2018. január – NAP 1.0 különszám: Nemzeti Agykutatási Program
2018. január – NAP 1.0 különszám: Nemzeti Agykutatási Program
2018. január 26.

Szerző:
Szegedi Imre

Fénnyel kapcsolt idegsejtek

A hazai lakosság egyharmada szenved valamilyen idegrendszeri kórképben. Csak a migrén mintegy egymillió embert érint Magyarországon. Ennek ellenére az idegtudományi kutatások egészen a legutóbbi évekig nem kaptak olyan támogatást, mint amilyen indokolt lenne. Ezen a helyzeten segített a Nemzeti Agykutatási Program, amelynek első eredményeiről is szó esett a Magyar Idegtudományi Társaság január végén rendezett tizenötödik konferenciáján. Az esemény kiváló alkalom arra, hogy áttekintsük e tudományág közelmúltját.


„Az idegrendszeri kutatások széles területet ölelnek fel. A nagyközönség általában az agykutatók munkásságát ismeri, ők azok, akik a központi idegrendszerrel foglalkoznak. Természetesen számos kutatás koncentrál a periferiális idegrendszerre és a gerincvelő megismerésére is. A tu­do­mányág művelői szoros kapcsolatot ápolnak a neuroló­gusokkal, ami már a klinikai orvostudomány felé jelent kapcsolatot. Rajtuk kívül klinikai kutatók is tagjai a társaságnak” – tájékoztatta magazinunkat Acsády László, a Magyar Idegtudományi Társaság (MITT) tizenötödik konferenciájának elnöke.

Népszerű Budapest
A legnagyobb nevű külföldi előadók vettek részt a Magyar Tudományos Akadémia székházában tartott konferencián, ami azt jelzi, hogy a magyar idegtudományi kutatásokat napjainkban is nagyra tartják a világban. A vezető kutatók évekre előre lekötik programjaikat, van, aki évi három-négy előadásnál többet nem vállal. Budapestre az öt felkért világhírű tudós közül négy eljött, az ötödik a Magyar Idegtudományi Társaság 2016-os, tizenhatodik konferenciáján tart elő­adást. A 2015-ös találkozóra tíz országból négyszázan érkeztek. Mindig voltak külföldiek, ezúttal azonban minden korábbinál többen jöttek a határon túlról.
A Kepecs Ádám által szervezett szimpóziumon (Cortical states, attention & neuromodulation) például a figyelem kor­tikális (agykérgi) mechanizmusait tár­gyalták olyan világhírű kutatók bevonásával, mint Kenneth Harris (UCL, London) és Alex Thiele (Newcastle Uni­versity), akik ugyanazt a problémakört külön­böző megközelítésből, különböző techni­kákkal vizsgálják. Izgalmas, hogy ma már neurobiológiai szinten vizsgál­ható a figyelem, és ennek meg­értése nem­csak elméleti előrelépést jelent, ha­nem például segíthet több pszichiátriai betegség kezelésében is.

Az, hogy a nagyközönség az agykutatók munkáját ismeri a legjobban, több okkal magyarázható. Például majdnem mindenkit érdekel, hogy miként működik az agyunk, ám a periferiális idegrendszer iránt nem tapasztalható ilyen fokú kíváncsiság. Ebben azért annak is szerepe lehet, hogy az agykutatók megtanulták, hogyan tárják eredményeiket közérthetően az érdeklődők elé. De mindenképpen meg kell említeni, hogy a meghatározó magyar tudományos iskolák is a központi idegrendszerrel kapcsolatos kutatásokra koncentráltak.

Az egyik a Szentágothai Jánoshoz köthető iskola. A Magyar Tudományos Akadémia korábbi elnöke az idegrendszerkutatás számos területén tett rendkívül fontos felfedezése­ket. A Pécsi Orvostudományi Egyetem Anatómiai Tanszé­ké­nek vezetőjeként iskolateremtő munkát végzett a neuroanatómia terén, 1961-ben az ő tanszékén kezdték el hazánkban az elektronmikroszkópos agykutatást. 1963-ban visszatért Bu­da­pestre, a Semmelweis Orvostudományi Egyetem Anatómiai Tanszékének vezetését vette át. Itt elsősorban a kisagy- és nagyagykéreg működését tanulmányozta. Emellett egyebek között kísérleti agykutatással, a gerincvelői és agytörzsi pályákkal, valamint a reflexmechanizmusokkal is foglalkozott. A másik iskolateremtő Grastyán Endre – Szentágothai tanítványa – pécsi elektrofiziológus professzor volt, aki az idegsejtek működésével foglalkozva ért el számos átütő eredményt. Az ő tanítványai közül a legismertebb az Agy díjas Buzsáki György, aki évek óta az Egyesült Államokban dolgozik. (A két másik Agy díjas kutató, Freund Tamás és Somogyi Péter ugyancsak a Szentágothai-iskolából került ki.)

