Csenge Lugosi Nagyszabású kutatói együttműködés eredményeként magyar tudósok cikke jelent meg a világ egyik legrangosabb tudományos szaklapjában. A szerzők a tanulás elemi egységeit és annak működését vizsgálták, hogy megértsék, miként képes az agy a tanulásból szerzett információt sejt szinten kódolni.
Ha sikerülne megismerni az agy elemi egységeit és működésüket, akkor jobban megérthetnénk az abnormális agyi működést is, amivel hosszútávon lehetőség nyílna a központi idegrendszeri betegségek új terápiás lehetőségeinek kidolgozására. A 2021-ben Rózsa Balázs, Roska Botond és az ITM által alapított BrainVisionCenter (BVC), valamint az Eötvös Loránd Kutatási Hálózat (ELKH) Kísérleti Orvostudományi Intézet, a bázeli Friedrich Miescher Intézet és a Pázmány Péter Katolikus Egyetem-ITK szakemberei éppen ezen dolgoznak. Legújabb kutatásuk újszerű megvilágításba helyezi az idegsejtek alkalmazkodóképességét és változását (plaszticitását). A rangos Nature Communication szaklapban most megjelent tudományos közleményük részletesen kitér a kísérletsorozatra, amellyel a tanulás folyamatát vizsgálták, nagy térfogatban, sejt és nyúlvány szinten egyaránt.
Judák Linda, Chiovini Balázs, Juhász Gábor, Rózsa Balázs (a 3D funkcionális hálózati és dendritikus képalkotás kutatócsoportjának vezetője) és kollégáik a memóriaközpontban (hippokampusz) zajló éles hullám (SPW-Rs) aktivitásra összpontosítottak, amely kulcsszerepet játszik a memória kódolásában, tárolásában, előhívásában.
A kutatók a gyors 3D-s lézer pásztázó mikroszkópiát Roska Botondék specifikus vírusjelöléseivel kombinálva első alkalommal tudták nagy térfogatban, nagy térbeli felbontással mérni az idegsejtek aktivitását éber állatokban, méghozzá az agy folyamatos mozgása ellenére.
Kimutatták, hogy a duplikált éles hullámok alatt egy eddig ismeretlen neuronális integráció zajlik.
Ez a folyamat az asszociatív memória egy fontos mechanizmusa lehet, hiszen csak abban az esetben jelent meg, amikor két memória nyom, illetve az ezeket reprezentáló neuronális aktivitások kellően közel kerültek egymáshoz.
Az éles hullám nyugalmi állapotban és az alvás alatti lassú hullámok alatt jelenik meg. A kutatócsoport bizonyította, hogy az éles hullámhoz kapcsolódó idegsejt csoportok a neuronok nyúlványaiban (dendritekben), úgynevezett „hot-spot”-okat, térben és időben klaszterezett aktivitást váltanak ki, de eddig még egyetlen kutatócsoportnak sem sikerült in vivo körülmények között (tehát élő, viselkedő állatban) kimutatni az éles hullámokhoz kapcsolódó regeneratív folyamatokat a gátló (PV+) sejtek nyúlványaiban.
Éber egerek agyát vizsgálva nemcsak a PV+ idegsejtek aktivitását mutatták meg, hanem sikeresen elvégezték az aktív sejtek teljes dendritfájának egyidejű mérését is. A kutatók képesek voltak nagy térfogatban és valós időben rögzíteni a hippokampusz fiziológiás aktivitási mintázatát sejtés nyúlvány szinten, annak érdekében, hogy jobban megértsék a hippokampuszban zajló mechanizmusok hátterét és az idegsejtek funkcióit a bemenet-kimenet kialakulásában, átalakulásában élő állatban.
A kutatócsoport távlati célja annak megismerése, hogy hogyan képes a tanulás útján szerzett információ a sejt nyúlványába íródni. Választ keresnek a kérdésre, hogy a nyúlványokban és sejtek szómáiban elraktározott információ hogyan befolyásolja az állat viselkedését és hogyan használja fel a tanult információkat. Egyedi módon, a virtuális valóságban mozgó állat tanulása során nagy térfogatban, 3 dimenziós képalkotással felvett aktivitás mintázatot fognak mérni szimultán, ipsilaterálisan elvezetett elektrofiziológiai méréssel, hogy a komplex tanulási folyamatot egészében vizsgálni tudják. Ahhoz, hogy feltárják az ok-okozati öszefüggéseket a fiziológiai mintázatok és az állat viselkedési magatartása között, neuron és dendrit specifikus optogenetikai és kémiai manipulációt fognak elvégezni.
