iPon Cikkek

Az agyi GPS felfedezése

Dátum | 2014. 10. 08.
Szerző | Jools
Csoport | EGYÉB

Az orvosi Nobel-díjat az idei évben szervezetünk belső helymeghatározó rendszerének felfedezői, John O’Keefe, a University College London kutatója, illetve egy norvég házaspár, May-Britt és Edvard Moser, a Norvég Műszaki Egyetem munkatársai kapták. Utóbbi két kutató több mint harminc éve dolgozik együtt az agy titkainak megfejtésén, és 28 éve házasok. Igazán híressé tudományos körökben akkor váltak, amikor 2005-ben felfedezték, hogy a patkányok (és az emberek) agyában a mesterséges GPS-hez nagyon hasonló működésű, úgynevezett gridsejtek (vagy rácssejtek) végzik a helymeghatározás és a tájékozódás feladatát. A történelmi jelentőségű felfedezés óta a szakértők számtalan részletet derítettek fel azzal kapcsolatban, hogy a gridsejtek hogyan működnek együtt más specializálódott neuronokkal egy komplex navigációs rendszert képezve, amely képes megállapítani, hogy az adott élőlény hová tart és honnan jön. A gridsejtek tanulmányozása nagyban hozzásegítette a kutatókat annak megértéséhez is, hogyan formálódnak az emlékek, és hogyan idéződnek fel azon helyek képei agyunkban, amelyeken már megfordultunk. Ahogy már szóba került, a két kutató immár három évtizede kutat és publikál együtt, és közben munkájuk megkoronázásaként közös díjak sorát gyűjtötték be, hétfőn éppen a szakma legrangosabb kitüntetésének számító Nobel-díjat, amelyet egykori mentorukkal együtt vehetnek át idén decemberben. 2007-ben, amikor még mindketten csak negyvenes éveiket taposták, a kaliforniai székhelyű Kavli Alapítvány pályázatát megnyerve jogot és támogatást szereztek arra, hogy egy új intézetet hozzanak létre az alapítvány égisze alatt. (Jelenleg összesen 17 Kavli Intézet létezik a világon, ezek közül mindössze hatot alapítottak az Egyesült Államok területén kívül.) A sarkkörtől mindössze 350 kilométerre található trondheimi intézet megalakulása óta az idegtudomány legjelentősebb elméit vonzza magához, a labort vezető May-Britt és Edvard Moser pedig a norvég tudományos élet talán legnagyobb sztárjainak számítanak.
John O'Keefe
A kutatók munkásságának köszönhető, hogy napjainkban már egy kicsit jobban értjük, hogyan működik az agy. Ahogy a számítógépek különböző programnyelveket használnak, úgy agyunk is egy végtelenül bonyolult, az idegsejtek elsülésének mértékével és gyakoriságával kódolt operációs rendszer alapján végzi a dolgát. Erre a kódra fordítódnak le a külvilág általunk észlelt ingerei – a hangok, a fények, a szagok és a helyek −, egy olyan nyelvre íródva át, amelyet agyunk képes megérteni és a bennük rejlő információkat felhasználni. A gridsejtek működésének felderítésével a norvég kutatók tehát az agyi kód egyik nagyon fontos elemét kezdték megfejteni, és munkájuk mintául szolgálhat az életünket irányító operációs rendszer többi elemének felderítéséhez is. Hogy visszatérjünk egy kicsit a kezdetekhez, a kutatópáros két tagja egy-egy észak-atlanti norvég szigeten nőtt fel végtelen nyári nappalok, és öröknek tűnő, északi fényekben gazdag téli éjszakák között. Egyikük sem származott értelmiségi családból, ugyanakkor fiatal koruktól ugyanazon iskolákat látogatták. Ténylegesen azonban csak 1983-ban, az Oslói Egyetemen ismerkedtek meg, ahol még mindketten azt keresgélték, hogy mivel is szeretnének a jövőben foglalkozni.
