Áttörés közelében az idegtudomány?

Az utóbbi néhány évben az idegtudományi kutatók több módszert fejlesztettek ki, amikkel akár a kísérleti állatok teljes agyának működését egyidejűleg tudják megfigyelni. Ez jelentős módszertani előrelépés, hiszen eddig a legjobb esetben is csak néhány idegsejt tevékenységét tudták követni a kísérletek során. A szakértők szerint a terület ezen újításoknak köszönhetően áttörés közelébe került, az új módszerek jelentősen át fogják formálni az idegtudomány ismeretanyagát.

Az agyműködés megfigyelése

Az agykutatás alapgondolata, hogy az idegrendszer tevékenysége és a viselkedés, illetve a belső, érzelmi és gondolati folyamatok között párhuzam van. A párhuzam megértéséhez az idegrendszer tevékenységét és a viselkedést egyidejűleg kell megfigyelni, így tudhatjuk meg, hogy egy viselkedést milyen idegrendszeri tevékenység hoz létre.

Ez a gondolat már a reneszánszban is megjelent, amikor például Thomas Willis az életükben beszédképtelen betegek halálát követően azok agyában keresett olyan elváltozást, ami magyarázhatja hiányosságukat, vagyis a viselkedés és az agy között keresett párhuzamokat. Idővel kiderült, hogy az idegrendszer működése elektromos jelek létrehozásán alapul, ezeket pedig rögzíteni is tudták a korabeli technológiával. Ezzel nagyon pontosan lehetett meghatározni egy vagy néhány sejt tevékenységét, és így hamarosan mélyebben is sikerült megérteni az elektromos jelek és a viselkedés, az izomműködés közötti kapcsolatot. Így tehát csak az agy egy piciny részének ténykedését lehetett követni.

A XX. században azonban már megjelentek olyan módszerek, amikkel az agy egészének tevékenységéről nyerhettek információt a kutatók. Az első ilyen az elektroenkefalográfia volt, amivel a hajas fejbőrről lehet elvezetni elektromos jeleket, amik a koponyában megbújó agy elektromos tevékenységének következményeként alakulnak ki. Az EEG azonban nem tud differenciálni a különböző idegsejtek között, sőt a jelek forrásaként nagyobb agyterületeket megjelölni is kihívás. Kicsit egyszerűbb a helyzet az agy anyagcseréjén alapuló módszerek esetében, mint a PET vagy az fMRI. Ezeknél könnyen meghatározható, hogy az agy melyik részéről jön a jel, a jel maga azonban még az EEG jelnél is nehezebben köthető a területen lévő idegsejtek konkrét tevékenységéhez.

A 2000-es évek környékén viszont új lehetőség sejlett fel az idegtudósok előtt. Roger Y. Tsien és munkatársai ekkortájt alkották meg az első ún. kalcium-szenzort. A kalcium-szenzorok működésének lényege, hogy a kalcium-koncentráció függvényében képes fluoreszcenssé válni, így jelzi a kalciumionok mennyiségének megváltozását a sejtben. A kalciumion sejten belüli mennyisége szoros összefüggést mutat az elektromos tevékenységgel, így a kalcium indikátorokkal majdnem olyan pontos eredményeket kaphatnak a kutatók, mint az elektromos jelek közvetlen megfigyelésével. A kalcium indikátorok jele azonban fluoreszcens mikroszkópiával követhető, így akár nagyobb agyterületek, több millió sejt figyelhető meg egyidejűleg.

A zebrahal agyáról fluoreszcens mikroszkópiával készült felvételek táplálékkeresés és a közeli források kiaknázása során (Forrás: Abbott, 2020 – Nature).

A fluoreszcens jel követése olyan állatok esetében a legegyszerűbb, melyek áttetszőek és az agyuk is maximum néhány milliméteres. Ilyen például a kukac (Caenorhabditis elegans) vagy a zebrahal lárvája. A nagyobb testű állatok esetében a koponya felnyitása szükséges az agykéreg működésének megfigyeléséhez, de így csak a kéreg felső részének néhány milliméteréből jövő jel követhető, de például prizmákkal akár az oldalsó vagy alsó területek is megfigyelhetők, vagy ún. miniszkópok beültetésével a mélyebben fekvő struktúrák tevékenysége is rögzíthető.

A kalcium szenzorok megjelenése mellett az elektrofiziológiai módszerek is fejlődnek. Például a Neuropixels névre hallgató eszköz egyidejűleg akár több száz idegsejt elektromos tevékenységét is képes rögzíteni. Az idegtudomány új módszereivel tehát rengeteg idegsejt tevékenységét lehet egyszerre nagy pontossággal megfigyelni, ami sok szakértő szerint már technológiai áttörésnek tekinthető.

