Előfizetés a lapra

Friss cikkek

2015/04/23

Szabályozás és kódolás

agy, biológia, hippokampusz, idegrendszer, idegsejt, orvosbiológia, OTKA, pszichológia

Az élőlényeknek bonyolult, gyakran változó, veszélyekkel teli környezetben kell életben maradniuk. Az állatvilág evolúciója során kifejlődő agy teszi képessé gazdáját arra, hogy megértse környezetét, annak veszélyeit és lehetőségeit előre lássa és így hatékonyabban éljen túl fajtársainál és ellenségeinél.

Az agy a főemlősökben érte el jelenlegi fejlődésének csúcsát. Több milliárd idegsejtből áll, melyeket ennél 4 nagyságrenddel (tízezerszer) több kapcsolat, szinapszis köt bonyolult rendszerbe. Az agy a külvilágot a különböző szinten gerjesztett idegsejtek mintázatában (aktivitásában) jeleníti meg, hasonlóan a digitális kamerához, amelyben a képet az egyes képpontokra (pixelekre) eső fény mennyisége írja le. A kevés megapixeles kamera rosszabb képet ad, mint a sok megapixeles kamera, ugyanígy a béka vagy az egér agya kevésbé képes megérteni és előre jelezni a világot, mint a sok „megapixeles” emberi agy. Az idegsejtek aktivitásának alakulása az agy működése, az információ feldolgozása. Ezt pedig a sejtek közötti kapcsolatok erősségének mintázata határozza meg. A kapcsolatok erősségének mintázatát tanulás útján a múlt tapasztalatai határozzák meg.

Patkány hippokampuszának  keresztmetszetén Golgi-festéssel megjelenített serkentő (piramis-) sejtek láthatók

 A fizikai világ egymásra épülő szintekből áll. Az atomok elemi részecskékből állnak és molekulákat alkotnak. A molekulák molekularendszereket alkotnak, melyek sejtekké állnak össze. A sejtek szöveteket alkotnak, melyek szervekké állnak össze, ezek pedig élőlényeket alkotnak. Minden szintnek megvannak a szabályai és hogy milyen szint áll alatta és felette. Az viszont egy igen nehéz kérdés: hogyan fakadnak egy alacsonyabb szintből a felette álló szint tulajdonságai?

Bonyolultabbtól az egyszerűbbig és vissza

Az agy működését két irányból próbálják megérteni a kutatók. A pszichológusok, pszichofiziológusok és megismerés-kutatók a bonyolultabbtól az egyszerűbb fele haladva az emberi agyat a viselkedés és a gondolkodási folyamatok elemzése útján próbálják megérteni. Bonyolult feladatokra adott válaszok reakcióidejét mérve vagy egyre fejlettebb számítógépes leképező módszereket (funkcionális MR, sokcsatornás EEG) használva próbálják elemeire bontani az agyműködést, megérteni a gondolkodás alapelemeit és kapcsolódásuk szabályait. A neurobiológusok (anatómusok, elektrofiziológusok, mi is ide tartozunk) ellentétes irányból: az egyszerűbbtől a bonyolultabb fele haladva próbálják megérteni ugyanazt a rendszert.

 Kutatócsoportunk – az MTA Kísérleti Orvostudományi Kutató Intézet Agykéreg Kutatócsoportja  –  az OTKA támogatásával azt a kérdést vizsgálja, hogy az idegsejtek működésének kölcsönhatásából hogyan áll össze az agy aktivitása, hogyan képes az idegsejtek összjátéka megalapozni a gondolkodási folyamatok alapjául szolgáló agyi folyamatokat.

Eltérő típusú gátlósejtek rajzai a hippokampuszban. A vastag nyúlványok a sejtek dendritjei, ahova a jelek érkeznek. A vékony, sűrű felhőt alkotó nyúlványok az axonok, amelyeken keresztül kommunikálnak a sejtek célsejtjeikkel.