May-Britt és Edvard Moser
A megismerkedésből szerelem lett, az együtt töltött idő alatt folytatott beszélgetésekből pedig kirajzolódott az eljövendő közös szakmai út is: rájöttek, hogy mindketten az agy működésével, annak viselkedést irányító mechanizmusainak felderítésével akarnak foglalkozni. Felkeresték tehát az egyetem egyik leghíresebb szakértőjét, Per Andersent, aki a hippokampusz idegi aktivitásának kutatásával foglalkozott. Azzal az ötlettel álltak elő, hogy a sejtek pontos aktivitását konkrét állati viselkedésekkel kapcsolnák össze. Andersen először meglehetősen szkeptikus volt, hogy bármi is kijöhet egy ilyen projektből, lelkes hallgatói azonban nem tágítottak. Végül megegyeztek, hogy mielőtt valami bonyolultabba vágnak bele, megvizsgálnak egy egyszerűbb problémát: Anderson azt a feladatot adta az ifjú kutatóknak, hogy derítsék ki, mennyit lehet eltávolítani egy patkány hippokampuszából ahhoz, hogy az állat a továbbiakban ne legyen képes az új helyek megjegyzésére. Az Andersen által szimplának tartott feladat is rögtön meglepetéseket szült, a lelkes tudóspalánták ugyanis igazolták, hogy a hippokampusz a korábban feltételezettel ellentétben nem homogén szerkezetű. Egyik oldala sokkal fontosabb szerepet játszik a térrel kapcsolatos emlékek megőrződésében, mint a másik. A pár 1984-ben tartotta meg eljegyzését, nem is akárhol: Tanzániában, a Kilimandzsáró csúcsán kerítettek sort a ceremóniára, amely a tervezettnél jóval rövidebbre sikeredett, mert a nagy hideg miatt egyikük sem akart hosszabb ideig kesztyű nélkül maradni. PhD-jük megszerzését követően Moser és menyasszonya a neurológia egyik legnagyobb mestere, John O’Keefe londoni laborjában kezdett dolgozni.
A hétfői bejelentés szerint decemberben szintén Nobel-díjat kapó O’Keefe a hetvenes években fedezte fel, hogy a patkányok hippokampuszában általa helysejteknek nevezett speciális sejtek vannak, amelyek csak akkor lépnek működésbe, ha az állat adott helyszíneken tartózkodik. Azóta újabb, tájékozódásban szerepet játszó idegsejt-típusokat is azonosítottak. Akadnak például olyan neuronok, amelyek akkor sülnek el, ha a fej egy adott irányba fordul, és olyanok is, amelyek a teret felosztó határok, például a ketrec falának megpillantásakor aktiválódnak. A kilencvenes években O’Keefe laborjában zajlottak a hippokampusszal kapcsolatos legizgalmasabb kísérletek, amelyekben az időközben házasságot kötött norvég pár kulcsszerepet játszott. 1996-ban aztán újabb fordulat következett be: a Norvég Műszaki Egyetem vezetői két docensi pozíciót ajánlottak fel a Moser-házaspárnak. Először nem voltak biztosak abban, hogy elfogadják-e az ajánlatot, hiszen a szakma legjobb laborját kellett volna otthagyniuk egy, a világ nagy részétől távol eső, kis egyetem kedvéért. Végül azonban úgy döntöttek, hogy belevágnak a kalandba, és két gyermekükkel együtt visszaköltöztek Norvégiába. A trondheimi kezdetek nem voltak egyszerűek, hiszen gyakorlatilag nulláról kellett létrehozniuk egy teljesen új labort, amely az első években egy aprócska alagsori helyiségben üzemelt. Rövid idő alatt azonban olyan jelentős tudományos sikereket értek el, hogy ezek fényében sorra nyerték az európai és norvég pályázatokat, így a létesítmény hamar fejlődésnek indulhatott. Moserék elsődleges célja trondheimi megérkezésük után annak megállapítása volt, hogy honnan érkeznek a helysejtek jelei. Bár a sejtek maguk a hippokampuszban foglalnak helyet, az nem egészen volt világos, hogy honnan érkezik az utasítás, amelynek hatására elsülnek. Ennek kiderítése érdekében a helysejtek vizsgálatára használt klasszikus kísérleti felállást alkalmazták: elektródákat ültettek a kísérleti patkányok hippokampuszába, majd elemezték az ezek által rögzített aktivitást, ahogy az állatok egy nagyobb dobozban mozogtak. Az elektródák idegsejtről idegsejtre térképezték fel az agy működését, majd az adott aktivitási mintákat a számítógép a dobozban elfoglalt pozícióhoz kapcsolta. Annak biztosítása érdekében, hogy az állatok a teljes területet bejárják, csokidarabokkal hintették meg a doboz alját.
