Az agykutatók feladata ijesztően nehéz: az emberi agy esetében százmilliárd idegsejt százbillió kapcsolatáról kellene megállapítani, hogy miként működik. A bonyolult hálózatot egyes kutatók miniatürizált, mesterséges agy segítségével próbálják megérteni, míg mások inkább csak kiválasztott területek aktivitását vizsgálják.

Mit tudunk jelenleg az idegrendszer összetett hálózatainak működéséről? Vegyük a biológusok egyik kedvenc kísérleti állatát, a fonálférget: a mindössze egy milliméter hosszú állatnak összesen 302 idegsejtje van. Az ezekből szerveződő idegrendszerrel az állat képes rá, hogy érzékelje környezetét, egyszerű döntéseket hozzon és a rá jellemző hullámos mozgással haladjon.

302 idegsejt nem nevezhető igazán soknak. A kutatók ennek ellenére még mindig nem értik, hogy a néhány száz neuronból szerveződő egyszerű idegsejthálózat miként képes létrehozni egy valódi, működő idegrendszert. Ez annak ellenére van így, hogy már több mint húsz éve azonosították a féreg idegsejtjeit összekötő összes kapcsolatot.

Építsünk miniagyat!

A neurobiológusok előtt álló kihívást jól szemlélteti, ha a féregagy adatait összevetjük az emberi agyra jellemző számokkal. Agyunk százmilliárdnyi idegsejtje között már százbilliónyi kapcsolat lehetséges, amely ugyan a férgekénél jóval összetettebb viselkedésformákat eredményez, de ennyivel is nehezebben tanulmányozható. Nem véletlen, hogy a legtöbb agykutató inkább valami egyszerűbbet választ: egyedi idegsejteket, az agy egy bizonyos területét, esetleg az egyes agyterületek együttes működését vizsgálja. Csak kevesen akadnak, akik az összes idegsejt egy időben történő működését próbálják áttekinteni és megérteni - írja Carl Zimmer a Scientific American legújabb számában.

Az egyik lehetőség a bonyolult idegsejthálózatok tanulmányozására, ha egy kicsit egyszerűsítünk rajtuk. Ezt a megoldást választotta az Indiana Egyetem kutatócsoportja: Olaf Sporns és munkatársai az emberi agy egy miniatürizált változatát hozták létre. A miniagyat 1600 mesterséges idegsejtből építették fel úgy, hogy a neuronokat egy gömb felszínére helyezték. Ezt követően összekötetéseket hoztak létre az idegsejtek között.

A kísérlet első változatában minden idegsejtet csak a közvetlen szomszédjához kapcsoltak. Ez a hálózat véletlenszerű és alacsony intenzitású aktivitást eredményezett. Ha az egyik sejt spontán módon tüzelni kezdett, az általa keltett elektromos ingerület nem jutott messzire a miniagyban. (Az idegsejtek aktivitását az jelzi, ha elektromos kisüléseket hoznak létre, amely aztán egyik idegsejtről a másikra terjed, továbbítva ezzel a megfelelő információkat).

Forrás: AFP
Az agyi információáramlás az idegsejtek nyúlványain keresztül zajlik

Ezután kipróbálták, hogy mi történik, ha minden egyes idegsejtet a miniagy összes többi neuronjához is hozzákötnek. Ekkor teljesen eltérő mintázat adódott, az agy szabályos időközönként hol teljesen aktív lett, hol pedig teljesen kikapcsolt. A vizsgálat harmadik részében a két véglet között elhelyezkedő hálózatot hoztak létre: a közeli idegsejteket összekötő helyi és a távoli neuronokat összekapcsoló hosszú kapcsolatokat alkottak. Az agy ekkor vált igazán összetetté: ahogy az idegsejtek tüzelni kezdtek, az ingerülethullámok foltokban jelentek meg és terjedtek végig a sejtekkel borított gömbön. Az ingerületfoltok néha összeütköztek egymással, máskor viszont körbe-körbe utaztak a gömb felszínén. (Ez a fajta, nehezen előrejelezhető működés jellemző a valódi agyra is; a kísérlet három változatát ez az ábra szemlélteti).

Kisvilág-hálózat az agyban

Mit mutat meg a fenti kísérlet az összetettség kialakulásával kapcsolatban? Egy alapvető összefüggés máris kiderült, nevezetesen az, hogy a hálózat felépítése már önmagában is képes meghatározni az idegsejtek aktivitásának mintázatát.

A kutatók valódi agyakban is megpróbáltak az előzőekhez hasonló mintázatokat keresni. Az élő agy összes neuronjának működése azonban sajnos még nem követhető nyomon. Egy másik kutatócsoport ezért inkább azzal próbálkozott, hogy csak viszonylag kevés idegsejt aktivitását rögzítsék és ebből próbáljanak meg átfogó következtetéseket levonni a teljes agyra vonatkozóan.

