Álmodnak a halak is?

A Nature folyóirat oldalain közölt új kutatás szerint a halak alvása is szakaszokra bontható, ráadásul ezek a szakaszok kísértetiesen hasonlítanak az emberi alvás két fő szakaszához, a lassú hullámú (mélyalvás) és a gyors szemmozgásos (REM) alváshoz. A lassú hullámú alvást főleg az ébrenlét fáradalmainak kipihenésével, a gyors szemmozgásos alvást pedig elsősorban az álomlátással szokták kapcsolatba hozni. A szakaszok megléte a halaknál egyrészt a címben foglalt kérdésre adható választ tolja a „lehetséges” irányába, másrészt az alvás szakaszainak törzsfejlődési vonatkozásait bolygatja fel és remélhetőleg hasznos, új eszközzel szolgál az alváskutatásnak is.

Alvásszakaszok az állatvilágban

Az alvás különböző szakaszait 1950 környékén írták le, először az embernél. Jelenleg négy szakaszt különböztetnek meg, ezek közül a legjellegzetesebb a REM és a lassú hullámú alvás. A szakaszokat néhány élettani paraméter alapján különítették el egymástól, így például a mélyalvásra alacsony frekvenciájú, nagy amplitúdójú elektroenkefalográfiás (EEG) jel jellemző (ez az agykérgi idegsejtek szinkronizált aktivitásából eredeztethető), ehhez pedig csökkent izomtónus és szívfrekvencia társul. A lassú hullámú alvást a szakemberek az alvás restoratív, helyreállító szakaszának tartják, amit többek között az a tény is támogat, hogy az alvásmegvonás hatására elsősorban ennek a szakasznak az időtartama növekszik meg (ami egyébként a lassú hullámok gyakoriságának és amplitúdójának fokozódásával is együtt jár).

A REM szakaszra az ébrenlétihez hasonló, deszinkronizált agykérgi aktivitást tükröző magas frekvenciájú EEG regisztrátum, az agytörzstől a látókéreg felé terjedő aktivációs hullámok, az izomtónus elvesztése, változékony szívritmus és a névadó gyors szemmozgások jellemzők. A REM alvást már a felfedezésétől fogva az álmokhoz kötik, mivel ebből a szakaszból ébresztve az esetek kb. 90%-ában számolnak be álomélményről a kísérleti személyek (más szakaszok esetén ez 10% alatt van). Mivel ezeket a szakaszokat eddig csak a magzatburkosok (emlősök, madarak és hüllők) képviselőinél mutatták ki, felmerült, hogy az ezekre a csoportokra jellemző összetettebb agykérgi szerveződés tette szükségessé az alvás különböző szakaszainak megjelenését.

swsrem
A lassú hullámú és a REM alvás fontosabb jellemzői (Forrás: Hobson és Pace-Schott, 2002 – Nature Reviews Neuroscience).

Kísérletek a zebrahallal

A zebrahal a modern biológia egyik kedvelt modellállata, mivel kis méretű, gyorsan szaporodik, ráadásul a lárvák teste teljesen átlátszó. Ez utóbbi tulajdonság lehetővé teszi, hogy például a fluoreszcens anyaggal jelölt sejtek sorsát figyelemmel kísérhessék az élő állatban. Ebben a kísérletsorozatban is éppen ezt használta ki a Stanford Egyetem kutatócsoportja.

dreiro
A zebrahal és lárvája (Forrás: wikipedia.org).

A kutatók géntechnológiai módszerekkel érték el, hogy a zebrahalak idegsejtjei egy genetikailag kódolt kalcium indikátort fejezzenek ki. Ez gyakorlatilag egy fehérje, melynek térszerkezete a kalcium-ionok hatására megváltozik, így fluoreszcenssé válik és a megfelelő fénymikroszkópos eljárással kimutatható lesz. Mivel az idegsejtek aktivációjakor a sejten belüli kalcium-ion koncentráció megemelkedik, a fehérjéktől származó fluoreszcens jel az idegsejtek aktiválódására utal.

A kalcium indikátor révén a zebrahal lárvájának áttetsző testét mikroszkóp alá helyezve egyéb beavatkozás nélkül megfigyelhető az idegsejtek tevékenysége. Az egyetlen probléma az, hogy amennyiben az állat mozog, nem lehet következetesen azonosítani a fluoreszcens jel forrását. A zebrahal esetében ez úgy küszöbölhető ki, hogy az állatokat a mikroszkópos vizsgálat előtt agaróz gélbe helyezik, ami mozgásképtelenné teszi őket, viszont a víz és a légzési gázok áramlását nem akadályozza. Ez a helyzet persze abszolút nem normális az állatok számára, ezért a vizsgálat előtt alvásmegvonáson estek át, hogy biztosan elaludjanak: egy folyamatosan mozgó csőben vándorló buborék riasztotta fel mindig az elszunyókáló lárvákat.