A vezető hazai agykutatók jelentős részének érdekes módon nem orvosi, hanem biológusdiplomája van, ilyen Acsády László, Freund Tamás és a szegedi Tamás Gábor is. A jelenség egyik magyarázata, hogy alapvető szemléletbeli különbség van a biológusok és az orvosok oktatása között. A biológus elméletileg mindig kérdez, problémát keres, megoldást akar találni. Aki nem kérdez, abból nem lesz jó kutató. Az orvosnak alapvetően nem ez a feladata. Neki a rendelkezésére álló információk alapján el kell tudnia dönteni, hogy a lehetséges kezelési módok közül melyiket válassza. Ebből következően statikusabban kezeli az ismeretanyagát, mint az állandóan kérdező biológus. Az orvosegyetemi oktatás kevésbé kérdés-, sokkal inkább megoldáscentrikus, hiszen a gyógyítás a cél. Ettől függetlenül nagyon sok kiváló, orvosegyetemet végzett agykutató dolgozik. Ugyanakkor az is igaz, hogy napjainkban már nem csak az élettudományban jártas szakembereknek jut hely az agykutatásban. A legkülönbözőbb területekről kerülnek erre a területre. Fizikusok, mérnökök, informatikai szakemberek nélkül nem fejlődne ilyen ütemben ez a tudományág. Olyan bonyolult műszerekkel dolgoznak, olyan nagy mennyiségű adatot kell feldolgozniuk, hogy más képzettségűekre is szükség van.

2014 decemberében éppen azért kötött együttműködési megállapodást a Magyar Tudományos Akadémia Természettudományi Kutatóközpont az Országos Klinikai és Idegtudományi Intézettel és a Teradata Magyarország Kft.-vel, hogy új megközelítésben vizsgáljanak egyes idegrendszeri betegségeket. E megbetegedések kutatása és gyógyítása során ugyanis óriási mennyiségű adat keletkezik. A szövetkezők az informatikában „Big Data” technológiának nevezett eljárásokkal rendszereznék, elemeznék az adatokat. A szakemberek célja egy olyan – hiánypótló – integratív adatbázisrendszer kialakítása, amely egyszerre alkalmas nagy mennyiségű, az elektronok elektromos aktivitását valós időben regisztráló EEG, illetve multimodális klinikai és kutatási adatok tárolására és rendszerezésére, valamint párhuzamosan és erőforrás-hatékony módon futtathat analitikus algoritmusokat.

Minden tudományra igaz a dinamikus fejlődés, de Acsády László szerint páratlan az az előrelépés, ami az elmúlt négy-öt évben ezen a területen történt. Ilyen jellegű változások az idegtudomány elmúlt száz évében nem voltak. Az elmúlt fél évtizedben a más területekről származó felfedezések abszolút új megközelítéseket tettek lehetővé. Új lehetőségek nyíltak meg az idegkutatók előtt, olyan kérdéseket tehetnek fel, amilyenekről tíz éve még nem is álmodhattak, hiszen nem ismerhettek olyan részleteket, amilyeneket most láthatnak. Továbbá azért, mert korábban nem tudták olyan mértékben befolyásolni, szabályozni a folyamatokat, ahogy azt napjainkban megtehetik. Hiszen minden kísérletező tudomány azt tudja vizsgálni, amit precízen tud kontrollálni.

