Forradalom az idegtudományban
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 NAP, vagyis Nemzeti Agykutató Program, amelynek első eredményeiről is szó esett a Magyar Idegtudományi Társaság 2015. január végén rendezett tizenötödik konferenciáján.
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 jövő évi, tizenhatodik konferenciáján tart előadást. Az idei találkozóra tíz országból négyszázan érkeztek. Mindig voltak külföldiek, most 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 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.
2014 decemberében 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, a Magyar Idegtudományi Társaság (MITT) 15. konferenciájának elnöke szerint páratlan az az előrelépés, amely az elmúlt négy-öt évben ezen a területen történt.
Ilyen jellegű változások az idegtudomány elmúlt száz évében nem voltak. Az utóbbi fél évtizedben a más területekről származó felfedezések teljesen új megközelítéseket tettek lehetővé. Az idegkutatók olyan kérdéseket tehetnek fel, amilyenekről tíz éve még nem is álmodhattak, hiszen nem láthattak olyan részleteket, amilyeneket most. 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 eredményeként olyan technikák születtek, amelyekkel egyes agyterületeken az egyes sejttípusokat szelektíven tudjuk gátolni vagy serkenteni” – mondja Acsády László.
Egy kutató ma már tetszése szerint be- vagy kikapcsolhat sejteket. Ez azért fontos, mert míg pl. 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 a kutatók csak felületes információkat mondhattak a hálózat működéséről, s valójában nem tudták, mi zajlik a mélyben.
Napjainkra 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 történt változás, és monitorozható a többi idegsejt megváltozott aktivitása. Öt-tíz évvel ezelőtt az idegsejtek egyenkénti vizsgálatának lehetősége még elképzelhetetlen volt.
De ez még nem minden! Az is lehetővé vált, hogy adott idegsejttípus egyetlen fehérjéjét tetszés szerint módosítsuk. Ettől kezdve igen ígéretes gyógyászati megoldásokra nyílik lehetőség, hiszen minden idegrendszeri gyógyszer alapja az, hogy adott molekulára próbál hatni. E molekulák szelektív, agyterület-specifikus befolyásolására eddig nemigen volt mód.
„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 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 (szinapszist) 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 jelentették. Ilyen technika kidolgozásáért nyerte el három kutató a tavalyi kémiai Nobel-díjat. 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”.
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 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, tavaly 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.
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.
Tavaly a Neuronban, a világ két vezető idegtudományi folyóiratának egyikében 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.
Forrás: Innotéka.hu