Agyi állapotok a viselkedés hátterében

Az új technológiával született eredmények egy része egy régebbi elgondolást erősített meg. Azt lehet mondani, hogy a klasszikus idegtudomány sikeresen megállapította, hogy az agy által létrehozott jelenségek, főképp a mozgás milyen idegi aktiváció nyomán jön létre. A másik oldalról pedig az is kiderült, hogy a környezet ingerei milyen aktivációt váltanak ki az agy különböző területeiből, hogy azokból észlelet legyen. Arra azonban hamar rádöbbentek a kutatók, hogy az ezeket összekötő folyamatok még bonyolultabbak. Ezt például az is alátámasztja, hogy ugyanaz az állat, ugyanarra az ingerre, különböző reakciókat adhat a körülményektől függően. Ez arra utal, hogy a bemenet és kimenet között nem egyértelmű a kapcsolat, vagyis a köztes állomásokon nagy jelentőségű és bonyolult számítások történnek.

A lényeg tehát az, hogy az állat belső állapota is meghatározza, hogy milyen ingerre milyen választ generál. Ez a belső állapot feltehetőleg nem néhány idegsejt, hanem kiterjedt hálózatok tevékenységének köszönhetően alakul ki, legalábbis ezt állítja egy nagy hatású cikk, amit 2014-ben publikáltak. Eszerint az érzelmeknek megfelelő belső állapotokat olyan idegi aktivitás lehet képes létrehozni, ami ugyan egy jól körülhatárolható inger hatására alakul ki, de az inger eltűnését követően is megmarad. Ezen felül akár több különféle inger is képes lehet kiváltani az állapotot, és annak intenzitása szintén függ az ingertől.

A kutatók azóta az új módszerek segítségével valóban azonosítottak ilyen idegrendszeri állapotokat. Az ecetmuslicánál például a párkeresés során nyilvánultak meg ilyen agyi állapotok. Az ecetmuslicák alapesetben viszonylag békésen viszonyulnak egymáshoz, de ha a hímek nőstény társaságába kerülnek, akkor elkezdenek verekedni egymással és udvarolni a nősténynek. Már ismert volt, hogy a verekedést és az udvarlást mely idegsejtek váltják ki, egy amerikai kutatócsoport pedig azt is kimutatta kalcium szenzorok segítségével, hogy ezen sejtek aktivitását egy másik agyterületé is kíséri. Ennek a területnek a sejtjei elnyújtottan aktiválódnak a nőstények jelenléte következtében, és ez előfeltétele az udvarlás és a verekedés megjelenésének, vagyis a kutatók szerint egyfajta társas érzelmi állapotot hoznak létre, a „készen állok megküzdeni ezért a nőstényért” állapotot. Egy másik kutatócsoport hasonló eredményre jutott a zebrahal lárvák vizsgálatával, ezeknél a táplálékkereséssel kapcsolatos állapotokat és az állapotok közti váltást létrehozó kiterjedt hálózatokat sikerült azonosítani.

Az agy egészének tevékenységét követni képes módszerek tehát klasszikus kísérleti elrendezésekben is érdekes eredményeket szültek, de időközben a viselkedés követésére használt technikák is sokat fejlődtek. Egy amerikai kutatócsoport például kamerák segítségével rögzítette a kísérleti egerek mozgását, miközben azok egy feladatot végeztek, melyben időnként egy gombot kellett megnyomni. A videofelvételek és a rögzített agyi aktivitás elemzését követően kiderült, hogy az agy tevékenységének egy jelentős része a feladattól független mozgások létrehozásáért felelős.

Az agy tevékenységének legnagyobb része a feladattól független mozdulatokhoz köthető egy tavalyi tanulmány szerint (Forrás: Mathis, 2019 – Nature Neuroscience).

Az új módszerek tehát már most is számos izgalmas új eredményt szültek, és biztosak lehetünk benne, hogy a jövőben is sokat fogunk hallani róluk. A szakértők szerint a fejlődés következő lépése a hatalmas adatmennyiség kielemzését lehetővé tévő módszerek hatékonyságának növelése kell, hogy legyen, erre nagy szükség van, hogy jelentőségteljes mintázatokra bukkanjanak akkora mennyiségű adatokban, amiket ezek az új módszerek produkálnak. Sok szakértő véli úgy tehát, hogy igazi áttörés küszöbén áll az idegtudomány, de még sok munkára van szükség, hogy valódi tudományos forradalomról beszélhessünk.

Ez a cikkem az Élet és Tudomány 2020/36. számában jelent meg.

Források:

https://www.nature.com/articles/d41586-020-02337-x