Analóg vagy digitális módon működnek az idegsejtek? Hogyan mérhetjük meg és hogyan tehetjük láthatóvá, mi történik az agyban? És hogyan manipulálható az agy működése… akár a koponyán keresztül is? Hangya Balázs, az MTA KOKI kutatója az Agykutatás Napjain tartott előadásában az agyműködés megismerésének és befolyásolásának forradalmian fejlődő tudományterületéről adott áttekintést.
Már a bevezető elején felvetett kérdésből látszik, hogy Hangya Balázs nem egyszerű terepre invitálta hallgatóságát. A válasz pedig természetesen: is-is. Amikor az idegsejt hosszú nyúlványain messzire – olykor az agy egészen távoli területére – juttatja el az információt, a hatékonyabb digitális adatátvitel használatos (van jel/nincs jel), amikor viszont az idegsejt a beérkező információkat összegzi, a számítás pontossága megköveteli az analóg műveleteket (ahol a jel nagysága is számít).
A Brainbow nevű technológiával véletlenszerűen színezett neuronok – forrás: Hangya Balázs előadása
Áramból fény, fényből adat
Egészen a kétezres évek elejéig az élő állatok idegsejtjeinek aktivitásmérésére nem igazán volt más módszer, mint hajszálvékony elektródákat szúrni a kísérleti állat agyába, és ezeken közvetlenül mérni az elektromos áramot. Hangya Balázs röviden kitért erre a máig széles körben alkalmazott eljárásra – melynek technikai feltételei, mondanunk sem kell, jelentősen fejlődtek –, azonban az előadás nagy részében mégiscsak az utóbbi bő évtized forradalmi újításáról, az optikai, mikroszkópos vizsgálati módszerekről beszélt.
A kutatók ugyanis rájöttek, hogy egy ügyes módszerrel (amelyhez szükség volt a kristálymedúza fénykibocsátásának megértésére) az idegsejtek aktivitását – egészen pontosan az aktivitással járó ionáramlást – fénnyel lehet láthatóvá tenni. Az itt alkalmazott fizikai jelenség, a fluoreszcencia alapja, hogy bizonyos molekulák adott színű fénnyel megvilágítva magasabb energiaállapotba kerülnek, majd némi változást követően más színű fényt bocsátanak ki. A medúzából eredetileg kinyert fluoreszcens fehérjét kék fénnyel kell besugározni, és válaszul zöld fényt ad ki, azonban a felfedezés óta eltelt évek során más színben világító változatokat is kifejlesztettek – így, ügyes genetikai manipuláció révén az egyes idegsejtek akár különböző színekben is megjelenhetnek.
Ahhoz persze, hogy az élő kísérleti állat agyát működés közben vizsgálják, a mikroszkópos technika miniatürizálására is szükség volt. (Ennek pontos részleteiről az mta.hu írt bővebben.) Léteznek a kifejezetten az efféle vizsgálatok céljaira kitenyésztett kísérleti állatok is, ilyen például az a zebrahaltörzs, amelynek koponyája teljesen átlátszó, így kívülről is vizsgálható az agyi aktivitása optikai módszerekkel. Hangya Balázs elmondta azt is, hogy a jelenlegi technika már nemcsak néhány idegsejt, de közepes méretű agyterületek aktivitásának egyidejű megfigyelését is lehetővé teszi – ez az ún. mezoszkóp.
A kristálymedúza fluoreszcens fehérjéjére épülő optikai módszerek a kalciumionok vándorlását jelzik. Mivel ez a folyamat erősen kötődik az idegsejtekben megjelenő akciós potenciál kialakulásához, így az idegsejtek “tüzeléséhez”, ezért alkalmas az idegi aktivitás megjelenítésére. Léteznek azonban közvetlenül az elektromos aktivitásra reagáló festékek is, melyek egyetlen hibája, hogy a jelenlegi változatok mérgezőek az állati szervezetre – Hangya Balázs szerint azonban a szakma bennük látja a jövőt.
Különféle agyi elektródák – forrás: Hangya Balázs előadása
És végül… fényből gondolat
A kutatók szempontjából talán még izgalmasabb lehetőség, hogy megfelelő (opto)genetikai beavatkozással a fenti folyamat megfordítható: fénnyel aktivitásra lehet bírni az idegsejteket. Előadásában Hangya Balázs ezt egy igen meggyőző videóval demonstrálta – egy egér viselkedését befolyásolták fénnyel ingerelve agyának egyes idegsejtjeit. A fényérzékenység akár idegsejttípusonként is befolyásolható, így szelektíven elérhetők jól meghatározott sejtcsoportok is.
Az idegsejtek optikai aktiválása a kísérletek mellett gyógyászati alkalmazások lehetőségét is felveti, azonban a módszer alkalmazásához valahogy el kell juttatni a fényt az idegsejtekhez – ehhez pedig optikai szálak beültetésére van szükség. Az előadásban utolsóként bemutatott módszer azonban egy ügyes fogással ezt a problémát is képes kezelni. Az új eljárás lényege, hogy az optogenetikailag fényérzékennyé tett idegsejtekbe különleges nanorészecskéket juttatnak be. E nanorészecskék infravörös sugárzás hatására az idegsejtek aktiváláshoz szükséges fényt bocsátanak ki. Az infravörös sugárzás pedig képes áthaladni a koponyán és az agyszöveten, így már nincs is szükség a fényt a koponyán belülre vivő optikai szálakra.
Hangya Balázs előadásának videofelvétele, melyben a fentiek mellett állatkísérletekről, a Parkinson-kór és a látáskárosodás új kezelési módjairól is beszél, alább teljes terjedelmében megtekinthető:
A videofelvételt Tóth Gergely készítette
