„Már az első kísérlet is döbbenetes hatással volt az állat viselkedésére. Az egérke futott, futott, majd amikor bekapcsoltuk a lézerfényt, amely aktiválta az általunk vizsgált idegpályát, abban a pillanatban megállt. Nem esett össze, csak mozdulatlanná vált, a fejét ingatta egy kicsit, a tudatát nem veszítette el. Amint kikapcsoltuk a fényt, az állat tovább futott. A pálya aktiválása ugyanígy megszakította a többi viselkedést is, például az evést és a vakarózást. Egyértelmű volt, hogy egy nagyon komoly mozgásszervező központ működésébe szóltunk bele” – mondta az mta.hu-nak Acsády László, az MTA Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet professzora, a kutatócsoport vezetője.

Acsády László és kollégái – francia és svájci kutatók közreműködésével – a világ legrangosabb idegtudományi szaklapjában, a Nature Neuroscience-ben mutatták be eredményeiket. Olyan új idegpályát írtak le az emberi és az egéragyban, amely alapvető fontosságú a mozgások és a tudat szabályozásában.

Az újonnan felfedezett idegpálya egy olyan agyi központba vetül, amelynek sérülése esetén nem vagyunk képesek önálló cselekvésre, és öntudatunkat is elveszíthetjük. Ennek a központnak döntő szerepe van a mozgásszervezésben és a teljes agyra kiterjedő nyugalmi hullámaktivitás kialakításában is. Az új idegpálya ezt a központot célozza meg, és döbbenetesen hatékonyan képes befolyásolni a működését. Gátló hatásával megállítja a mozgások kivitelezését, és az agyat rögtön nyugalmi aktivitásba állítja át. Ez a nyugalom, ez az alapjárat, ez a „bambulás” persze csak a felszín – eközben az agy gyakran ebben az állapotban raktározza el a korábban hallottakat. Nem biztos tehát, hogy az órán üveges szemekkel bámuló diák valóban halálosan unja a tananyagot, az is lehet, hogy az újonnan felfedezett idegpálya aktív, és a diák agya éppen „elmenti” az addig hallottakat.

„A felfedezés remek példa arra, hogy az agy még alapvetően új titkokat tartogat. Lehetséges azonban, hogy a pálya valódi funkciója, orvostudományi jelentősége csak további, több évtizedes vizsgálat után tisztázódik. Az agy bonyolult” – mondja Acsády László.

Az újonnan felfedezett idegpálya szerkezeti tulajdonságai megdöbbentően hasonlóak emberben és egérben, ami arra utal, hogy valamilyen alapvető, ősi, közös, funkciót szolgál.

A 2000-es évek első évtizedétől drámai fejlődés kezdődött az idegrendszer kutatásában. Számos agyi, idegi folyamatot eddig elképzelhetetlen részletességgel vizsgálhatunk, és jóval pontosabban megérthetünk, mint korábban. Napjaink agykutatását egy száguldó gyorsvonathoz hasonlítják. „Aki fel tud szállni erre a vonatra, az benne marad a tudomány vérkeringésében, aki nem, attól nagyon gyorsan eltávolodnak az idegkutatás új irányai” – vélekedik Acsády professzor.

A kutatásokat a Nemzeti Agykutatási Program (NAP) is támogatja, amelynek 12 milliárd forintja a magyar tudomány történetének eddigi legnagyobb, egy tudományágra adott támogatása. Ez jelenleg elég ahhoz, hogy az aktív és fejlődő magyar kutatócsoportok versenyben tudjanak maradni a világ idegtudományával, illetve megteremti a lehetőségét, hogy tehetséges fiatalok belépjenek a versenybe.

„A lakosság elöregedése, valamint az információk áradata növeli a neurológiai és pszichiátriai megbetegedések előfordulását. Az idegtudomány Magyarország egyik legdinamikusabban fejlődő tudományága… Olyan felfedezések előtt nyitja meg az utat, amelyek az agy betegségeinek hatékonyabb kezelését, továbbá prevenciós stratégiák kidolgozását teszi lehetővé” – mondta Freund Tamás, az MTA alelnöke, az MTA Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet igazgatója.