 Az agy kutatása talán legizgalmasabb évtizedét éli. A mérési módszerek és a könnyen elérhető hatalmas számítási kapacitás hatásaként a biológusok most jutottak oda, ahova a fizikusok az 1950-es években, amikor az óriási részecskegyorsítókat, mint például a CERN-t, felépítették. Hatalmas mennyiségű agyi jelet lehet mérni igen finom térbeli és időbeli felbontással és ezeket az adatokat bonyolult (fizikából, matematikából és adatbányászatból kölcsönzött) módszerekkel elemezni. Az agyi képalkotó eljárások felbontása olyan mértékben megnőtt, hogy a gondolkodási folyamatok alatt elkülöníthető agyterületek mérete hamarosan megegyezik azzal a mérettel, amelyben már vizsgálható több száz idegsejt aktivitásának változása. Azaz a két irányból közelítő kutatók – mint a sikeres alagútépítők – összeérnek! Lehetővé válik tehát, hogy megértsük az agy nyelvtanát: jelkészletét és a jelek kölcsönhatásainak szabályait.

Serkentő sejtek serege

Az agy fejlettebb, magasabb funkciókért felelős részét, az agykérget két idegsejttípus alkotja. A sejtek 80 százalékát a serkentő sejtek adják. Kapcsolatrendszerük köti össze a különböző agyterületeket, aktivitásuk mintázata hordozza az információt és szinaptikus kapcsolataikban tárolódik a memória. Egy csak serkentő elemekből álló rendszer működése azonban nem lehet megbízható. Az aktivitás, mint egy gerjedő mikrofonban, könnyen ellenőrizetlen szintre juthat. Az agyban ez epilepsziás rohamként jelenik meg. Ennek megakadályozására az idegrendszer evolúciója során az agy hálózatába különböző típusú gátlósejtek épültek be, melyeknek feladata, hogy szabályozzák az agyi aktivitást és eltérő feldolgozási állapotokba kapcsolják az agy működését.

 Csoportunk a szabályozás és a kódolás irányából közelíti azt a kérdést, hogy az idegsejtek aktivitásának kölcsönhatása hogyan vezet a különböző magatartási mintázatok (alvás fázisai, ébrenlét elemei: felderítés, táplálkozás) alatt megfigyelhető agyi mintázatokhoz, melyek az agyi információfeldolgozási feladatot kísérő aktivitás (memórianyom kialakítása, rövid vagy hosszú távú eltárolása, előhívása) eredményeként jelennek meg. A tudományos megismerés modelleket alkalmaz, egy leegyszerűsített rendszert, mely segít egy pontosan feltett kérdés megválaszolásában.

 A gátlósejtek egyik fontos csoportjának, a kosársejteknek az eloszlása a patkány hippokampuszában

Mi is egy modellrendszerben dolgozunk. Az egész agy vizsgálata helyett a hippokampusz nevű agykérgi területből készített egéragyszeleteket tartunk fent mesterséges körülmények között. Az agyszeletek az élő agyban megfigyelhetőhöz hasonló aktivitásmintázatot mutatnak és beavatkozás hatására aktivitásukat változtatják. Igaz, a rendszer mesterséges, viszont könnyen tudjuk az idegsejtek és az egész hálózat aktivitását mérni, és ami még fontosabb, pontosan be tudjuk állítani a rendszer viselkedését és szabályozni az idegsejtek kölcsönhatását.

 A szeletekből egyszerre mérünk hálózati aktivitás-mintázatot, EEG-t, ami a sejtek összműködését jellemzi, valamint egy vagy több azonosított típusú idegsejt viselkedését. Így következtetéseket tudtunk levonni arról, hogy az egyes idegsejtek hogyan hatnak kölcsön egymással és hogyan alakulnak ki a különböző információfeldolgozást végző agyi állapotok.

