Különleges módszerrel vizsgálták magyar kutatók az agyat

A Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet agykutatói olyan eljárással vizsgálták az idegsejtek rövid nyúlványait, amelyet máshol még sosem alkalmaztak erre a célra. Az idegsejtek úgy néznek ki a mikroszkóp alatt, mintha a Hold felszínét néznénk: árkok, hegyvonulatok és kráterszerű bemélyedések látszanak a metszeten. A világ egyik legjelentősebb tudományos lapjában, a Science-ben közölt eredmények talán az emlékezetromlással járó betegségek pontosabb megértéséhez is közelebb vihetnek.

Egy ismeretlen városban nem sok esélyünk van az azonnali tájékozódásra, ha nincs nálunk térkép. Egy idő után azonban rögzülnek az utcák, a terek és a jellegzetes épületek. Mi kell ahhoz, hogy a megtett útvonal rögzüljön agyunkban, és ne kelljen minden egyes alkalommal a térképet böngésznünk? A térbeli tájékozódásért és az emléknyomok rögzüléséért többek között a hippokampusz nevű agyterület a felelős: az itt található idegsejtek kapcsolatai megváltoznak a látottak alapján, így fejből is tudni fogjuk, merre kell mennünk.

A fenti folyamat igen egyszerűen hangzik, az idegsejtek szintjén azonban már nem egyszerűsíthető le ennyire. Ahhoz, hogy egy emléknyom valóban rögzüljön, és ne halványodjon el mindjárt, az idegsejteknek ki kell válogatniuk, hogy mik a fontos információk. Ha minden külső inger rögzítésre kerülne, agyunkban teljes káosz alakulna ki: az idegsejtek folyamatosan tüzelnének, ami az epilepsziához hasonló állapotot eredményezne. Ez csak úgy kerülhető el, ha az ingerek szelektálásáról egy kellően hatékony mechanizmus gondoskodik. Az agy úgy oldja meg a felesleges zajok szűrését, hogy az idegsejtek csak a kellő erősségű ingerületeket érzékelik, megfelelően erős inger pedig akkor jön létre, ha több idegsejt egy időben küld jelet a célsejtnek. Az idegsejtek közötti kapcsolatok ekkor megerősödnek, később pedig állandósulhatnak is ezek az összeköttetések.

Donald Hebb elmélete a memória kialakulásáról

Donald Hebb kanadai pszichológus 1959-ben tette közzé a memória kialakulásáról szóló elméletét, amely azóta is az emlékezet kialakulásával kapcsolatos kutatások egyik fő alapját adja. A Hebb-féle tanulási szabály szerint az idegsejtek azon bemenetei, amelyek következetesen hozzájárulnak a sejt tüzeléséhez (és ezáltal egy másik idegsejt aktivitásához), megerősödnek. Ennek következtében az első idegsejt a következő alkalommal még hatékonyabban lesz képes aktiválni a hozzá kapcsolódó másik idegsejtet. Ezt a folyamatot nevezik a sejtek közötti kapcsolat hosszú távú megerősítésének, és ez a mechanizmus képezheti az emléknyomok hosszabb távú rögzülésének alapját. (Az idegsejtek közötti kapcsolatokról és az ingerület terjedésének módjáról itt látható egy igen szemléletes videó.)

Előre és hátra is terjed az ingerület

Az idegsejtek felépítése eltér a hagyományos sejtformától: a sejttest egyik oldalából az úgynevezett axon ered, míg a dendriteknek nevezett nyúlványok a sejttestből számos irányban sugároznak ki. Az axonok igen hosszúak, akár egy méteresek is lehetnek. A dendritnyúlványok - amelyek egy fa ágaihoz hasonló szerkezetet mutatnak - rövidebbek, legfeljebb 0,5 milliméteresek (az úgynevezett piramissejtek dendritnyúlványai ide kattintva látszanak). Az idegsejtekbe érkező információk a dendriteken keresztül jutnak be a sejttestbe, majd az axonokon keresztül jutnak ki a sejtből: a sejtek tüzelését akciós potenciálnak nevezik.