A felfedezés részletei: az új idegpálya és lehetséges szerepe


Acsády László és kollégái – Giber Kristóf, Plattner Viktor, Bokor Hajnalka, Hangya Balázs, Maglóczky Zsófia és Havas László – a Nature Neuroscience márciusi számában közölték eredményeiket. A publikáció súlyának megértéséhez tudnunk kell, hogy évente körülbelül 300 000 idegtudományi publikáció születik világszerte, amelyből a világ vezető idegtudományi lapja, a Nature Neuroscience havonta 10-15-öt fogad el. 2015-ben ez már a második olyan közlemény, amelynek első és utolsó szerzője is magyar. A publikáció nemzetközi együttműködésben valósult meg. Számos kritikus élettani eredmény a párizsi École Normale Supérieure intézetében született, Marco Diana és Stéphane Dieudonné révén, a genetikailag módosított egérvonalakat pedig a Zürichi Egyetem állította elő, Hanns Ulrich Zeilhofer vezetésével.


Mit vizsgál a kutatócsoport?

Acsády László és kollégái az agy thalamus nevű területét vizsgálják. A thalamus a nagyagy „előszobája”: a thalamusban zajlik a nagyagy felé bemenő összes információ előzetes feldolgozása.

A thalamuson belül van egy kis terület (az úgynevezett intralamináris mag), amelynek létezéséről régóta tudnak, de a működése és szerepe még kevéssé tisztázott. Ha ez a terület mindkét agyféltekében megsérül, akkor teljes öntudatvesztés következik be. Ha csak az egyik oldalon sérül, akkor az ellentétes testoldalon mozgási problémák lépnek fel, illetve olyan érzés keletkezik, mintha az agy nem érzékelné az ellenoldali világot. A terület kulcsszerepére utal az is, hogy ha egy komoly agysérülés miatt öntudatlan vegetatív állapotba került beteg agyát ezen a területen ingerlik, akkor – szinte csodába illő módon – mozogni és beszélni kezd. Az ingerlés befejezése után azonban rövidesen visszasüllyed a vegetatív állapotba.

Mindezek alapján úgy tűnik, hogy a thalamusnak ez a területe olyan mozgásszervező, mozgásirányító, a tudat kialakulását befolyásoló központ, amely rendkívül fontos az egész szervezet működése szempontjából. Korábbi kutatások arra utaltak, hogy ezt a területet egy jelentős gátló pálya idegzi be. Ennek eredési helyéről, részleteiről, funkciójáról azonban semmit nem lehetett tudni.

Mit fedeztek fel?

Acsády László és kollégái több éves kutatómunkával feltérképezték ezt a gátló pályát, és kiderült, hogy a pálya az agytörzsből ered. Az agytörzs alapvető vegetatív funkciókat lát el, elemi mozgásszervezést hajt végre, illetve biztosítja az egész agy éberségi szintjét. Az eredmény azért volt megdöbbentő, mert az elmúlt 70 év adatai arról szóltak, hogy az agytörzs nem gátolja, hanem serkenti a thalamust és a többi előagyi területet. Ennek köszönhető például az is, hogy felébredünk: amint az agytörzs aktívvá válik, sok fölszálló pálya serkenti, aktiválja a thalamust és az agykérget, ami ébredéshez vezet. Elalvás esetén ezt a serkentést kapcsolja ki egy nemrégen megtalált pálya, ami a hypothalamusban ered, és blokkolja az agytörzsi ébresztő központokat.

Az Acsády László és kollégái által felfedezett agytörzsi pálya azonban – gátló. További különlegessége, hogy – szerkezetéből adódóan – gátló hatása folyamatos működés során is erős marad (ellentétben más gátló pályákkal), tehát a thalamust stabil, hatékony kontroll alatt tartja.

Rendkívülinek mondható a pálya evolúciós stabilitása is. Az egérhez, illetve az emberhez vezető emlősvonalak legalább 70 millió éve elváltak, az agyfejlődés más irányokat vett. Mégis, ennek a pályának az alapvető szerkezeti tulajdonságai megdöbbentően hasonlóak a két fajban, ami arra utal, hogy a pálya valamilyen alapvető, ősi, közös, funkciót szolgál.

