkörnyezet, Nemzeti Agykutatási Program, agykutatás, robotika, nanotechnológia, innováció, ipari automatizálás, közlekedés, lézer, neutronkutatás, energiagazdálkodás, megújuló energia, építés, vízgazdálkodás, it

A gerincvelőben „senki” nem az, „akinek” látszik?

A Debreceni Egyetem Anatómiai, Szövet- és Fejlődéstani Intézetét vezető dr. Szücs Péter korábban bebizonyította, hogy a gerincvelő fájdalominformációt felsőbb agyi központokba juttató neuronjai az eddigi feltételezésekkel ellentétben szerteágazó kapcsolatrendszerrel rendelkeznek a gerincvelőn belül is.


A Nemzeti Agykutatási Program keretében működő kutatócsoportjával dr. Szűcs Péter most egy speciális vizsgá­lati eljárással azt próbálja igazolni, hogy a sejtek bemeneti nyúlványai (dendritek) alapján meghatározott csoportok nem fedik a kimeneti nyúlványok (axonok) alapján alkotható csoportokat, vagyis úgy tűnik, a gerincvelőben „senki” nem teljesen az, mint „akinek” eddig látszott.

A NAP2 munkacsoport tagjai (balról): dr. Varga Angelika, dr. Szücs Péter, dr. Mészár Zoltán, Kókai Éva (PhD-hallgató), dr. Sivadó Miklós (PhD-hallgató) és Dócs Klaudia (PhD-hallgató). A képről hiányzik dr. Varga Zoltán, a Biofizikai és Sejtbiológiai Intézet munkatársa, a NAP2 munkacsoport tagja. Az ő fel­adata a vizsgált axonokon található ioncsatornák funkcionális vizsgálata.
Az Ön és munkacsoportjának eredményei jelentősen megváltoztathatják az eddig elfogadott morfológiai beosztá­sokat. Eszerint sok olyan gerincvelői sejt, amelyeket a dendritjeik – vagyis a más sejtektől érkező információkat fogadó nyúlványaik – alapján korábban egy csoportba soroltak, azok az axon, vagyis a kimenő információt továbbító nyúlvány alapján nem feltétlenül tartoznak egy csoportba. Mit találtak egészen pontosan?

– A mi kutatásaink első körben a gerincvelő legfelszínesebb területével, az úgynevezett egyes laminájával foglalkoztak, amely úgynevezett projekciós neuronokat tartalmaz. Ezek szerepe az, hogy a gerincvelőben feldolgozott információt eljuttassák a felsőbb agyi központokba. E sejtek között korábban dendrit megjelenésük alapján tettek különbséget, és három-négy különböző csoportot írtak le, amelyek, úgy tűnt, hogy némileg elkülönülnek neurokémiai karakterük és elektrofiziológiai tulajdonságaik alapján is. Az általunk végzett, axonokat célzó vizsgálat során viszont az derült ki, hogy az axonmintázat alapján létrehozható csoportok egyáltalán nem azonosak a dendritek alapján létrehozott csoportokkal. Míg egyes kimeneti sejtek axonjai kizárólag felsőbb központokba tartanak, addig más sejtek axonjainak számos oldalága magában a gerincvelőben is elágazik és kapcsolatokat létesít. A vizsgált idegsejt saját gerincvelői szelvényén belül és kívül egyaránt találtunk ilyen kapcsolatokat. Ezen kissé meglepődtünk, hiszen amíg a szelvényeken átívelő kapcsolatrendszer a mozgatórendszer esetében triviális: egy négy lábon járó állat mellső lábainak nyilvánvalóan összhangban kell mozogniuk a hátsókkal, az érzőrendszer esetében ez a szerveződés nehezebben magyarázható. Mégis, eredményeink alapján megállapítható, hogy az interneuronoknak, vagyis a kizárólag gerincvelői kapcsolatokkal rendelkező idegsejteknek is kiterjedt szelvényeken átnyúló kapcsolataik vannak. Tehát úgy tűnik, hogy az információfeldolgozás érző idegrendszer esetében sem pusztán szegmentálisan történik, hanem a szomszéd szegmensek nagyon is erősen beleszólnak egymás munkájába. A gerincvelői idegsejtek axonjainak részletes rekonstrukciójával megmutattuk, hogy ezek lényegesen kiterjedtebb interszegmentális kapcsolatrendszerrel rendelkeznek, mint korábban gondoltuk. Az axonok vizsgálatát az a módszer tette lehetővé, amelyet hatéves portói kutatásaim során Boris Safronovval kidolgoztunk, s amelynek alkalmazásához nem kell a gerincvelőt felszeletelni, ferde infravörös fénnyel megvilágítva éppen azok a gerincvelő felszínén elhelyezkedő szenzoros idegsejtek válnak láthatóvá, amelyek kapcsolatrendszerét fel kívánjuk deríteni.

A gerincvelő legfelszínesebb rétegében elhelyezkedő interneuronok (zöld és piros sejt) és egy projekciós sejt (kék) axonelágazódási mintázatának 3D rekonstruált képe a gerincvelő kontúrjába illesztve. Mindhárom sejt több szegmentumon átívelő nyúlványrendszerrel bír. (Dr. Szücs Péter rekonstrukciója a NAP2 csoport jelenlegi kísérleteit megalapozó korábbi munkából)
Az izolált egész gerincvelő vizsgálatára alkalmas erre a célra tervezett speciális mérőkád és preparátumtartó. A gerincvelő az objektív alatt egy kicsiny aranylapra van felragasztva, hogy ne mozduljon el az egyszerre akár két gerincvelői sejtből történő elektrofiziológiai mérések során. Az objektív mögött helyezkedik el az infravörös LED, amely megvilágítja a gerincvelő felszínét.
Milyen tudományos konzekvenciái lehetnek ennek a fel­fedezésnek?