A kísérletek során a szakértők kémiai úton inaktívvá tették a hippokampusz egyes részeit, és az ezeket körülvevő agyi területeket, majd így is megvizsgálták az idegsejtek működését. A tesztekből kiderült, hogy a helysejtek valóban kívülről, az úgynevezett entorinális kéregből kapják az információkat. Ez a kéregrész a patkányok agyának hátsó részén alkot függőleges csíkot, és korábban senki sem tulajdonított neki különösebb jelentőséget. Ennek oka nagy részben az volt, hogy nagyon nehezen hozzáférhető régióról van szó, amely egy nagy véredény közvetlen szomszédságában helyezkedik el, így az elektródák felhelyezése komoly neuroanatómiai ismereteket igényelt. A kutatók a felfedezést követően immár ezen agyi régiót monitorozva ismételték meg eredeti kísérleteiket. A vizsgálatok közben valami egészen hihetetlenre lettek figyelmesek. Kiderült, hogy az entorinális kéreg bizonyos neuronjai a hippokampusz helysejtjeihez hasonlóan kimutathatóan akkor váltak aktívvá, amikor a patkányok a doboz egy pontján tartózkodtak, vagy afelé haladtak. Érdekes módon azonban a doboz más pontjain is azonos mintázat szerint aktiválódtak az idegsejtek. Ahogy a patkányok a csokidarabok után rohangálva keresztül-kasul bejárták a dobozt, a számítógép képernyőjén valamiféle mintázat kezdett kirajzolódni az egyes részekhez köthető idegi aktivitások alapján.
Mivel néhány hónap alatt bebizonyosodott, hogy az eredeti kísérleti felállással nem képesek megfejteni, hogy mi lehet a rendszer a mintázatban, úgy döntöttek, hogy nagyobb térbe helyezik a patkányokat, hátha az így megmutatkozó új részletek alapján kiderül valami. Az eredmény megdöbbentő volt: az eltérő agyi aktivitási mintázatok és a kísérleti terület kombinált térképén egy közel tökéletes hatszögekből álló háló rajzolódott ki. A minta egyszerűsége és szabályossága nagyon meglepte a kutatókat, mivel a biológia ennél általában sokkal „rendetlenebb” képet mutat. Az első logikus magyarázatnak az tűnt, hogy valamiféle kísérleti hiba következtében keletkezett a minta, a következő hónapok alapos vizsgálatai azonban kizárták ennek lehetőségét. A kísérlet egyértelműen igazolta, hogy a patkányok agya hatszögletű elemekre osztja fel a teret, és ezekre támaszkodva rögzíti annak részleteit. Ez a térbeosztás olyannyira precíz, hogy egyetlen neuron elsülése jelzi, ha az állat áthalad az adott hatszög egyik csúcsán. A felfedezés óriási jelentőségű volt, hiszen megmutatta, hogyan képeződik le a tér az agyon belül, és hogyan kódolódnak annak részletei. A szakértők 2005-ben a Nature oldalain publikálták forradalmi jelentőségű eredményeiket.
A következő évek során a szakértők számtalan érdekességet derítettek ki a gridsejtek működésével kapcsolatban. Kimutatták például, hogy a sejtek elsülési mintázata akkor sem változik, ha teljes sötétségben tartják az állatokat, és azt is, hogy a minta független az állatok irányától és haladási sebességétől. Míg a helysejtek működése a környezetben jelentkező legkisebb változásra – például a doboz falainak átfestésére − is módosulhat, a gridsejtek meglepően állandó működést mutatnak. Az is kiderült, hogy az entorinális kéreg sejtjei nagyon sokféle hatszöges térfelosztásra képesek: eltérő méretű és irányú rácsokat tudnak alkotni a doboz méretétől és pozíciójától függően. Közben a sejtek kéregbeli pozícióját is sikerült felderíteni. A kisebb, sűrűbb hálókat generáló sejtek a kéreg felső részében kapnak helyet, a legszellősebb, legnagyobb kiterjedésű rácsok létrehozói pedig legalul találhatók. Az azonos méretű hálókat generáló sejtek ráadásul csomókba is rendeződnek, ezek a csomók pedig precíz rendben sorakoznak a felülről lefelé húzódó agyi kéregrészben. A rácsok méretezése is meglepően precíz rendet mutat: minden gridsejt-csomó 1,4-szer nagyobb osztatú hálót alkot, mint a közvetlenül fölötte található sejtek. A hálók pozícionálásáért felelős sejtek véletlenszerű sorokat alkotva szövik át a teljes agyi régiót. Feltéve, hogy az emberekben is hasonlóan működik ez a rendszer, a szakértők azt feltételezik, hogy ezek a sejtek együttesen gondoskodnak arról, hogy amikor a lakásban vagy az utcán barangolunk, lépést tudjunk tartani pillanatnyi pozíciónkkal.