Feladatok és munkaritmus-váltások

Két ilyen állapotot vizsgáltunk. Egyfelől a gamma-oszcillációt, mely akkor figyelhető meg, amikor az egér a környezetét deríti fel, és eközben egyrészt előhívja a korábbi tudását, másrészt a rövidtávú memóriában tárolja az eseményeket. A másik állapot az éles-hullám állapota (angol rövidítése SPW), mely akkor indul az agyban, amikor az állatot valamilyen fontos, kellemes inger (például táplálék) vagy kellemetlen inger (ilyen lehet a veszély, a fájdalom) éri. Ez az a pillanat, amikor a közelmúltra vissza kell emlékeznie, hogy azt a helyzetet, ahol valami fontos történt vele, eltárolja a hosszú távú memóriájába. Az egyik fontos magatartási állapotot befolyásoló ingerületátvivő anyag (acetil-kolin) hatását utánzó hatóanyag, carbachol hatására a szelet aktivitása SPW-ből gamma-oszcillációra vált.

 Hogyan lehetséges, hogy ugyanaz az agyi hálózat két eltérő feladatú működést végezhet? Az állapotváltozás annak hatására következik be, hogy a szabályozó anyag egyrészt megnöveli a sejtek serkenthetőségét (kicsit izgágábbak lesznek, kevesebb ingerre is válaszolnak), másrészt csökkenti a sejtek közötti adatátvitel hatékonyságát. Az egyik esetben ritkán indul be aktivitás a rendszerben, de akkor hatékonyan terjed (SPW), a másik esetben állandóan beinduló, viszonylag kiegyenlített aktivitás (gamma) figyelhető meg.

 A hippokampusz elektromos aktivitása SPW és gamma-oszcilláció alatt (sárga)  és az ezt kísérő sejtaktivitás-struktúra (kék)

Képzeljünk el egy mezőt, amelyen ebéd után jóllakott, kicsit álmos nagyothallók üldögélnek, akiknek jól működik a hallókészülékük. Időnként valamelyik felriad, és valami fontosat mond a többieknek, ez az információ jól terjed, mivel jól hallanak. Mindenki lázasan beszélget egy ideig, majd újra elszunnyadnak. Egyszer csak vihar tör ki, ami felébreszti őket, ámde eláztatja a hallókészüléküket és nem jól hallják, mit mond a másik. A mintázat teljesen megváltozik, egy folyamatos zsongás alakul ki, ahogy a hirtelen éber emberek mondanivalójukat próbálják megosztani egymással. A pórul járt nagyothallók példáján nem tudjuk elmagyarázni, miért folyik eltérő információfeldolgozás a két állapotban, ez komolyabb alapozást igényelne, de a mérések és elméletek alapján megmagyarázható, hogy miként megy végbe rövidtávú információraktározás gamma alatt és ennek előhívása, összerendezése és a hosszú távú memóriában való tárolása SPW alatt.

Kifáradt gátlás, vad aktivitás

Vizsgálatainkban azt is elemeztük, hogy mi a különbség a memóriatárolásban fontos SPW-k és a hozzájuk igen hasonló, az epileptikus betegekben megfigyelhető epilepsziás tüskék között. Hasonlóan az egészséges állapotok közötti átmenethez, itt is megváltozik a sejtek serkenthetősége, illetve a kapcsolatok erőssége. Epilepsziás agyban a sejtek megnövekedett serkenthetőségét azonban nem ellensúlyozza a kapcsolatok erősségének csökkenése, hanem a serkentő kapcsolatok erőssége megnő, míg a gátló kapcsolatok több ponton gyengülnek. Amikor az aktivitás a megerősödött serkentő kapcsolatok útján nagyon gyorsan elkezd nőni, ezt nem ellensúlyozza gátlás. Ráadásul a gátlósejtek egyik legfontosabb csoportja a nagy serkentés hatására „kifárad”, működésük megáll. Ez az a pillanat, amikor az összes serkentő sejt elszabadul, és vad aktivitásba kezd. Az epilepsziásokban ez tudatvesztéssel jár, és ha a mozgató rendszerre is ráterjed, külsőleg is látható izomrángásokat okozó rohamokat vált ki. A helyzet olyan, mintha a szunyókáló nagyothallók közé valaki egy petárdát dobna: mindenki egyszerre fog kiabálni, de semmit sem lehet érteni a nagy zajban. Eredményeink alapján célzottabban ható, kevesebb mellékhatással járó gyógyszerek dolgozhatók ki epilepszia kezelésére, illetve pontosabban behatárolhatók az epilepszia fókuszául szolgáló területek.