„A forradalom fő eredménye, hogy olyan technikák születtek, amelyekkel az egyes agyterületeken az egyes sejt­típusokat szelektíven tudjuk gátolni vagy serkenteni” – állítja Acsády László. Egy kutató ma már tetszése szerint bekapcsolhat vagy kikapcsolhat sejteket. Ez azért fontos, mert az összes többi szervvel ellentétben az idegrendszer nagyon sokféle sejttípusból áll. Míg a májat és a tüdőt is csupán néhány sejttípus építi fel, addig az idegrendszer a legszerényebb becslések szerint is több százféle sejttípusból áll. És akkor még nem beszéltünk arról, hogy az idegrendszert százmilliárd sejt alkotja. Ezek az idegsejtek a legkülönbözőbb hálózatokba szerveződnek, s amíg nem tudták ezeket egyenként ki- és bekapcsolni, addig csak felületes információik lehettek a kutatóknak a hálózat működéséről, és valójában nem tudták, hogy mi zajlik a mélyben.

Napjainkra jutott el oda a tudomány (elsősorban a molekuláris biológia módszereinek alkalmazásával), hogy az idegsejtek membránjába beépülő, fény által aktiválható molekulák segítségével az egyes idegsejtek működését precízen, a másodperc ezredrészének pontosságával tudják szabályozni, aktivizálni vagy kikapcsolni, akár szabadon viselkedő állatokban is. Minden egyes beavatkozásnál mérhető a kísérleti alany viselkedésében bekövetkezett változás, és monitoroz­ható a többi idegsejt megváltozott aktivitása. Öt-tíz évvel ezelőtt az ideg­sejtek egyenkénti vizsgálatának lehetősége még elképzelhetetlen volt.

Mindezek mellett lehetővé vált, hogy egy adott idegsejttípus egyetlen fehérjéjét is tetszés szerint módosítsuk. És ettől kezdve igen ígéretes gyógyászati megoldásokra nyílik lehetőség, hiszen minden, az idegrendszerre ható gyógyszer alapja az, hogy egy adott molekulára próbál hatni. Eddig nem nagyon volt mód az ilyen molekulák szelektív, agyterület-specifikus befolyásolására. „Egy agyterületről teljesen eltüntethetek vagy módosíthatok egy fehérjét. Megváltoztathatom az érzékenységét jól ismert gyógyszerhatóanyagokra. Ezekkel a módszerekkel a kutatók újravizsgálhatnak számos alapvető idegi folyamatot a fehérjék, a sejtek és a hálózatok szintjén. Ha tíz évvel ezelőtt valaki azt mondja nekem, hogy a laboromban nemsokára kikapcsolhatóvá válik egyetlen idegsejttípus aktivitása egy adott agyterületen, álmodozó fantasztának tartom. De ma már ez valóság, mindennapi rutin. Egy, az egér koponyájába bevezetett apró száloptikával, lézerrel megvilágítom az adott agyterületet, és rögtön tanulmányozhatom a cél sejttípus szerepét, feladatát” – vázolja a változásokat Acsády László.

Ezzel párhuzamosan óriási volt a fejlődés a mikroszkópok területén is. Az elektronmikroszkóppal egészen apró, egy mikrométer alatti struktúrákat is tudunk vizsgálni. Ez első­sorban az axonvégződések, a szinapszisok nagyságrendje. Eddig az elektronmikroszkóp volt az egyetlen eszköz, amellyel ilyen felbontással tudtak vizsgálódni. A fénymikroszkópoknak a fizika törvényei miatt kisebb a felbontóképességük – az emberi szem számára is látható hullámhossztartományban (nagyjából 450-650 nanométer) az optikai mikroszkópia egymástól legalább 200-300 nanométer távolságra levő pontokat képes két különálló pontként leképezni –, ezekkel a sejtek szerkezetét, alakját nézhették, de az agykutatás esetében leglényegesebb információt, a két idegsejt közötti kapcsolatot már nem. Csakhogy az elektronmikroszkópos mérés elképesztően időigényes. Ha statisztikailag releváns számú mintát akar a kutató – ha arra keresi a választ, hogy például a Parkinson-kóros beteg szervezetében hogyan változnak meg az idegvégződések szerkezeti tulajdonságai –, ahhoz esetenként évek kellenek. Ezen a téren az áttörést a szuperrezolúciós technikák megjelenése jelentette. Ilyen technika kidolgozá­sáért nyerte el három kutató a kémiai Nobel-díjat 2014-ben. Stefan Hell, Eric Betzig és William Moerner együttműködve, mégis önállóan dolgozva jutott el olyan megoldásokig, melyek ma már több kutatóhelyen is elérhetőek, és együttesen a „szuperfeloldású mikroszkópiák” nevet viselik. Trükkök sorával érték el, hogy a klasszikus optikai mikroszkópok felépítését megtartva a tárgypontokról nyert képpontok „méretét csökkentették”, és ily módon javították a térbeli feloldást a 40–80 nanométer tartományban, ami az élettudományok világában hallatlan előrelépést jelentett. Hell és Moerner alkotta meg a STED (STimulated Emission Depletion) mikroszkópot.
Eric Betzig a szintén széles körben használt PALM (Photo­Activated Localization Microscopy) technikát fejlesztette ki.