A régi görög rétorok egy része a legendák szerint úgy tanulta meg hosszú beszédeit, hogy egy utca vagy egy épület egyes részeihez kötötte annak szakaszait, majd szónoklata közben ezeket a tereket járta be képzeletében. Az emlékezet és a helyek különös kapcsolata már akkor, és azóta is folyamatosan foglalkoztatja a kutatókat. A 20. században merült fel először annak gondolata, hogy az állatok és az ember egy absztrakt térképet tárol az agyában, és bármely környezetben ennek segítségével tájékozódik. A gridsejtek felfedezésével beigazolódott, hogy valóban így van. A felfedezés a teoretikusokat is lenyűgözte, mivel a hexagonális mintázat révén minimális számú gridsejttel maximális térfelbontás érhető el. Az optimális elrendezés révén az agy energiát spórolhat, ugyanakkor lenyűgöző abba belegondolni, hogy az agy olyan egyszerű geometriai minták segítségével dolgozza fel a teret, mint amilyeneket évezredek óta használunk a matematikában. A felfedezés sokak szerint reményt adhat arra, hogy egy napon valóban megfejthetjük a mérhetetlenül bonyolultnak tűnő agyi működéseket. Ennek megvalósításához azonban még rengeteg munkára lesz szükség, mivel az idegi kódok többsége elsőre jóval összetettebbnek tűnik a gridkódnál. Ami May-Britt és Edvard Mosert illeti, rajtuk biztosan nem fog múlni a siker: a trondheimi Kavli Intézetben jelenleg már hat különböző kutatócsoport dolgozik az agy egyes részeinek vizsgálatán. És persze a gridsejtekkel kapcsolatban is rengeteg még a kiderítenivaló.
Egyik tervezés alatt álló kísérletükben a szakértők például virtuális környezetben szeretnék vizsgálni a patkányok agyának gridsejtjeit. Mivel az állatok egy helyben, teljesen mozdulatlanul tartózkodnak majd, és pusztán környezetük mozog, a szakértők a vizsgálatok során első alkalommal közvetlenül az egyes sejtekbe helyezhetik bele elektródáikat, illetve a sejteket a kísérlet során mikroszkóppal is vizsgálni fogják. A kutatók azt remélik, hogy ilyen módon felderíthetik, hogy mikor mely sejttípusok lépnek működésbe, ahogy a patkányok a virtuális térben mozognak. A következő lépés a gridsejtek agyi hálózatának feltérképezése lesz, illetve annak kiderítése, hogy ezek a hálózatok az egyedfejlődés melyik szakaszában képződnek. Előzetes emberi vizsgálatok alapján a gridrendszer a születés után pár héttel már teljesen működőképes, vagyis elképzelhető, hogy az ember és a többi állat egy primitív, ám teljesen kész helymeghatározó rendszerrel jön a világra. Moserék többek közt azt is akarják vizsgálni, hogy megváltozik-e a hexagonális mintázat akkor, ha lapos aljú dobozok helyett a patkányokat születésüktől kezdve tökéletes gömbökben nevelik. A gridsejtek vizsgálata az emlékezet zavarainak felderítése szempontjából is nagy jelentőséggel bírhat. Alzheimer-kór esetén az entorinális kéreg sejtjei sérülnek elsőként (bár egyelőre senki sem tudja, hogy miért), ami szoros összefüggésben lehet azzal, hogy a betegek a korai szakasztól kezdve gyakran küzdenek tájékozódási zavarokkal.
Új hozzászólás írásához előbb jelentkezz be!

Eddigi hozzászólások

2. dbelam
2014.10.10. 09:56
Az alsó két tudós echte úgy néz ki, mintha sikeres emberkísérletek után vigyorognának
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
1. pdx06
2014.11.01. 16:29
Kitenném őket valahol a senki földjén egy szál gatyában, aztán kiváncsi leszek rájönnek e hogy hol vannak.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!