Dietmar Plenz és kollégái (Nemzeti Egészség Intézetek, USA) szezámmagnyi méretű agyszöveteket kezdtek növeszteni a laborban. Minden egyes szövetdarabba 64 elektródát helyeztek annak érdekében, hogy rögzíteni tudják az idegsejtek spontán tüzeléseit. Ekkor szaggatott idegsejtaktivitást lehetett mérni, amely elsőre a neuronok véletlenszerű "zajának" tűnt. Az alaposabb megfigyelést követően azonban kiderült, hogy van bennük szabályosság. Az aktivitáshullámok nagyságbeli eloszlása a hatványtörvényt (angolul power law) követte: az alacsony erősségű aktivitáshullámok voltak a leggyakoribbak, míg az erősebbek ritkábban, a még erősebbek pedig még ritkábban fordultak elő. (Angolul mindezt neuronális lavináknak - neuronal avalanches - nevezték el, szemléletesen lásd itt).

Azt, hogy mekkora eséllyel fognak előfordulni a különféle erősségű aktivitáshullámok, egy exponenciálisan csökkenő görbével lehet grafikus formában ábrázolni. Ez az eloszlás azoknak az összetett hálózatoknak az ismertetőjele, amelyekben rövid és távoli kapcsolatok is egyaránt előfordulnak. A neuronok működése ebből a szempontból akár a földrengésekhez is hasonlítható: a rengések többnyire egy meghatározott területen belül maradnak, és csak ritkábban terjednek át nagyobb távolságokra. Az idegsejtek ehhez hasonlóan általában a szomszédos neuronokat hozzák ingerületbe, egyes alkalmakkor viszont az agy távolabbi részeire is átterjedő ingerülethullámok jönnek létre. 

A szakemberek természetesen arra is kíváncsiak voltak, hogy milyen felépítés jellemezi azokat a neuronhálózatokat, amelyek a valódi agyműködésre leginkább hasonlító aktivitásmintázatokat hozzák létre. Kiderült, hogy erre leginkább azok a hálózatok képesek, amelyek 60 idegsejtcsoportot tartalmaznak, az egyes csoportok pedig átlagosan 10 másikkal állnak kapcsolatban. A kapcsolatok azonban nem véletlenszerűen oszlottak el: a valódi agyműködést legjobban utánzó hálózatot a kisszámú, de kiterjedt kapcsolatokkal rendelkező csomópontok megléte jellemezte. A hálózatkutatók ezeket nevezik kisvilág-hálózatoknak (az agy kisvilág-hálózatai ezen az ábrán és az alábbi képen láthatók).

Forrás: PLoS Biology
Az ábra bal oldalán látható, hogy mi az a kisvilág-hálózat: az idegsejtek különféle csoportokba tömörülnek, közöttük pedig rövidebb és hosszabb kapcsolatok is kialakulnak. A sárga körök olyan csomópontokat jelölnek, amelyek a többiekhez képest sokkal széleskörűbb összeköttetésekkel rendelkeznek (a betűk az agy eltérő anatómiai területeit, a szürke körök pedig az agy funkcionális egységeit jelölik.)

Miért előnyös ez a fajta felépítés? Vélhetően azért, mert elsősorban ez teszi lehetővé az agy számára, hogy a lehető legrugalmasabban reagálhasson a külvilágból érkező jelekre. Komoly előny továbbá, hogy mivel az egymástól távolabb eső agyterületeket nem nagyszámú, hanem csak néhány kapcsolat köti össze, sokkal gyorsabban áramolhat az információ. Azt, hogy agyunk valóban így működik, szerencsére már nemcsak idegsejt-tenyészeteken, hanem élő embereken végzett vizsgálatokkal is sikerült alátámasztani.  

Felfogható-e a skizofrénia a hálózat betegségeként?

Érdekes és igen újszerű megközelítés, hogy a különféle pszichiátriai betegségeket (például a skizofréniát) az idegsejthálózatok betegségének tekintsék. Azt feltételezik, hogy ebben az esetben nem feltétlenül az egyes agyterületek működnek hibásan, hanem maga az egész hálózat.

Az imént említett kisvilág-hálózatnál maradva ez is jól szemléltethető. Az emberi agyat utánzó mesterséges idegsejthálózatokon ugyanis az is megfigyelhető volt, hogy a különféle csomópontok kiiktatása nem egyformán hat a hálózat működésére. Ha olyan területet vontak ki a működésből, amely csak kevés szomszédos kapcsolattal rendelkezett, a sejthálózat működése nem sokat változott. Más volt a helyzet akkor, amikor egy-egy igazi csomópontot tettek inaktívvá: a hálózat viselkedése ebben az esetben drámai módon átalakult.

Ez az eredmény azt is megmagyarázhatja, hogy miért olyan nehéz előre jelezni a stroke vagy az agytumorok későbbi hatásait. Ha az orvosok tudni fogják, hogy egy agyi vérkeringési zavar vagy egy daganat milyen csomópontokat érint, talán azt is előre meg lehet majd mondani, miként fog alakulni a beteg állapota. Az agykutatás ebben az esetben maga is olyan tudományággá válhatna, amellyel a jövőbeli eseményeket előre leíró, megbízható jóslatokat tehetnek a szakemberek.

Készült a Scientific American cikke alapján.

***

Kell-e természettudományos alapképzettség ahhoz, hogy valaki jó tudományos újságíró legyen? Tudománykommunikációs szak indul az ELTE TTK-n 2011 szeptemberében, amelyre február 15-ig lehet jelentkezni.