„Ezek az eljárások a legkülönbözőbb trükkökkel kijátszották az optikai felbontás határát, emellett az elektronmikroszkóppal vetekedő felbontást tudnak elérni úgy, hogy nem időigényes, és egyszerre nagyon sok alkotóelemről szerez­hető be mérhető információ, ami nagyban megkönnyíti ezeket a vizsgálatokat” – értékelt Acsády László.

Forradalmi volt az áttörés az élő agyban végezhető mikroszkópos mérések és az agyi aktivitás kimutatásnak területén is. A Magyar Tudományos Akadémia Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet (MTA KOKI) csoportvezetője, Rózsa Balázs – akit magazinunkban is bemutattunk – 2008-ban a világon elsőként alkotott háromdimenziós pásztázó lézermikrosz­kópot. Egy 3D-s kép hagyományos mikroszkóppal körülbelül öt perc alatt készül el, az új technikával – ugyanolyan jelerősséggel – egy milliszekundum alatt. A lézermikroszkóp az elektronikusan hangolható lencséinek köszönhetően akár egymilliószor gyorsabb térbeli szkennelési sebességre képes, mint a jelenleg elérhető pásztázó mikroszkópok. Ez a sebesség már elegendő ahhoz, hogy optikailag fel tudjuk bontani az agyműködést jellemző gyors folyamatokat. A kutatóknak a háromdimenziós mikroszkóp segítségével sikerült feltér­képezniük az agyhullámok során az idegsejtek nyúlványaiban megjelenő kalciumhullámok keletkezését, terjedésüket a nyúlványokban, illetve megérteni főbb tulajdonságaikat. Ez az első nagyobb biológiai felfedezés, amely a háromdimenziós mikroszkópiának köszönheti létrejöttét. A kutatók nem titkolt szándéka a találmány hasznosítása az agykutatás mellett az agysebészet és diagnosztika területén is.

Rózsa Balázsék több mint 17 nemzetközi szabadalommal rendelkeznek a témában. Találmányaikért 2012-ben átvehették a Szellemi Tulajdon Nemzeti Hivatalának innovációs díját, 2014-ben pedig Rózsa Balázst az Ernst & Young „merész újító” innovációs díjával tüntették ki. Tudományos eredményeik a legrangosabb szaklapokban (például: Nature Methods, 2012; Nature Neuroscience, 2012; Nature Neuroscience, 2014; Neu­ron, 2014; Neuron, 2015; PNAS, 2011; PNAS, 2007) jelentek-jelennek meg, eredményeiket pedig a legnagyobb idegtudományi világkonferenciákon mu­tatták be.

Az új mikroszkóptechnológia az MTA KOKI intézetében született spin-off cég, a Femtonics Kft. tevékenységének köszön­hetően indult el világhódító útjára. Magyarország, Svájc és Franciaország mellett már az Egyesült Államokban is kiépültek olyan laboratóriumok, amelyek Rózsa Balázs kutatócsoportjával közösen egy-egy fontos agykutatási területen alkalmazzák az új technológiát.