Videó az akciós potenciálról

Az akciós potenciál az idegsejt határolóhártyájának külső és belső oldala közötti potenciálkülönbség hirtelen megváltozását jelenti: nyugalmi helyzetben a sejt belső oldala negatív töltésű, a sejt tüzelésekor azonban egy rövid időre pozitívvá válik. A körülbelül egy ezredmásodperc alatt lezajló folyamat során a korábbi, -70 millivolt körüli feszültségkülönbség +40 millivolt közeli értéket ér el. A sejtek közötti információátadáshoz szükséges akciós potenciál kialakulását a sejtek határolóhártyáiban található ioncsatornák teszik lehetővé. Az ingerület terjedése szempontjából a feszültségfüggő nátrium- és káliumcsatornák működése a legfontosabb: mindkét csatorna az éppen aktuális feszültségtől függően nyílik vagy záródik be. (Az akciós potenciál kialakulásáról a fiatal agykutatók által írt, megegyező nevű blogban olvashat bővebben).

Az idegsejteknél térbelileg elkülönül egymástól az ingerület be- és kimeneti helye. A sejtek közötti kapcsolatok megerősödéséhez és az emléknyomok rögzüléséhez emiatt szükséges, hogy a dendritekben lévő sejtkapcsolat (a szinapszis) információt kapjon az axonban kialakuló akciós potenciálokról. Az akciós potenciálról korábban azt gondolták, hogy csak egy irányba terjed, a sejttesttől, pontosabban az axonnak a sejttesttől pár mikrométerre található kezdeti szakaszától az axon végződései felé. Később azonban kiderült, hogy ez nem így van. Az ingerület visszafelé is halad a dendritekbe, és ez jelzi az idegsejt bemeneti szinapszisainak, hogy a sejtben akciós potenciál alakult ki. Ez a jeladás aktívan terjed a sejtekben, vagyis az ingerület menet közben felerősödik. A jelek erősítésében a már említett ioncsatornák vesznek részt.

A folyamatban egészen mostanáig ismeretlen volt, hogy pontosan melyek azok az ioncsatornák, amelyek képesek felerősíteni a dendritfába visszaterjedő ingerületet. A Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet két munkatársa, dr. Lőrincz Andrea és dr. Nusser Zoltán erre adott választ legújabb tanulmányában, amely az egyik legrangosabb külföldi tudományos folyóiratban, a Science-ben jelent meg.

"Mintha a Hold felszínét néznénk"

"Sikerült azonosítanunk azt a fehérjét, amelyik az elektromos ingerület dendritek irányába történő terjedésért felel. Ez egy feszültségfüggő nátriumcsatorna, a Nav1.6, és ez közvetíti az axonokon terjedő ingerület is. A molekula szerepének pontosabb felderítése már önmagában is újdonság, de megfigyeltünk még valamit. Kiderült, hogy a fehérje eltérő koncentrációban van jelen az axon kezdeti szakaszában és a dendritfában. Az axon kezdeténél körülbelül 40-70-szer nagyobb mennyiségben fordul elő az ingerület terjedését közvetítő ioncsatorna, mint a dendritekben. Sőt, a sejttesttől távolodva a dendritekben is egyre csökken a fehérje sűrűsége, ami eddig szintén ismeretlen volt" - mondta az [origo]-nak dr. Nusser Zoltán.