A cikk szerzői közül Chiovini Balázzsal készítettem interjút.
− Mikor és minek a hatására döntötted el, hogy neurobiológiával fogsz foglalkozni?
− Nem mondom, hogy teljesen tudatos tervezés eredménye, hogy ezzel foglalkozom. Mindig érdekelt a biológia, és azon belül az idegtudomány. Erre vitt az érdeklődés. És persze mindig mellettem állt a szerencse. Szerencse, mert valahogy mindig jó csoportba vagy társaságba kerültem, ahol támogattak és motiváltak. Mindig jó témákkal kezdtem foglalkozni, amikkel eredményes tudtam lenni. A hit, hogy a munkám jó építőkövei lehetnek vagy lesznek az egyetemes tudásnak, erőt adtak mindig ahhoz, hogy megújuljon az érdeklődésem a választott témám iránt.
− Hogyan kerültél bele a tanulás működési egységeit vizsgáló kutatásba?
− Ez is a véletlen műve. Vagy a szerencséé. Ott szerettem volna folytatni tanulmányaimat, munkámat, ahol a diplomamunkámat megírtam, vagyis Szegeden. De úgy adódott, hogy évfolyamtársammal egyazon laborban dolgoztunk ugyanolyan eredménnyel, így magunk között kellett eldöntenünk, hogy az egyetlen PhD pozícióra melyikünk jelentkezzen. Kisorsoltuk. Én húztam a rövidebbet. Így keresnem kellett egy másik helyet.
− Ez akár egy Rejtő Jenő-regény kezdete is lehetne.
− Az egyetem faliújságján találtam a hirdetést, hogy Budapesten az MTA-KOKI-ba keresnek munkatársat, azon belül is a Rózsa Balázs által vezetett 2-foton laboratóriumba. Nem igazán tudtam, miről van szó, jó kihívásnak tartottam. Az elején meggyötörtek, de kitartottam és élveztem a kihívásokkal teli kreatív munkát. Azóta is itt dolgozom. A véletlen úgy hozta, hogy pont az a kutató lett a mentorom, Túri F. Gergely, akinek a témája a memóriakialakulás elemi egységeinek vizsgálatára fókuszált. Jó alapokon építkezhettem. Sajnos ő korán továbblépett Amerikába, így nekem kellett ezt a kutatást továbbvinnem. Ez mély víz volt számomra, de végtére is így igazán fókuszáltan tudtam tanulni és dolgozni. Megismertem az önálló munkatervezés és munkavégzés alapjait.
− Minden zökkenőmentesen ment a vizsgálatok során, vagy adódtak nehézségek, amik elbizonytalanítottak titeket?
− Nehézségek mindig akadnak. Ezek általában technikai jellegűek voltak. Vizsgálataink mellett rohamléptekkel fejlesztették a mikroszkópokat. Nehéz volt a változásokhoz igazodni. Emellett ahhoz, hogy krónikusan élő, lélegző állatból képalkotással idegsejtaktivitást tudjunk nézni, nagyon komoly műtéti elvárásoknak kellett megfelelni. Speciális kiegészítőket kellett kitalálni, amin keresztül leláttunk a mélyagyi struktúrákba. Ráadásul olyan tudományterületen vizsgálódunk, ami erős elektrofiziológiai tradíciókkal rendelkezik. Minden mérést így validálni kellett az elektrofiziológiával. Ez sem volt könnyű, hisz soha senki, semmilyen kutatócsoport nem alkalmazott képalkotó technikát és helyi mezőpotenciál elvezetést egyazon régióból. De végül ezt is megoldottuk. Talán a legnehezebb az analízis volt. A képalkotó technikák fejlődése, hogy úgy mondjam, előreszaladt! Már nem egy-egy pontban mérünk, hanem sok ezer pontban. Ráadásul bonyolult szkennelési eljárásokkal. Az analízishez szükséges szoftverfejlesztés pedig érthető módon lemaradt. Hatalmas probléma volt, hogy a mért adattömeget hogyan kezeljük. Elbizonytalanítani csak az idő bizonytalanított el minket néha. A kutatás, fejlesztés egy kicsit mindig verseny is. Megfelelni a határidőknek nem könnyű.