A mikroszkópos vizsgálatok eredményei szerint az agykéreg sejtjeinek aktivitása az éber állatokban még deszinkronizált volt, viszont az elalvást követően szinkronizálódott, ráadásul az aktivációs mintázatot leíró mutatók annak függvényében változtak, hogy a vizsgálat előtt mennyi időre vonták meg az alvást az adott állattól. Ezek szerint a zebrahal lárváinak alvása legalább két jellemzőjében (szinkronizált agykérgi aktivitás, alvásmegvonás hatása) hasonlít a lassú hullámú alváshoz.

A kutatók ezután különböző altatókat adtak be a zebrahalaknak. A vegyületek egy részének hatására újra a fent leírt jelenségeket figyelték meg, azonban azok a szerek, amik a REM alvásban érintett idegrendszeri folyamatokat befolyásolják emlősökben, másféle neurális tevékenységet idéztek elő alvás közben a kísérleti állatoknál. Először megjelent egy a középvonalban hátulról előre haladó aktivációs hullám, ezt egy visszafelé haladó, a teljes agykérget érintő hullám követte, majd a kéreg az ébrenlétihez hasonló, deszinkronizált aktivitást mutatott, közben az állat szemmel láthatóan aludt. Ezek a REM szakaszra emlékeztető megfigyelések: emlősöknél hasonló hullámok jelennek meg a szakasz kezdetén, majd megindul a deszinkronizált agykérgi aktivitás.

Ezután a kutatók kiterjesztették módszerüket néhány további fontos fiziológiai paraméterre: a vázizmokban és a szívizomban is kalcium-érzékeny festéket fejeztettek ki. Az izmok összehúzódásának előfeltétele, hogy az izomsejtekben megnövekedjen a kalcium-ion koncentráció, vagyis ezek a sejtek összehúzódásukkor produkáltak fluoreszcens jelet. A kutatók így a zebrahal lárvák teljes testének megfigyelése révén képesek voltak követni az izomtónus változásait, a szemmozgásokat és a szív összehúzódásait is.

fluorfish
A zebrahal lárva idegsejtjei fluoreszkálnak a mikroszkóp alatt [A – feji vég; P – farki vég; L – bal oldal; R – jobb oldal; méretarány: 100 μm] (Forrás: Leung és mtsai., 2019 – Nature).

A további vizsgálatok során arra figyeltek fel, hogy az agarózba zárt állatok néhány órás hozzászokás után mindenféle beavatkozás nélkül is elalszanak. A természetesebbnek mondható alvás során mindkét előbb említett neurális aktivitási mintázat megjelent és a szinkronizált aktivitás mellé csökkent izomtónus és szívfrekvencia, illetve a szemmozgások hiánya társult, míg a hullámszerű aktivitással kezdődő, deszinkronizált idegi tevékenységhez az izomtónus megszűnése, a szívritmus rendszertelensége és gyors szemmozgások voltak köthetők. A zebrahalak alvásának két szakasza tehát kísértetiesen hasonlít a lassú hullámú, illetve a REM alváshoz.

Szóval álmodnak a halak is?

Az alvás során tehát két szakasz jelent meg a zebrahal lárvájánál, amik nagyon hasonlítottak a magzatburkosok két fő alvásszakaszára. A kutatók szerint ezen hasonlóságok fényében el kell vetni az elképzelést, hogy a magzatburkosok idegrendszeri szerveződésével együtt jelentek meg az alvás különböző szakaszai. Az új eredmények arra utalnak, hogy már a csontos halak idegrendszerének normális működése is feltételezi ezeknek a szakaszoknak a váltakozását alvás közben. Az alvásszakaszok megléte miatt a zebrahal használható lesz az alvásszabályozás neurobiológiájának vizsgálatára is, ami remélhetőleg hozzájárul majd a különböző alvászavarok megértéséhez, kezeléséhez. Hogy valóban álmodnak-e a halak, az továbbra is nyitott kérdés marad, annyi azonban elkönyvelhető, hogy az álmodáshoz köthető REM alvás szakasztott mása már a csontos halak körében is megjelenik.

Ez az írás az Élet és Tudomány 2019/36. számában jelent meg.

Források:

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1336-7

https://www.nature.com/articles/nrn2716