A Nav1.6 nátriumcsatorna dendritekben történő azonosítását egy egészen újfajta módszerrel végezték a kutatók. Ezt a módszert Japánban fejlesztették ki elsőként, és a világon azóta is csak négy másik laborban használják az agykutatásban, a Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézeten kívül két európai és egy amerikai labor kutatói alkalmazzák. Az eljárás lényege, hogy a vizsgálni kívánt idegszövetet nagy nyomáson lefagyasztják, majd a fagyasztott szövetet kettétörik. A törés nagyon gyakran a sejtek határolóhártyája mentén történik. Ezt követően vékonyan a szövetre gőzölnek egy szén- és egy platinaréteget, így elkészül a szövet felszínének lenyomata. Ebbe a szén-platina lenyomatba ágyazódva találhatóak meg azok a fehérjék, amelyek eredetileg a sejthártyát átszelték. A fehérjék specifikus ellenanyagok (immunglobulinok) segítségével azonosíthatóak. A tanulmányban vizsgált nátriumcsatorna is ilyen: a molekula "beleragad" a fémrétegbe, így a mikroszkóp alatt is látszani fog, ha apró aranyszemcséket tartalmazó ellenanyagokkal specifikusan megjelölik őket.

A dr. Nusser által mutatott egyik felvételen valóban látszanak a nátriumcsatornák, és azok a dendritnyúlványok is, amelyekben ezek a fehérjék elhelyezkednek. Az idegszövetről készített metszet arra hasonlít, mintha a Hold felszínét néznénk: a nyúlványok kiemelkedései hegyvonulatoknak tűnnek, a szövet felszíne pedig árkokhoz hasonlító törésekkel tagolt. A térbeli látás egy háromdimenziós nagyítóval érhető el: rövid fókuszálás után mélységeiben is láthatóvá a kép, és tényleg nem túlzás a Hold felszínéhez hasonlítani a látottakat.

A rövid idegsejtnyúlvány (dendrit) elektronmikroszkópos képe. A fekete pontok az aranyszemcsék, amelyek az Nav1.6-os natriumcsatornát jelölik.

"Bár ezek a nátriumcsatornák már körülbelül húsz éve ismertek, mégis csak az általunk alkalmazott eljárással sikerült a dendritekben is kimutatni őket: a módszer rendkívül érzékeny, és a dendritfákat így még sosem vizsgálták meg" - mondta Nusser.

Esetleges gyógyszercélpontok

Bár a mostani kutatást patkányok idegsejtjein végezték, a jövőben talán az emlékezetromlással járó emberi betegségekről is több minden ki fog derülni. A patkányok és az emberi idegrendszer között számos hasonlóság van: az állatok agyában például szintén a hippokampusz nevű agyterület az, amelyik fontos szerepet játszik az emlékezet kialakulásában és a térbeli tájékozódásban. Bár a két magyar kutató egyelőre nem tervez emberi idegszövettel végzett vizsgálatokat, mégis remélhető, hogy az eredmények hozzásegítenek majd az emlékezetromlás folyamatának pontosabb megértéséhez. Ehhez persze előbb annak is ki kellene derülnie, hogy a memóriaproblémákkal küzdő betegeknél a most vizsgált nátriumcsatornák is kulcsszerepet játszanak-e a kórkép kialakulásában.

A hippokampusz elhelyezkedése az emberi agyban. Ez az agyterület felelős többek között a térbeli tájékozódásért és az emléknyomok rögzüléséért

"A nagy kérdés az, hogy a most vizsgált nátriumcsatorna dendritikus eloszlása megváltozik-e az emlékezetromlással járó betegségekben. Ezt először olyan állatokon lehetne megvizsgálni, amelyekkel az emberi betegségeket modellezik, ilyen lehet például egy Alzheimer-kóros patkány. Ha kiderülne, hogy a beteg állat idegsejtjeiben például lecsökken a nátriumcsatorna sűrűsége, akkor talán érdemes lenne olyan gyógyszerhatóanyag kifejlesztésén is gondolkodni, amely a meglévő, de alacsony koncentrációban található nátriumcsatornák működését specifikusan megnöveli. Ezzel gátolható lenne, hogy meghiúsuljon az ingerület dendritekre történő aktív visszaterjedése, ami ronthatja az új emléknyomok rögzítését. Az idegsejtek közötti kapcsolatok kialakításában azonban még több száz másik fehérje is részt vesz, így előbb azt kell tisztázni, hogy az emlékezetromlásban mennyire fontos a nátriumcsatornák megfelelő eloszlása" - mondta Nusser.