De mi lehet ez a funkció? Mire képes a különleges agytörzsi gátlópálya? Ezek azok a kérdések, amelyekre még néhány éve is lehetetlen lett volna válaszolni, hiszen az agytörzs rengeteg pályája közül nem lehetett ezt az egyet szelektíven aktiválni. Az optogenetikai módszerek segítségével azonban ez megoldható.

Következett tehát a kritikus kísérlet: Acsády és kollégái optogenetikai módszerrel szelektíven aktiválták a thalamus területén az agytörzsi eredetű gátlórostokat.

„Már az első kísérlet is döbbenetes hatással volt az állat viselkedésére. Az egérke futott, futott, majd amikor bekapcsoltuk a lézerfényt, amely aktiválta az általunk vizsgált pályát, az állat abban a pillanatban megállt. Nem esett össze, csak mozdulatlanná vált, a fejét ingatta egy kicsit, tudatát nem veszítette el. Amint kikapcsoltuk a fényt, az egér tovább futott. A pálya aktiválása ugyanígy megszakította a többi viselkedést is, például az evést és a vakarózást. Egyértelmű volt, hogy egy nagyon komoly mozgásszervező központ működésébe szóltunk bele” – mondta Acsády László.

Mi az újonnan felfedezett idegpálya szerepe?

A további kutatásoknak kell kideríteni, miért áll erős gátlás alatt a thalamusnak ez a fontos mozgás- és öntudatszervező területe. Az egyik lehetőség az, hogy az agytörzsből egyszerűen egy „stop”-szignál érkezik, amikor valamilyen viselkedést abba kell hagynunk. Ne felejtsük el, hogy a mozgásokat nemcsak elindítania kell az agynak, hanem be is kell fejeznie őket, például irányváltoztatásnál. Ha valóban van az idegrendszerben egy mozgás-stopszignál, akkor célszerű olyan helyre továbbítani, amely kulcspozícióban van a motoros rendszer szempontjából.

A másik lehetséges magyarázat szerint az agytörzsi gátlás egy finomszabályozást jelent ennek a mozgásszervező thalamicus területnek, lehetővé téve, hogy az itt lévő sok-sok ezer sejtből kiválasztódjon az a néhány száz, amely éppen az adott folyamatos mozgás végrehajtásához szükséges.

Bambulás és lassú hullámok?

Az első magyarázat mellett szól az a nagyon érdekes megfigyelés, hogy amikor a kísérleti állat a pálya aktiválására megállt, akkor az agykérgi aktivitása másodpercek alatt átváltott ébrenléti fázisból nyugalmiba.

Mindenki megáll időnként: ha már túl sokat pörgött az agyunk, néhány pillanatra kikapcsolunk, elbambulunk. Ilyenkor az agy a magas frekvenciás aktivitásból „stand by” funkcióba vált, amit alacsonyabb frekvenciás működés jellemez.

Sok eredmény utal arra, hogy ez a bambulás fontos. Egyrészt pihenés az agynak, másrészt ekkor zajlik az addig beérkezett információk raktározása, feldolgozása és memóriává alakítása. Amikor tehát egy tanár azt látja, hogy a diáknak elúszik a tekintete, akkor tényleg vagy halálosan unja az órát, vagy elgondolkozott a hallottakon, és éppen raktároz.

Lehetséges tehát, hogy az a rendszer, amely segít megállítani a testet, abban a pillanatban segíti az agyat is, hogy átkerüljön egy lassú hullámú, feldolgozó állapotba.

„Semmiképpen nem akarunk okosabbnak látszani, mint amilyenek vagyunk. A pálya leírásával a kezdeti lépéseket tettük meg, és bemutattuk egy lehetséges feladatát. Ám nagyon könnyen lehetséges, hogy számos más funkció is köthető majd ehhez a pályához. Ami nagyon valószínű, hogy a fájdalomérzékelésben és bizonyos epileptikus aktivitás kialakításában is nagyon komoly szerepe van” – mondta Acsády László.

 

Az idegtudomány forradalmának technikai pillérei

Miért mondhatjuk, hogy forradalom zajlik az idegtudományokban?