A bal oldalon egyetlen, fluoreszkáló festékkel megjelölt serkentő sejt, a jobb oldalon pedig ugyanezen sejt háromdimenziós számítógépes rekonstrukciójának képe látható. A 3D-modellt a sejt aktivitásának számítógépes szimulációjára használják.

 Ezek az eredményeink elsősorban a szabályozás kérdését világították meg. Azt derítették fel, hogy a sejttípusok átlagosan hogyan hatnak kölcsön és a gátlósejtek hogyan befolyásolják a serkentő sejtek átlagos aktivitását. Ahhoz, hogy a kódolás kérdését vizsgálhassuk, több száz azonosított serkentő idegsejt aktivitását kell vizsgálnunk. A közeljövőben ez is lehetővé válik. Egy új módszer, az optogenetika teszi ezt lehetővé. Molekuláris biológusok olyan fehérjéket állítottak elő, amelyek a rájuk eső fényt egy hosszabb hullámhosszú fénnyé alakítják (fluoreszkálnak). A kibocsájtott fény mennyisége függ a sejt aktivitási állapotától. Így lehetővé vált, hogy érzékeny kamerákkal filmet készítsünk a sejtek aktivitásának alakulásáról, melyet felvillanásaik jeleznek. Az ilyen „mozik” bonyolult matematikai elemzése teszi majd lehetővé, hogy megértsük, az agy hogyan dolgozza fel az információt.

 GULYÁS ATTILA

OTKA

T023261

T034638

K60927

K83251

PUB-I 114496

 

421
2015/04/21

A nyomfosszíliáktól a geotermikus energiákig

A hét kutatója, fosszília, geológia, interjú, nyomfosszília, Pannon-tó

A Pannon-tavi üledékek Magyarország geológiai múltjának egy különösen izgalmas időszakáról mesélnek. Persze csak azoknak, akik ki tudják olvasni a rétegsorokból. Mint például Babinszki Edit, aki a Magyar Földtani és Geofizikai Intézet tudományos főmunkatársa. Vizsgálatai az új tudományos eredményeken kívül az energiahordozókról is nagyon értékes információkat nyújtanak hazánknak. A kutatás mellett elismert tudományos újságíró és ismeretterjesztő filmes. Vele beszélgetünk.

420
2015/04/17

A világ első mikrobiológiai állatkertje

Amszterdam, biológia, Micropia, mikrobiológia, múzeum

2014 szeptemberében Maxima királynő vezette a Micropia – a világ első mikroorganizmusokkal kapcsolatos múzeuma – megnyitó ceremóniáját Amszterdamban. A különleges múzeumot az Artis Royal Zoo közvetlen szomszédságában alakították ki 12 év előkészület után. A tervezésben és kivitelezésben több kutatóintézet, egyetem, vállalat vett részt. A szerepet vállaló mikrobiológusok, múzeológusok, világítástechnikusok, belsőépítészek, kiállításszervezők és mikroszkópos fotózással foglalkozó szakemberek elé különleges kihívást állított a feladat: élő mikroorganizmusokat látványosan és egyben biztonságosan bemutatni úgy, hogy a mikroorganizmusok életben tartásához ne legyen szükség nagyszámú alkalmazottra.

419
2015/04/16

Alkonyfény-iránytű

A fény nemzetközi éve, élettelen természettudomány, fény, navigáció, OTKA, polarizáció, viking

A Fény Nemzetközi Éve alkalmából cikksorozatban mutatjuk be a viking hajósok által vélhetően használt navigációs eljárásoknak az ELTE Környezetoptika Laboratóriumában is eredményesen kutatott fizikai hátterét. Ismertetjük lehetséges navigációs eszközeiket, különös tekintettel a rejtélyes napkőre, és az égbolt polarizációs mintázatán alapuló feltételezett eljárás lépéseire.

