2017. július: jegyzet, bioinformatika, portré, lézer, építés, tudomány, agykutatás, logisztika, it, innováció, fenntarthatóság, hulladékgazdálkodás, zöldkörnyezet, energiagazdálkodás, kiállítás/konferencia, megújuló energia
2017. július 4.

Szerző:
Újszászi Ilona

Fotó:
Schmidt Andrea

Felejtenünk kell ahhoz, hogy tanuljunk

„Túlélő” emberi agyszelet-preparátumokat vizsgál anatómiai és élettani módszereket kombinálva Tamás Gábor akadémikus és csapata. A Szegedi Tudományegyetem Természettudományi és Informatikai Kar Agykérgi Neuronhálózatok Kutatócsoport vezetőjétől azt is megkérdeztük, miként bizonyították, hogy az emberi agy jelentősen különbözik az állatokétól.


Az információátadást biztosító idegsejtkapcsolatokat a ’90-es évek kísér­le­teiben az akkor szokásos állatmodel­leken tesztelték az agykutatók. Mikor nyílt lehetőség az emberi agy hasonló vizsgálatára?

– Szegeden 2004-ben kezdtük el az emberi agy idegkapcsolatainak új generációs vizsgálatát. A legelső kísérletek idején, szinte az első pillanatban robusztus jelét láttuk annak, hogy az emberi agykéregben szupererős idegsejtkapcsolatok biztosítják a rendkívül hatékony információáramlást. Ez az eredmény annyira fundamentálisan átalakította az idegi hálózatok működéséről alkotott elképzeléseinket, hogy munkánkban azóta is prioritást élvez ez a kutatási irány.

Tamás Gábor szegedi laboratóriumában
Miként vált lehetségessé az emberi agykéreg működés közbeni vizsgálata?

– A mélyagyi tumor miatt műtött páciens előzetes és írásbeli hozzájárulásával etikai engedélyt kaptunk arra, hogy a beavatkozás miatt mindenképpen eltávolítandó, kisujjkörömnyi felületű agykéregdugón tudományos kísérletet végezhessünk. A sebészek által a műtött páciens agyából eltávolított élő agyszövetdarabkát azonnal mesterséges, de az agy-gerincvelői folyadékhoz hasonló összetételű, tápanyagtartalmú és hőmérsékletű oldatba helyezzük, majd körülbelül fél milliméter vastag szeleteket készítünk belőle. Ez a „túlélő” emberi agyszelet-preparátum körülbelül 24 órán át vizsgálható.

Hol tartanak ennek a projektnek a meg­valósításában?

– Mivel rendkívül ritkán adódik lehetőség emberi szövettel kísérletezni, nagyon felkészülten kell nekiállni a munkának. E pro­­jektben a kísérleti eljárások megtervezése, a mérési módszerek kidolgozása több mint egy esztendeig tartott. Az elmúlt időszakban évente 25-30 emberi agypreparátumot vizsgálhattunk. Amikor erre adott a le­hetőség, akkor három műszakban és túlórázva vizsgálódunk a laboratóriumban. A kísérletes anyag értékessége és ritkasága miatt nem dolgozhatunk olyan tempóban, mintha állatmodelleket használnánk, ezért tervezhetetlen a munkánk előrehaladásának üteme. Tapasztalatom szerint négy-öt évig tart, míg egy-egy projektet befejezünk. E témával kapcsolatban az első publikációink 2006-ban és 2008-ban az ideg- és a biológiatudományok vezető folyóirataiban, köztük például a Science-ben jelentek meg.

A kombinált anatómiai és elektrofi­zio­lógiai analízis elvét doktoran­duszként Oxfordban tanulta meg. Mi az, amit ehhez a tudáshoz „sze­ge­di­kum­ként” tett hozzá?

– Az agysejtek hártyáján átáramló ionáramok biztosítják a sejtek közötti kapcsolatot. Mi olyan pontosan vagyunk képesek megmérni ezeknek a membránionáramoknak az erősségét, amire korábban az emberi sejtek esetében nem volt példa. Így mechanikus magyarázatot tudunk arra adni, hogy az emberi szinaptikus, azaz sejtközi kapcsolatok mitől sokkal erősebbek, mint az eddig vizsgált állatok esetében. Ezzel párhuzamosan a Nusser Zoltán akadémikusnak az MTA Kísérleti Orvostudományi Kutató­intézetben vezetett csoportjával olyan elektronmikroszkópos technikát alkalmazunk, amellyel szintén nem vizsgáltak még emberi agyszövetbeli szinapszisokat. Ez az elektronmikroszkópos tomográfiai eljárás arra képes az idegsejti kapcsolatok helyén, mint amire a CT a teljes testben. Mi nanométeres pontossággal, három dimenzióban tudjuk feltérképezni az anatómiai struktúrát ott, ahol e kommunikáció történik.

A két vizsgálati módszer ötvözésével milyen eredményre jutottak?