A 2000-es évek első évtizedétől drámai fejlődés kezdődött az idegrendszer kutatásában. Számos agyi, idegi folyamatot eddig elképzelhetetlen részletességgel vizsgálhatunk, és jóval pontosabban megérthetünk, mint korábban. Ezek alapján várhatóan sok tankönyvet kell majd újraírni. Az új eredményekre alapozva pedig gyorsabban és sikeresebben lehet majd gyógyítani az idegrendszer betegségeit.

Mi ennek a gyors fejlődésnek az oka?

A fejlődésnek három alapvető módszertani-technológiai pillére van:

1. Az idegi aktivitásban szereplő egyes molekulák funkciójának minden korábbinál pontosabb vizsgálati lehetősége, azaz a molekuláris biológia betörése az idegtudományba.

2. Az egyes idegsejttípusok, agyterületek tetszés szerinti ki- és bekapcsolásának lehetősége, az ún. optogenetika alkalmazása az idegtudományban.

3. A mikroszkópos vizsgálatok óriási fejlődése, azaz a szuperrezolúciós képalkotás elterjedése az idegtudományokban.

Mit jelent a molekuláris biológia betörése az idegtudományba?

Az idegrendszer nagyon sokféle idegsejtből áll, és minden egyes sejt nagyon sokféle molekulát termel. Ilyen molekulák például az idegi ingerületátvivő anyagok és az őket érzékelő fehérjék (receptorok). Ezek segítségével kommunikálnak egymással az idegsejtek.

Az idegrendszer működésének megértéséhez alapvető fontosságú, hogy tisztázzák, mi az egyes molekulák szerepe.

A molekuláris biológia módszereivel lehetővé vált, hogy a kutatók tetszés szerint vizsgálják a molekulákat. Bármelyik idegsejttípus esetében módosíthatják a sejtek által termelt molekulákat, és megnézhetik, hogyan változik ennek következtében az idegrendszer vagy az idegrendszer egy részének működése.

Egy példa: a GABA (gamma-amino-vajsav) nevű vegyület az egyik legfontosabb ingerületátvivő anyag az idegrendszerben. A GABA-t érzékelő molekulákból, a GABA-receptorokból azonban nagyon sokféle létezik. Ezeken a receptorokon hat az idegrendszer gyógyszereinek jelentős része, altatók, fájdalomcsillapítók stb. Állatkísérletekben ma már megoldható, hogy a kutatók kiválasztanak egyet a sokféle GABA-receptorból, módosítják, és csak ennek az egynek a hatását vizsgálják különféle tevékenységekben, például a fájdalomcsillapításban, az alvásban vagy éppen az epilepszia kialakulásában.

Mi lehet ennek a gyakorlati haszna?

Ha az egyes molekulák pontos szerepe, működésük pontos helye tisztázódik, akkor ezt fel lehet használni a célzott gyógyításban. Már vannak olyan klinikai próbák, amelyek során egészen súlyos esetekben „hasznos” vírusok segítségével fehérjéket, ingerületátvivő anyagokat, gyógyszermolekulákat juttatnak be az emberi agyba azért, hogy lokálisan fejtsék ki a hatásukat. Például epilepsziás rohamokat okozó területre juttatnak be olyan molekulát, amely gátolja az idegi aktivitást. A Parkinson-kór esetében is körvonalazódik egy olyan új készítmény, amelyet célzottan juttatnak be az agyba, és amely képes megakadályozni a dopamintartalmú sejtek rohamos fogyását, vagyis a betegség okát.

Miért forradalmian új megközelítés az optogenetika alkalmazása az idegtudományban?

Ha korábban az egyes agyterületek szerepét vizsgálták különféle tevékenységekben – például evésben, alvásban, tanulásban –, akkor ezt úgy érték el, hogy vagy kiirtottak (inaktiváltak) bizonyos agyterületeket, vagy elektromos ingerléssel aktiválták őket. Azonban minden agyterületen sokféle idegsejt van, és az adott agyterület a sejtek mellett ide érkező és itt átfutó idegrostokat is tartalmaz. Egy agyterület működése ezen alkotóelemek kölcsönhatása révén valósul meg. E működést akkor értjük meg valójában, ha az egyes elemeket külön tudjuk vizsgálni. Erre azonban eddig nem volt mód.