A Neuronban, a világ két vezető idegtudományi folyóiratának egyikében 2014-ben publikálták új eredményüket. Az MTA KOKI, a Pázmány Péter Katolikus Egyetem (PPKE), vala­mint a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem mun­ka­csoportjai a memóriában alapvető szerepet betöltő agyhullámok (éles hullám) keletkezésének egy új mechanizmusát írták le. A mérések során megtalálták azt az eddigi elméletek által jósoltnál nagyságrendekkel kisebb elemi struktúrát, amely már képes agyhullámot generálni. Ez az elemi rezgő egység az egyik legismertebb gátlósejttípus sejtnyúlványának mindössze néhány 10 mikrométer hosszúságú szakasza. A kutatók eredményei szerint ez az eddig passzívnak hitt sejttípus az agyhullámok alatt „életre kel”, aktivitása megnő, nyúlványaiban hullámszerűen haladó jelek keletkeznek. A vizsgálatok szerint e haladó hullámok és a hozzájuk társuló elemi oszcillátorok igen fontos szerepet töltenek be az idegsejtek működésében, meghatározzák az idegsejt kimeneti jelét. A kutatók jelenleg is újabb témákon dolgoznak, például egy olyan megoldáson, amely lehetővé teszi egyszerre több agy­régió neuronhálózatának egyidejű vizsgálatát, ami az agy igen komplex integratív tevékenységének megértéséhez szükséges.

Makara Judit agykutató 2011-ben a Lendület Programnak köszönhetően jött haza a világ egyik vezető kutatóhelyéről, az amerikai Howard Hughes Medical Institute-ból az MTA KOKI-ba, hogy itthon folytassa az idegsejtek információfeldolgozását célzó kutatásait. Alapvetően a dendritekkel foglalkozik, vagyis az idegsejtek nyúlványaival, amelyek a más sejtektől érkező információt fogadják. (Makara Judit 2006-tól dolgozott a dendritek kutatásában világszerte ismert Jeffrey Magee laboratóriumában, a Howard Hughes Medical Insti­tute-ban.) A hazatérés nem vett vissza a lendületéből, 2012-ben a világ egyik vezető folyóiratában, a Nature-ben publikálta amerikai munkatársaival végzett munkáját.
A dendritek szerepét feltáró kutatásait a Lendület keretében Budapesten folytató (orvos végzettségű) idegtudós a cikk első változatának írásakor már az MTA KOKI-ban dolgozott, és a bírálók által kért további kísérletek egy részét is abban az új laboratóriumban végezte el, amelyet hazatérése után szerelt fel. A Nature-ben publikált vizsgálatok egyik legfőbb eredménye, hogy kétfoton-mikroszkópia és elektrofiziológiai módszerek kombinálásával a korábbiaknál jóval közvetlenebb módszerrel sikerült kísérleti körülmények között megvizsgálnia a tanulásban és emlékezésben központi szerepet játszó agyterület, a hippokampusz úgynevezett piramissejtjein talál­ható dendrittüskék elektromos tulajdonságait. Az eredmények alapján feltételezhető, hogy a dendrittüskék elektromos viselkedése jelentősen befolyásolhatja az idegsejtek információtárolási képességét.

Az idegkutatás egyik alapvető problémája annak megértése, hogy milyen stratégiák alkalmazásával oldja meg az ideghálózat az óriási mennyiségű információ tárolását. Azt már tudjuk, hogy az információ tárolása különböző szinteken való­sulhat meg, az egyes szinaptikus kapcsolatok működésének módosításától kezdve az idegsejten mint kódolóegységen át a bonyolult hálózati kódolásig. Ezek a mechanizmusok minden bizonnyal egymással is szorosan összefüggenek. A dendrittüskék eltérése számos idegrendszeri betegség – például az Alzheimer-kór és más mentális zavarok – esetében jellemző. A tüskék normális működésének, elektromos tulajdonságainak jobb megismerése tehát hozzájárulhat az idegrendszeri információfeldolgozási zavarok megértéséhez.

A 2015-ös konferencia programbizottsá­gában is tag Ma­kara Judit 2014-ben elnyerte a Boeh­rin­ger Ingelheim gyógy­szergyár és az Európai Idegtudományi Társaságok Szövetsége (FENS) által odaítélt Kutatási Díjat az idegtudományok területén elért rendkívüli kutatási eredményeinek elismeréseként. A 2002-ben alapított díjjal a FENS kétévente ismeri el egy-egy 40 év alatti, felfedező kutatásokat folytató szakembernek az ideg­tudományok területén elért, kiemelkedően újszerű és innovatív eredményeit. Az MTA KOKI-ban dolgozó kutatók közül Makara Judit a második, aki megkapta a rangos elismerést: a Lendület Celluláris Idegélettani Kutatócsoport munkáját irányító Nusser Zoltán – az ő portréját is olvashatták már az Innotékában – 2006-ban az idegsejtek közötti információáramlás tanulmányozásában elért kutatásaiért vehette át a díjat.