− Volt esetleg olyan érdekes, vagy vicces élményed, esetleg egy számodra meghatározó pillanat a munka folyamán, amit elmesélnél?
− Érdekességek szinte minden nap előfordulnak. Egy jól beállított gép is máshogy működik előző nap, mint másnap. Az állatok is máshogy viselkednek, mindenhez alkalmazkodnunk kell, és minden napra jut probléma, amit meg kell oldanunk. Az már bevett dolog, hogy mikor az ember az egész napos kudarcokat követően az utolsó kísérleti próbálkozásához kezd este, akkor talál valami érdekeset, ami elnyújtja a méréseket. De nem telhet úgy el egy nap sem, hogy ne zárjuk pozitív érzéssel a kísérletet. A cél mindig az, hogy eredmény legyen. Sokszor azzal is megelégszünk, ha a nap kudarcai végül valamilyen tanulsággal záródnak. Hisz az is eredmény lehet. Vicces élményem kevés van. Állatokkal dolgozunk, így rájuk oda kell figyelnünk. Nem engedhetjük meg magunknak, hogy elbagatellizáljuk a legapróbb dolgot is a kísérletek alatt, legyen az in vivo vagy in vitro mérés. A kollegák közt persze megvan a humor. De ez nem a kísérletekre irányul. A csapatmunka fűszere a frissítő szellemes humor és a viccelődés. Ez hozza közelebb a társaságot egymáshoz. Ha arra gondolok, mi lehet meghatározó pillanat a kutatás során, akkor azt mondanám, mikor realizáltam, hogy a munkánk fontos és érdekes mások számára is. A félkész anyagot, mint mindig, be szoktuk mutatni konferenciákon. Bámulatos volt, hogy mennyien jöttek oda hozzánk, milyen érdeklődés övezte kísérleteink eredményeit. Ez mindenképpen meghatározó és felemelő pillanat volt.
− Hogy reagáltatok, mikor kiderült, hogy megjelenik a cikketek a Nature Communication-ben?
− Nem mondanám, hogy eufóriával. Régebben a cikkeket megírták, borítékba tették, és feladták postán. Majd kaptak egy válaszlevelet, hogy elfogadták a kéziratot vagy éppen, hogy nem. Ott volt meglepetés és öröm. Most egy kissé vontatott a publikációs procedúra. Online feltöltjük olyan formában, amit az újság meghatároz, majd a netes felületen nyomon követjük, milyen állapotban van a feldolgozás. Mikor látjuk, hogy az editor kiküldi a bírálóknak, elmosolyodunk. Ennél a cikknél a pandémia miatt egyébként is lassabb volt a folyamat. Fél év múltán megkaptuk a bírálatokat. Ezen a ponton egy na végre érzés volt. Aztán fél évig dolgoztunk azon, hogy a kérdésekre választ adjuk, a feltételeknek megfeleljünk, majd újra feltöltöttük a cikket a felületre és vártunk az újabb bírálatra. Ez alatt már más témákkal kezdtünk el foglalkozni. Mikor a válasz megérkezett, hogy elfogadták, már inkább csak azzal foglalkoztunk, hogy milyen újabb feltételeknek kell megfelelnünk. De persze ezen a ponton éreztük a siker édes ízét. Itt azért feloldódtunk. Fény az alagút végén! Ebben a fázisban is rengeteg munkát adtak. Ilyenkor nehéz összehangolni, hogy foglalkozzunk a publikáció véglegesítésével, de ugyanakkor haladjunk a megkezdett vagy folytatott kísérletes munkákkal. Még innen is hosszú a folyamat, míg végre kikerül online a cikk. Azt követően még akár hónapok is lehetnek, mire valóban megjelenik. Összegészében több mint egy év telt el az első feltöltéstől a kézirat megjelenéséig.
− Részt veszel más kutatásokban is ezzel párhuzamosan?
