A memóriazavarok kezeléséhez viheti közelebb a tudományt magyar és amerikai kutatók felfedezése
Az emlékek felidézése az agysejtek közötti kapcsolatok, az úgynevezett szinapszisok erősségének változásán alapul. Bár ezt az elméletet már csaknem ötven éve ismerjük, a tudósoknak egészen mostanáig nem sikerült közvetlenül megfigyelniük ezeket a szinaptikus változásokat élő rágcsálómodellben. Az utóbbi években a mikroszkópos technológiák fejlődése lehetővé tette, hogy a kutatók valós időben tanulmányozhassák az élő, viselkedő állatok agysejtjeinek aktivitását is.
„A pontos genetikai és molekuláris célpontok meghatározásához és a jövőbeni terápiákhoz mélyebb ismeretekre van szükség a memória rögzülésének és kialakulásának mechanizmusairól” – hangsúlyozta a munka társadalmi hasznosulását a Columbia Egyetem Zuckerman Intézetének vezető kutatója, Losonczy Attila. Ezen mechanizmusok feltárása kulcsfontosságú a Roska Botond és Rózsa Balázs által alapított BrainVisionCenter számára, a terápiás és diagnosztikai küldetés a tervek szerint részben az intézetben fog megvalósulni.
A hippokampusz az agy egyik legtöbbet vizsgált területe, de az elmúlt évtizedek kutatásai főként EEG vizsgálatokra és agyszelet preparátumokra támaszkodtak. Ezen módszerek bár szükségesek, korlátozott lehetőségeket nyújtanak, mivel nem teszik lehetővé az agyi folyamatok valós idejű és nagy felbontású vizsgálatát élő állatokban. Pedig a neurális hálózatok valós idejű megfigyelése elengedhetetlen az agyműködés mélyebb megértéséhez, amihez olyan technológiák kellenek, amelyek gyorsan és pontosan képesek pásztázni a sejteket és szinapszisokat nagyobb térfogatú mintákban.
„A jelenlegi tanulási- és memóriamodellek, azon alapulnak, hogy a szinapszisok, vagyis a sejtek közötti kapcsolatok erőssége megváltozik az agyban a tanulás, az emlékek rögzülése során. Bár a szinaptikus plaszticitás működésének korábbi bizonyítékai viszonylag egyszerű állatokkal, például tengeri csigákkal végzett kísérletekből, vagy mesterséges körülmények között, például laboratóriumban növesztett agysejtekkel végzett kutatásokból származtak, az elmúlt 50 évben ez a memória modell rendkívül sikeres lett, és a mesterséges intelligencia gyors fejlődése is erre épül. Nem meglepő ugyanakkor, hogy korábban élő állatos vizsgálatokra nem volt példa, hiszen hatalmas technikai kihívást jelentett ez a kutatóknak” – magyarázta Losonczy Attila.
A kutatócsoport Nature-ben közölt munkája ebben hozott nagy áttörést. Céljuk az volt, hogy kidolgozzanak egy módszertant, amellyel a tanulásért és memóriáért felelős idegsejtek hosszú távú szinaptikus plaszticitása, vagyis a szinapszisok erősségének változása (amely akár órákig, napokig is tarthat), valós időben, élő rágcsálómodellekben is mérhetővé válik. Az áttörés elérésében kulcsszerepet játszott a HUN-REN KOKI Rózsa Balázs által vezetett kutatócsoportjának segítségével kifejlesztett, és a BrainVisionCenterben is alkalmazott, speciális kétfoton lézerpásztázó mikroszkóptechnológia. A 3D-s valós idejű képstabilizációval felszerelt rendszer képes az agy folyamatos mozgását kompenzálni, lehetővé téve az agy apró elemi komponenseinek, mint a sejtek és sejtnyúlványok, vizsgálatát.
“Az in-vivo kísérletekben a zsigeri mozgások (szívverés, lélegzés), illetve az akaratlagos mozgás akár több tíz mikrométernyi elmozdulást is okozhatnak, amely lényegesen nagyobb, mint maguk a mérendő struktúrák. Ez viszont ellehetetleníti a nagy térbeli és időbeli felbontással történő méréseket, hiszen a mérendő biológiai képletek (sejttestek, sejtnyúlványok, dendritek, dendrittüskék) folyamatosan kitérnek a lézerpásztázás alól. Az általunk használt femtoszekundumos [ez a másodperc ezermilliárdodrészének egymilliomod része, ennyi idő alatt a fény 0,3 mikrométert halad, ami nagyjából egy baktérium méretének felel meg] lézerpásztázó eljárás valós időben és 3D-ben kompenzál a mozgásra” – magyarázta el az új módszer hasznosságát Rózsa Balázs, a BrainVisionCenter igazgatója, a HUN-REN KOKI vezető kutatója, a publikáció kollaborációs partnere.
A berendezés képes az emberi hajszál vastagságának századrészét kitevő struktúrákban megfigyelni az összes aktivitást, és elég gyors ahhoz, hogy elkapja a szinapszisok erősségének változásait, amelyek másodpercek századrésze alatt történnek. A mikroszkóprendszert az úgynevezett feszültségszenzorokkal együtt alkalmazva sikerült, ami korábban megoldhatatlannak tűnt: élő, viselkedő állat agyában feszültségjeleket mérni egyetlen szinapszis szintjén.
A kutatócsoport egyik legnagyobb meglepetése az volt, hogy a megfigyelt hippokampális neuronok [ezek az agy temporális lebenyében helyezkednek el, a tanulásban, a memóriában és a térbeli tájékozódásban játszanak kulcsszerepet] szinapszisai nem viselkedtek egyformán az idegsejtek faágszerűen szétágazó nyúlványai, az úgynevezett dendritek mentén. A piramis alakú sejtek csúcsa közelében lévő ágak szinapszisainak aktivitása és erőssége változott a kísérletek során, míg a sejtek bázisa közelében lévőké nem. "Még mindig nem világos, miért van ez így, miért lehet ez a mechanizmus fontos" – fejtette ki Losonczy Attila. "Tudjuk, hogy az emlékek több szinten szerveződnek, a szinapszisoktól az egyes neuronokig és idegi áramkörökig, és most azt látjuk, hogy akár sejten belüli szinten is szerveződhetnek."
Mindez megnyitja az utat további kísérletekhez, amiben megpróbálják megérteni, hogyha a szinapszis erőssége megváltozik, mik azok a molekuláris, biokémiai genetikai változások, amelyek ezt az erősséget megtartják, illetve a sejtszinten stabilizálják.
Losonczy Attila csapatának nem ez az első tudományos áttörése, amelyet magyar fejlesztéseknek köszönhetően ért el. 2020-ban a Neuron folyóiratban jelent meg forradalmi tanulmányuk az agy memóriaközpontjában működő gátló idegsejtek működéséről. Ezt követte 2022-ben egy újabb publikáció a Nature-ben, amely bemutatta, hogy az agy egyik fontos memóriaközpontjában az idegsejtek kisebb csoportokba szerveződve, együtt tanulnak.