Az utóbbi években azonban e téren is szédületes fejlődés következett be. Gyakorlatilag tetszés szerint lehet ki-be kapcsolgatni agyterületeket és idegsejttípusokat, azaz térben is, időben is kontrollálni lehet a működésüket. Így pontosan meg lehet mondani, mi az egyes agyterületek és sejttípusok szerepe egy-egy életfolyamatban.

A „kapcsolgatás” fénnyel történik. Felfedeztek ugyanis olyan – adott hullámhosszú fénnyel aktiválható – fehérjéket, amelyek egyben ioncsatornák is. Hasonló ioncsatornák kinyílása és bezáródása biztosítja az idegsejtek normális működését is. Amikor ezeket a fényérzékeny ioncsatornákat fény éri, akkor kinyílnak, és az idegsejtek vagy aktiválódnak (depolarizálódnak), vagy más fehérjék használata esetén inaktiválódnak (hiperpolarizálódnak).

A fényérzékeny ioncsatornát kódoló gént egy vírus segítségével juttatják be a vizsgálni kívánt agyterületre. A gén kifejeződik, azaz létrejönnek a fényérzékeny ioncsatornák, és beépülnek a módosítani kívánt idegsejtek membránjába. Ezután nincs más hátra, mint – akár száloptikával – nagyon célzottan megvilágítani az adott agyterületet, és a fényt ki-be kapcsolgatva vizsgálni a szerepét.

Mi lehet ennek a gyakorlati haszna?

Az optogenetikai módszerekkel az idegrendszeri hálózatok egyes elemeit lehet ki-be kapcsolni tetszőleges módon. Az így nyert megfigyelésekből ki lehet következtetni az egyes elemek szerepét az egészséges agyi működésben, illetve azt, hogy egy adott betegségben melyik elem hogyan károsodott. Ennek alapján pedig célzott gyógyszert vagy kezelést lehet tervezni. Példa egy még közvetlenebb alkalmazásra: a retina degenerációja esetén jelenleg ilyen fényérzékeny molekulák szembe juttatásával próbálják megmenteni a látást.

Mit jelent a szuperrezolúciós képalkotás elterjedése az idegtudományokban?

Az idegrendszer szerkezetének felderítésére eddig fénymikroszkópot és elektronmikroszkópot használtak a kutatók. A fénymikroszkóp használata egyszerű, de finom részleteket nem lehet vele megfigyelni: az egy mikrométer alatti struktúrákat már nem képes felbontani (a mikrométer a milliméter ezredrésze). Pedig az idegrendszerben számos ennél kisebb dolog létezik, pl. az idegsejtek kapcsolódását biztosító szinapszisok csak néhány száz nanométeresek (a nanométer a mikrométer ezredrésze).

Az elektronmikroszkóppal láthatók a nanométeres szerkezetek is, ám használata roppant drága, körülményes és időigényes, ráadásul élő sejtet nem is lehet megfigyelni vele (a minta előállításának módja miatt).

Ebbe az óriási szakadékba tört be a szuperrezolúciós mikroszkópia, amely bizonyos trükkökkel átlépi a fénymikroszkópia feloldásának határát, és viszonylag egyszerű módszerekkel képes az elektronmikroszkópét megközelítő felbontásra. A 2014-ben kémiai Nobel-díjjal http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2014/press.html jutalmazott módszert Magyarországon az MTA KOKI-ban használták először. Szuperrezolúcióval akár élő sejtek szinapszisait is lehet vizsgálni, 20-40 nanométeres felbontásig.

Versenyképes marad-e a magyar idegtudomány?

A Nemzeti Agykutatási Program (NAP) 12 milliárd forintja – amely a magyar tudomány történetének eddigi legnagyobb egy tudományágra adott támogatása – jelenleg elég ahhoz, hogy az aktív és fejlődő kutatócsoportok versenyben tudjanak maradni, illetve megteremti a lehetőségét, hogy tehetséges fiatalok belépjenek a versenybe. A NAP által finanszírozott csoportok mind a három új területen jelen vannak, és rendkívül sikeresen alkalmazzák ezeket a módszereket.