− Igen, a felfedező kutatáson túl részt veszek klinikai kutatásokban és különböző fejlesztésekben is. Jelenleg olyan 3D-s technológiát használunk, amely egyedülálló a világon. Rekord térfogatban tudjuk akár több száz idegsejt működését vizsgálni egyszerre. Vagy pár sejt teljes nyúlványrendszerét fel tudjuk térképezni és mikrométer felbontással mérni valós időben. Ezt senki más nem tudja kivitelezni! Tényleg olyan, mintha videót néznénk, amiben a sejtek villognak vagy „villámokat szórnak”. Ez sok kutatási irányba tud elvinni minket. Az érdeklődés óriási. A klinikai kutatások az alapkutatásainkra épülnek. Miután igyekszünk megérteni a memória kialakulását idegsejtnyúlványai szintjén (lényegében a memória idegi kódolását próbáljuk megérteni, ergo kódfeltörők vagyunk), választ keresünk arra a kérdésre is, hogy mi történik, amikor ez a kiegyensúlyozott folyamat felborul és abnormális agyműködés lép fel. Ilyet találhatunk például epilepszia alatt. Látszólag nüansznyi elváltozások óriási funkcionális vagy viselkedésproblémákat tudnak okozni.
Ezen túlmenően a látókéreg aktivitásait is vizsgáljuk. A vizuális ingereken keresztül, hogyan tanul az állat, ez hogyan fejeződik ki a látókéreg különböző típusú idegsejtjeiben? Most kezdődik egy komplex kollaboráció Roska Botond svájci kutatólaborjával, melynek fókuszában retinabetegségek okozta látásproblémákat vizsgálunk. Fő cél a látás helyreállítása különböző vektor, illetve 2-foton technológiákkal. Emellett fejlesztünk is. A korábban említett mikroszkópot mi magunk, helyben tervezzük, építjük és fejlesztjük. A különböző kísérleti alkatrészeket is nekünk kell kialakítani, mint például az egérfutópadot. Kísérleteink alapja a 2-foton technológia. Ezt nem csak képalkotásra tudjuk használni, hanem foto-stimulációra is. Egy adott terület bevilágításával neurotranszmittereket tudunk felszabadítani precízen. Vagyis mesterségesen aktiválni tudjuk a sejtek szinapszisait, azokat a lokális helyeket, amiken keresztül a sejtek kommunikálnak egymással. Ehhez speciális fényérzékeny molekulákra és fejlesztésükre van szükségünk. Ennek jelentősége abban áll, hogy miután lemérjük egy sejt vagy sejtpopuláció aktivitásmintázatait, annak lenyomatát reprodukálni, módosítani vagy manipulálni tudjuk.
− Ez nagyon érdekesen hangzik! Szerinted mik egy jó kutató legfőbb ismérvei?
− Türelem, kitartás, szorgalom, kreativitás, következetesség, alázat, hit, tudásvágy. Ezek biztos kellenek hozzá.
− Mi az a tudományos elismerés vagy eredmény, amit mindenképpen szeretnél elérni a pályafutásod alatt, illetve ami motivál téged?
− Én mindig szerencsésnek gondoltam magam. Egyszerűen csak a munkára fókuszáltam, a többi valahogy jött magától. Mások kínlódnak, hogy elvégezzenek egy iskolát, vagy elérjék a PhD-t. Meglegyen egy kiszemelt díjuk vagy elismerésük. Engem ezek nem motiváltak és igazán nem is érdekeltek. Nem stresszeltem magam rajtuk. Lehet ezért ment könnyebben a megszerzésük. Így az elismerés nem motivál, nem húz előre. Az eredmény az már igen. Megismerni, hogyan működik egy biológiai struktúra, mi az alkotók funkcionalitása. Érdekelnek a klinikai kutatások is, de talán jobban lenyűgöz az alapkutatás. Az tényleg olyan, mint rátalálni és megismerni egy új földrészt vagy kultúrát. Ezért is hívják újabban felfedezőkutatásnak. A modern kor felfedezői vagyunk.
− Köszönöm! Remélem a további kutatások is nagyszerű felfedezésekkel zárulnak és hamarosan hallhatunk majd róluk!