2013-ban a Neuronban, 2014-ben a Nature Methodsban is publikált Makara Judit. Utóbbi lapban munkatársával, And­rás­falvy Bertalannal egy különleges megoldásról számolt be. Az általuk javasolt eljárással nem csupán a célzottan vizsgálni kívánt sejteket, hanem a kutatásnál használt eszköz rendkívül finom hegyét is fluo­reszcensen láthatóvá lehet tenni. „Azoknál a kísérleteknél, amelyeknél a jelölt sejtekkel szeretnénk célzott vizsgálatokat végezni, az egyik nehézséget az jelenti, hogy egyszerre tegyük láthatóvá a sejtet és a pipetta hegyét. Az eddig erre használt megoldások azonban nem ideálisak” – magyarázta el eredményük lényegét az mta.hu-nak And­rás­falvy Bertalan, aki amerikai és svájci idegtudósokkal közösen új eljárást fejlesztett ki. Ötlete nyomán az üvegpipetta felszínét módosított tulajdonságú félvezető nanorészecskékkel vonták be. Ezek előnyös tulajdonsága, hogy rendkívül jól tapadnak az üvegfelülethez, erősen fluoreszkálnak, ráadásul a kibocsátott fény hullámhossza a felvitt anyag összetételétől és méretétől függően változik, így különböző színekben használható az adott kísérlet igényeinek megfelelően. A kutatók egyértelműen igazolták a fluoreszcens pipetták alkalmazhatóságát: több száz mikrométer mélyen is sikeresen végeztek például célzott elektrofiziológiai méréseket fluoreszcensen jelölt sejteken, vagy juttattak be plazmidokat kiválasztott, jelölt sejtekbe. A speciális pipetták számottevően megkönnyíthetik a fluo­resz­censen azonosítható kis méretű sejtalkotók, például a vékony idegsejtnyúlványok célzott vizsgálatát is. Az MTA KOKI amerikai partnereivel együttműködésben megkezdte az új módszer nemzetközi szabadalmaztatását.

„A modern neurobiológia egyik legizgalmasabb területe a kognitív folyamatok vizsgálata a neurobiológiai mechanizmusok szintjén. Ma már rendelkezünk olyan magas szintű technológiákkal, amelyek lehetővé teszik ezeknek az összefüggéseknek a feltárását. Munkatársaimmal ezen a te­rületen végzünk kutatásokat” – tájékoztatta magazinunkat Ke­pecs Ádám, a New Yorkhoz közeli Cold Spring Harbor La­bo­ra­toryban önálló kutatóegységet (KepecsLab) vezető szak­ember, a konferencia egyik szimpóziumának szervezője. A Ke­pecs­Lab-ban egerek és patkányok viselkedésében olyan kognitív kérdéseket tanulmányoznak, mint a döntések bizonyossága (decision confidence) vagy a figyelem kérdése. A legkorszerűbb elektrofiziológiai technológiával keresik a konkrét viselkedés és a neuronok működésének kvantitatív összefüggéseit, korrelációját, majd molekuláris módszerekkel manipulálják a neuronokat, hogy megállapítsák, melyik neurális hálózat milyen viselkedést generál. Emellett elkezdtek olyan humán kísérleteket is, amelyek célja annak ellenőrzése, hogy vajon az állatokon szerzett viselkedési megfigyelések érvényesek-e emberekre is?

„Az intézetek, laborok közötti együttműködés nagyon gya­kori. A mi laborunk a többi között Rózsa Balázs csoportjával dolgozik. Együtt próbáljuk megérteni, hogy egy specifikus neurális hálózat, amit mi a hallókéregben fedeztünk fel, vajon az agykéreg más részein is hasonlóan működik, vagyis egy úgynevezett kanonikus kortikális hálózatot képvisel-e?” – tudtuk meg Kepecs Ádámtól.•

2015. február

 

 
Archívum
 2011  2012  2013  2014  2015  2016  2017  2018

Innotéka