Egy magyar kutatócsoport olyan nagysebességű, háromdimenziós lézermikroszkópot fejlesztett ki, amellyel a világon egyedülálló módon képesek több száz élő idegsejt aktivitását és az információ nyúlványokban való terjedését egyszerre vizsgálni.

Egy rejtélyes nevű, magyar fejlesztésű berendezést - 3D akuszto-optikus mikroszkópot - mutattak be a napokban az MTA Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézetben. Azt, hogy a műszer nem hétköznapi készülék, már sejteni lehetett abból, hogy a kutatóknak az eszközről szóló leírását a vezető innovációkkal foglalkozó Nature Methods folyóirat jelentette meg a közelmúltban.

Amikor belépünk a kis szobába, első pillantásra némi csalódás ér. Látványos, csillogó, villogó készülék helyett egy szürke műanyag rolókkal letakart, több köbméteres doboz fogad, a prototípus. Persze az ember tudja, hogy az ilyen berendezéseknél nem a külső, hanem a belső számít. A műanyag rolót felhúzva prizmák és lencsék sokasága tárul a szem elé. Ezeken halad át az a nagyfrekvenciás lézersugár, amely azután hihetetlen gyorsasággal és térbeli pontossággal képes letapogatni az élő idegszövet sejtjeit és monitorozni a működésüket. És éppen ennek a gyorsaságnak és pontosságnak a megvalósítása az, ami a világ élvonalába emeli a találmányt.

Mit tud a 3D akuszto-optikus mikroszkóp?

Rózsa Balázs fizikus és orvos, a KOKI Két-Foton Képalkotó Központ vezetője és munkatársai már közel tíz éve foglalkoznak nagysebességű, háromdimenziós lézermikroszkópok fejlesztésével. Katona Gergővel akkotott találmányaik közül több most már napi "rutinkutatásra" alkalmas és értékesíthető állapotba is került.

Fotó: Hirling Bálint [origo]
A roló lencsék sokaságát rejti

A bemutatott berendezés képes úgynevezett gyors két-foton in vivo (élő szövetben) térbeli képalkotásra. Köznapi nyelvre lefordítva a műszerrel mélységben tanulmányozhatók az idegszövetek sejtjei, és akár egy eleven élőlény - jelenleg rendszerint egér, de később akár ember - felnyitott koponyájában lévő agy idegsejtjei, és a nyúlványaikon végigfutó elektromos impulzusok.

Rózsa Balázs az [origo]-nak elmondta, hogy vizsgálataik során olyan festékanyaggal töltik fel az idegsejteket, amely lézersugár hatására fényreakciót vált ki. Ezt a reakciót mérve képesek három dimenzióban megfigyelni az idegsejtekben zajló folyamatokat és láthatóvá tenni az idegrendszer hálózatainak működését. Ezeknél a méréseknél nagyon fontos a jelmintavételezés sebessége. A magyarok mérése sokkal gyorsabb, mint a hasonló technológiát fejlesztő külföldi konkurenseké.

Elektromos elvezetés helyett lézersugár

Rózsa Balázs elmondta, hogy módszerük hasonlít ahhoz, mintha elektródákat szúrnának az idegsejtekbe, és az onnan elvezetett jeleket mérnék. A módszer előnye, hogy nem invazív, azaz nem okoz roncsolást a szövetben, ráadásul a mérés közben óhatatlanul jelentkező elmozdulások kompenzálhatók. Továbbá ennél az optikai módszernél a kutató pontos infirmációt kap a mérés helyéről, hogy pontosan melyik idegsejt melyik nyúlványából történt a mérés, és végül nem utolsósorban a mérési térfogat bármely tetszőleg elrendezésű ponthalmazából elvezethetünk mechanikai, geometriai korlátok nélkül.

Fotó: Hirling Bálint [origo]
Egyszerre több száz idegsejtet tudnak vizsgálni

A kutatók 2011-ben már beszámoltak addigi eredményeikről az amerikai tudományos akadémia folyóiratában (PNAS). Akkor 25 mikrométer mélyen tudtak lehatolni az agyszövetbe. A Nature Methods folyóiratban leírják, hogy ezt az értéket a sokszorosára sikerült bővíteni. A műszer már több mint 3000 mikrométeres tartományban tud térben mérni átlátszó mintákban. Egy élő állat fejében pedig mintegy 650 mikrométeres mélységig látnak le, és a mérés gyorsaságát is majdnem százszorosára növelték.

"Egyedülálló berendezést sikerült fejlesztenünk. Egy újfajta optikai megoldásnak köszönhetően egyszerre akár több száz idegsejt aktivitását is mérni tudjuk, sőt ezzel párhuzamosan az idegsejtek nyúlványaiban zajló, nagyon gyors információterjedési folyamatokat is képesek vagyunk tanulmányozni" - mondta Rózsa Balázs.

Az idegsejtek háromdimenziós megjelenítéséhez Rátai Dániel fiatal kutató háromdimenziós rendszerének (Leonar3Do) továbbfejlesztett változatát is felhasználják. Maák Pál, Katona Gergő, Rózsa Balázs, Szalay Gergely, Veress Máté által alkotott berendezést Kaszás Attila, Hillier Dániel és Roska Botond vezette világhírű svájci kutatócsoport segítségével sikerült élő állatokon történő mérésekre is adaptálni.

Az idegsejtek nyúlványainak aktivitása is megfigyelhető

A magyar kutatóknak sikerült először háromdimenziós képalkotó rendszerrel élő állatok agyának a működésébe is betekinteni. Az elkábított állatnak (amely az ébredéshez közeli fázisban van) különböző képeket mutatva figyelik meg az agy látókérgének működését.

Fotó: Hirling Bálint [origo]
A különleges mikroszkóp belülről

"Az állat agyában több mint 500 idegsejtet tudunk egyszerre tanulmányozni, ha ezzel végeztünk, akkor egy másik képet mutatva a következő 500 idegsejtet kezdjük el vizsgálni, így sok tízezer sejt aktivitása mérhető. Ezáltal »in vivo« részletesen feltérképezhető az agykéreg egy jelentős darabjának működése" - magyarázta Rózsa.

A korábbi módszerekkel a neurológusok az egyes idegsejtek átlagos aktivitását tudták mérni, míg a KOKI munkatársainak új mikroszkópja a sejtek és nyúlványaik aktivitását párhuzamosan is képes vizsgálni. Rózsa Balázs reményei szerint az új berendezés az agyi információfeldolgozás megértésének, illetve a központi idegrendszeri megbetegedések kutatásának új eszközévé válhat.