418
2015/04/15

Porrá lett jégkorszakok

éghajlatváltozás, geológia, jégkorszak, lösz, OTKA, Talajok Nemzetközi Éve

Az éghajlatváltozás folyamatának és a lehetséges jövőbeli változásoknak az előrejelzése nem történhet meg a múltban lejátszódott események megismerése nélkül. A rég letűnt idők porviharainak lerakódásai fontos szerepet töltenek be mindebben. A hazánk területét is nagy vastagságban fedő hullóporos eredetű löszrétegek segítségével az elmúlt egymillió év klímatörténetét tárhatjuk fel.

417
2015/04/14

Ólom a vízben?

A hét kutatója, egészségügy, élettelen természettudomány, interjú, ivóvíz, szennyezés, víz

Már az ókori rómaiak is – így hangzik egy gyakori szófordulat, ami a mi esetünkben is igaz, mivel már a rómaiak is használtak ólomvezetékeket. Egyes régi építésű épületekben még manapság is ilyen csövek vannak, ami azért jelent gondot, mert az ivóvízbe beoldódó ólomnak káros egészségügyi hatása van, főként a gyerekekre nézve. Sebestyén Ágnes, az Országos Környezetegészségügyi Intézet Vízhigiéniés osztályának biomérnöke a települések ivóvizének ólomszintjét kutatja – erről beszélt az Élet és Tudománynak.

416
2015/04/10

Talajszennyezésről árulkodó fonálférgek

fonálféreg, OTKA, ökológia, szennyezés, talaj, Talajok Nemzetközi Éve

Az ENSZ közgyűlése két éve a Talajok nemzetközi évének nyilvánította 2015-öt, december 5-ét pedig a Talaj világnapjának. Az „egészséges talajokat az egészséges életért” felhívás a tudatos és fenntartható talajművelésre, környezetkímélő tápanyag-gazdálkodásra és nem utolsó sorban a talajszennyezés elleni összefogásra kívánja terelni a figyelmet. Az OTKA által támogatott kutatásunk ez utóbbi ügyet szolgálja a parányi talajlakó fonálférgek vizsgálatán keresztül.

415
2015/04/08

Energiatermelés egy üstökös felszínén

A hét kutatója, interjú, Philae, Rosetta, űrkutatás, üstökös

November közepén szállt le először ember alkotta eszköz egy üstökös felszínére. Bár a landolás nem a tervek szerint alakult, a szakemberek nem adták fel a reményt a folytatásra. A Rosetta-szonda leszállóegységének tápegységét a BME Űrkutató Csoportjában készítették. A rendkívül bonyolult szerkezetbe tízrétegű nyák-lemezt és több ezer alkatrészt építettek be. Ennek elkészítéséről és az űreszközök energiaellátásról, illetve a Philae-vel kapcsolatos reményekről Szabó József mérnök-űrkutatóval beszélgettünk.

414
2015/04/07

Trockij likvidálása

elvtárs, gyilkosság, szovjetúnió, Sztálin, történelem, Trockij

A híres orosz emigráns kommunista, Lev Davidovics Trockij 1940. május 24-én úgy tért nyugovóra mexikói otthonában, hogy egy cseppet sem aggódott a biztonsága miatt. A 60 esztendős politikus négy évvel korábban kért politikai menedékjogot a tengeren túli országban. Joggal féltette ugyanis életét korábbi harcostársától, Joszif Sztálintól, a Szovjetunió első emberétől, akivel időközben végletesen megromlott a viszonya.

413
2015/04/07

A klónok terjedése

A hét kutatója, biológia, interjú, klón, növény, ökológia, terjedés

A nagyközönség szerint a klónok főként a sci-fi filmekben fordulnak elő – pedig egy átlagos gyep is tele van velük. Érdekes terület a klónok térbeli terjeszkedésének modellezése – ezzel foglalkozik Oborny Beáta, az ELTE TTK Növényrendszertani Ökológiai és Elméleti Biológiai Tanszékének docense. A kutatónő ezenkívül a biológiai fázisátmeneteket is vizsgálja – ide tartozik a magashegységi erdőhatárok kialakulása és a megritkuló fajok kipusztulásának szomorú eseményei is.