– Az idegi kommunikációban egy-egy kvan­tumnyi „csomag” szabadul fel a jeladó sejtből a jelfelfogó sejt felé. Egy állati szinapszist vizsgálva azt látjuk, hogy egy ilyen inter­akcióból átlagosan egy, maximum két kvantum végzi a jelátadást. Egy ilyen rendszer finomhangolása legfeljebb úgy lehetséges, hogy egyszerre több, vagy csak egy szinapszist kapcsolunk be. Ha viszont a sejtközi kommunikációt a szupererős emberi szinapszisokban nézzük meg, akkor azt látjuk, hogy öt kvantumnyi egység áll készen arra, hogy felszabaduljon a jeladó sejtből a jelfogó sejt felé. Ez a felfedezésünk megmagyarázza, hogy az emberi agyban miért olyan nagyon erősek ezek a kapcsolatok, és arra is választ ad, hogy mitől lehet egyesével „halkítani” vagy felerősíteni az emberi szinapszisokat.

Az idegi hálózat dinamikája befolyásolható?

– Vannak gyenge szinapszisok és erős idegi kapcsolatok az emberi agyban. Hogyan lehet tanulási modellezéssel az egyiket erősíteni, a másikat gyengíteni? Az erre a kérdésre adható válasszal új kutatási irányba indultunk el a Nemzeti Agykutatási Program jóvoltából Szegedre települt Karri Lamsa professzor csoportjával együttműködve. A tanulás két alapvető módszere hasonlítható a szobrász munkájához, aki vagy egy halom agyaghoz tesz újabb és újabb részeket és így formálja alkotását, vagy úgy hozza létre művét, hogy egy kőtömbből lefaragja a „fölösleget”. Tehát tanulhatunk úgy is, hogy a kevés információból szelektív erősítéssel, például gyakorlással szerezzük meg a tudást, de úgy is, hogy a sok-sok információból felejtéssel jutunk el a lényeghez. A kétféle tanulási módszert kombinálni is lehet: a szelektív erősítés után felejtéssel eljutni a tudáshoz. Az emberi agy mérete adott, így aztán ha e rendszer információtárolási képessége te­lítődik, akkor a szaturáció következtében szinte automatikusan működésbe lép a beépített felejtési folyamat. Vizsgálati eredményeink azt is megmutatják, hogy a szupererős kapcsolatok tanulás hatására változnak: gyengébbek lesznek. Ennek a változásnak a molekuláris hátterét részben már sikerült feltárni.

A professzor egy idegsejtekről készült fotót mutat.
Hogyan vizsgálódtak?

– Az „ismétlés a tudás anyja” közmondásból kiindulva a tanulásban ismert folyamatokat játszattunk el az erős szinapszisokkal: ugyanazt a motívumot ismételtük az idegi hálózatban. Azt tapasztaltuk, hogy az ismétlést követően az erős szinapszisok szelektíve gyengíthetőek, ráadásul nagyobb mértékben, mintha az eleve gyenge kapcsolatokat igyekeznénk csendesíteni. Az em­beri agyban gyógyszerekkel is megtámogatható a felejtés, vagy úgy is mondhatnánk: a negatív tanulási folyamat generálható. Ez az eredményünk arra is felhívja a figyelmet, hogy az állatmodelleken letesztelt gyógyszerhatóanyagok az emberi agykéregben nem ugyanúgy hatnak.

Mi a radikálisabb oka annak, hogy az emberi ideghálózat nagyban különbözik az állatokétól?

– Erre a kérdésre választ keresve számoltuk meg, hogy hányféle idegsejttípusból épül föl az emberek, illetve a kísérleti állatok agya. Épp most végezzük az utolsó simításokat azon a tudományos közleményünkön, amelyben megadjuk a részletes választ, bizonyítjuk állításainkat. Most csak annyit mondhatok, hogy más összetevőkből áll az emberi agykéreg, mint az állatoké. A variabilitásbeli különbség akkora, mint az Amazonas vidékének őserdeje és egy európai lombos erdő közötti eltérés.

Az emberi és az állati agy lényegi különbségeinek számszerűsítése és bizonyítása után milyen kérdésekre ke­resik a választ – az Európai Unió, a Nemzeti Agykutatási Program, illetve a Nemzeti Kutatási és Fejlesztési Hivatal mellett amerikai magánalapítvány támogatását elnyerve – a következő négy-öt évben?

– Mitől gyökeresen más az emberi idegi hálózatok dinamikája? Miért van abban kitüntetett információáramlásra lehetőség – az állatokéhoz képest? Mitől erősebbek az emberi szinapszisok, azok tanulás vagy más folyamatok eredményeként jönnek létre? Valóban a kvantumok számát váltogatjuk-e akkor, amikor tanulunk, illetve felejtünk? Valószínű, hogy az emberi agy egyedi tulajdonságainak a kialakításában részt vesznek a szuperhatékony kapcsolatok. Ha találunk egy olyan, etikailag vállalható, de információtartalmában az eddigieknél lényegesen gazdagabb eljárást, amivel vizsgálhatjuk a pácienseink agyműködését, akkor azt szeretnénk eldönteni, hogy az erős emberi szinapszisok kapcsán kiala­kuló ese­ményláncolatok hogyan fűződnek gondola­tokká, miként rögzülnek memória­eseményekké. Számítok arra, hogy más kutatások is bizonyítják: az emberi agy jelentősen különbözik minden más élőlényétől. Az agyunk tesz minket emberré.•

 
Innotéka