– A vizsgált axonok oldalágainak száma, gerincvelőben való elhelyez­kedése, illetve az axon lefutása alapján a projekciós sejteknél négy axoncsoportot állítottunk fel, ám ezek, mint már említettem, nem fedték a dendritek morfológiáján alapuló csoportokat. Ebből kiindulva úgy ítéltük meg, hogy a gerincvelő hátsó szarvának többi, szintén elsősorban dendritmintázata alapján csoportba sorolt sejt esetében el kell végezni az idő- és munkaigényes axonmintázat-meghatározást is. Nagyon fontos ugyanis a sejt bemenete, vagyis a dendrit, de legalább ennyire fontos a kimenete, vagyis az axon, hiszen a sejt hálózati szerepét minimálisan fele mértékben ez utóbb fogja definiálni. Mi éppen ezért az axonjuk alapján tervezzük funkcionális csoportokba sorolni a gerincvelői neuronokat, a későbbiekben pedig szeretnénk ezt a többi beosztással egybevetni. Az axonok célpontjait vizsgáljuk normál és kóros körülmények között is, mivel valószínű, hogy az adott sejt szerepe kóros körülmények között megváltozik, és esetleg a változás mikéntje is lehet egy funkcionális beosztás alapja.

Dr. Szücs Péter témavezető, Kókai Éva és dr. Sivadó Miklós PhD hallgatókkal választja ki a vizsgálandó gerincvelői felületes neuront. Dr. Sivadó Miklós végzi az elektrofiziológiai mérések többségét.
Egy a gerincvelői hátsó szarv széli részén elhelyezkedő interneuron Neurolucida rendszerrel rekonstruált képe. A rekonstrukciót készítő Kókai Éva PhD hallgató és témavezetője dr. Szücs Péter a sejt axonjának kezdeti szakaszát (sárga színnel feltüntetve a képernyőn) tanulmányozzák. A sejt dendrtijei narancssárga színnel láthatók a képernyőn.
A fájdalomcsillapítás annál kisebb kockázattal jár, minél távolabb történik az agytól. Lehet-e az önök kutatásainak eredménye egy teljesen újszerű gerincvelői fájdalomcsillapítási eljárás?

– Mi alapkutatást végzünk, ezért direktben semmiképpen sem, eredményeink viszont megalapozhatnak gyógyszerkutatást. Annál is inkább, mert foglalkozunk a szervezet egyik belső fájdalomcsillapító rendszeréhez tartozó, úgynevezett endogén opioid peptideket (például enkefalinokat) tartalmazó idegsejtekkel is, amelyek például elhúzódó fájdalom hatására képesek helyben befolyásolni a fájdalominger feldolgozását, sőt már a fájdalominformáció beérkezését is. Ha ezeknek a neuronoknak a helyi kapcsolatrendszerét feltárjuk, akkor ez elősegítheti az ezt a rendszert célzó gyógyszerkutatást. Érdekel bennünket az elektromos gerincvelő-stimulációs eljárások hatásosságának a magyarázata is, ezzel ugyanis még adós a tudomány. Úgy gondoljuk, hogy a felszínközeli sejtek hálózati kapcsolatainak megértése ehhez is közelebb vihet bennünket.

A gerincvelő hátsó szarvában található enkefalin- (endogén opiát) tartalmú idegsejtek kapcsolatrendszerének megértéséhez elengedhetetlen a sejtek axonjának pontos feltérképezése. (A) Az infravörös LED-del megvilágított gerincvelő felszínén egy­- idejűleg elvezetett, szinaptikusan kapcsolt két sejt képe. (B) A sejt-1 aktivitása gátolja a sejt-2 aktivitását – piros nyíl. (C) A két elvezetett idegsejtbe juttatott jelölőanyag fluoreszcens előhívása után a sejtek és nyúlványaik zöld színnel tűnnek elő. (D) A két elvezetett idegsejt Kókai Éva hallgató által, Neurolucida rendszerrel rekonstruált képe a gerincvelő kontúrjában és egy kinagyított részleten – balra lent. (E) Sematikus ábra a két sejt közötti kapcsolat magyarázatára.
A fájdalom kellemetlen, a simogatás vagy a masszírozás viszont kellemes élmény, ami adott esetben képes a kellemetlent elnyomni vagy legalábbis enyhíteni. Mi lehet ennek a magyarázata?

– A jelenség magyarázatára Patrick David Wall és Ronald Melzack alkotta meg az úgynevezett kapu-kontroll teóriát, miszerint az eltérő szenzoros modalitásokat szállító idegrostok a gerincvelőben egymás hatékonyságát befolyásolják. Ugyanakkor mi azt gondoljuk, hogy itt különösen fontos lesz az axonelágazódási mintázatok pontos ismerete ahhoz, hogy megértsük, az eltérő szenzoros bemenetek hogyan befolyásolják egymás érzékelését. A hogyanra tehát egyelőre nincs kielégítő válasz – mi magunk is keressük.•

 
Innotéka