Az emlékek hatása az agyra - interjú Nusser Zoltánnal | MTA

Az emlékek hatása az agyra - interjú Nusser Zoltánnal

Az idegsejtjeink közti kapcsolatot biztosító szinapszisokban működnek szervezetünk legbonyolultabb molekuláris gépezetei. Az utóbbi években kiderült róluk, hogy felépítésüket nemcsak a genetika, hanem gondolataink, emlékeink is formálják. Hogy pontosan miként, arra keresi a választ a következő öt évben Nusser Zoltán akadémikus, az MTA KOKI kutatója az Európai Kutatási Tanács 2,5 millió eurós támogatásával.

2018. augusztus 1. Gilicze Bálint

Agyunk több milliárd idegsejtből álló hálózatában rengeteg kapcsolat alakul ki, melyeken keresztül a sejtek kommunikálnak egymással. E szinapszisnak nevezett kapcsolódási pontok között vannak viszonylag egyszerű működésűek: az elektromos szinapszisok esetében nagyjából arról van szó, hogy két idegsejt membránja közel kerül egymáshoz, ami lehetővé teszi az elektromos jelek átadását. Az elektromos szinapszisok azonban nem képesek a jelek erősítésére, módosítására, egyszerűen csak átadják őket, ahogy kapták (illetve némiképp csökkenő erősséggel.)

Az idegsejtek közti igazán izgalmas kommunikáció a kémiai szinapszisokon keresztül zajlik, melyek viszont meglehetősen bonyolult jószágok: mind a küldő, mind a fogadó oldalon fehérjék sokaságának finoman hangolt együttműködésére van szükség ahhoz, hogy az ingerület átkerüljön egyik idegsejttől a másikhoz:

  • a szinapszis küldő oldalán működő fehérjékből álló gépezet fogadja az ingerületet a sejttesttől,
  • majd ez a gépezet kémiai jelátvivőket bocsát ki a kapott jel és az idegsejt aktuális állapota függvényében
  • ezek a molekulák a két sejt közötti térben (a szinaptikus résben) diffúzióval jutnak át egyik sejttől a másikig
  • a szinapszis fogadó oldala pedig a saját gépezete segítségével előállítja a továbbküldött jelet.

Ezen szinaptikus gépezet manipulálásán, becsapásán alapul számtalan idegrendszerre ható gyógyszer és méreganyag működése — nem véletlen, hogy kutatásukba jó ideje rengeteg energiát fektetnek.

Vázlatosan valahogy így képzelhető el egy kémiai szinapszis működése Forrás: Youtube/retwedt

Sokszínű szinapszisok

A szinapszisok működését az 1950-es években kezdték el tanulmányozni, azonban az akkori technika még csak az idegsejtek és izomsejtek közti viszonylag nagy méretű szinapszisok vizsgálatára volt elegendő. Az itt kapott eredmények orvosi Nobel-díjat értek Bernard Katznak. Mivel az agyban található, jóval kisebb méretű szinapszisok vizsgálata még meglehetősen nehézkes volt, jobb híján a klasszikus vizsgálatokban tanultakat próbálták alkalmazni azokra is. Az 1990-es évekre azonban kiderült, hogy a helyzet a vártnál bonyolultabb: az agyban rengeteg féle idegsejt van, a köztük lévő szinapszisok pedig változatosak.

A kutatók nem voltak restek, és amint a technika rendelkezésre állt, elkezdték vizsgálni a különféle típusú sejtek közti szinapszisok működését. Mivel a sejtek típusának eltéréseit az okozza, hogy más és más géneket fejeznek ki (vagyis állítanak elő belőlük fehérjéket), logikusnak tűnt a feltételezés, hogy a szinapszisok viselkedésbeli eltérései ezekre a különbségekre vezethetők vissza. Azonban még ezzel sem érkeztünk el a teljes igazsághoz.

Ahogyan egyre pontosabbá váltak a mérések, a kutatók képesek voltak egy adott típusú idegsejt (nevezzük A-nak), valamint egy másik típusba tartozó B és B’ idegsejt közti szinapszisok viselkedését vizsgálni. A döbbenetes felfedezés az volt, hogy még e szinapszisok viselkedése közt is találtak eltérést. Vagyis hiába ugyanolyan típusú B és B’ idegsejt, hiába állítják elő a génjeikből pontosan ugyanazokat a fehérjéket, és hiába adnak szinapszist ugyanazzal az A idegsejttel, a szinapszisok viselkedése mégis különbözik.

Ezt a különbséget egyetlen dolog magyarázhatja: B és B’ idegsejt története eltérő volt, más ingerületek haladtak keresztül rajtuk, pl. más memórianyom kialakításában vettek részt, és ez a történet a fehérjék eltérő mennyisége vagy elosztása révén nyomot hagyott a szinapszisaik felépítésében. E jelenséget próbálja feltérképezni Nusser Zoltán és kutatócsoportja a következő öt évben az Európai Kutatási Tanács 2,5 millió eurós támogatása segítségével.

Nusser Zoltán Forrás: mta.hu/Szigeti Tamás

Pillantás a motorháztető alá

A szinapszisok küldő és fogadó oldalának molekuláris gépezete rengeteg fehérjéből áll — becslések szerint legalább minden tizedik génünk az idegsejtek szinapszisainak valamelyik fehérjét kódolja—, melyek közül csak néhány típus mennyisége befolyásolja a szinapszis viselkedését. A többi fehérje egyszerűen a gépezet alapszerkezetét adja, ezért is nevezik őket strukturális fehérjéknek. Hogy érzékeltessük a nagyságrendeket: egy szinapszis működéséhez nagyjából 1000 fehérjére van szükség, és ebből jó 900 strukturális fehérje.

A többi, nem strukturális fehérjét osztja el az idegsejt a szinapszisai között, és ezek mennyisége lehet hatással a szinapszisok működésére, például erősségükre, plaszticitásukra és más jellemzőikre. Ráadásul egyes jellemzőket nem csak egy-egy fehérje, hanem egész fehérjeegyüttesek határoznak meg. Ezek felderítése a kutatócsoport egyik fontos célja.

Ehhez nem kell mást tenniük, mint különféle jellemzőkkel (erősséggel, plaszticitással stb.) rendelkező szinapszisokat vizsgálni, és megnézni, hogy milyen fehérjeegyüttesek mennyisége változik e jellemzőkkel együtt.

Hogy felmérhessük a feladat méretét, érdemes ezen a ponton röviden áttekinteni, mire is vállalkoznak a kutatók:

  • Működés közben nyomon kell követniük egy kísérleti állat agyának egyes idegsejtjeit, és figyelni a működésüket.
  • Pontosan azonosítaniuk kell a korábban említett A, B és B’ idegsejteket.
  • Meg kell vizsgálniuk a kiválasztott szinapszisok különféle funkcionális jellemzőit (például az erősségüket, plaszticitásukat).
  • Meg kell mérniük, melyik fehérjéből hány darab található a szinapszisok küldő és fogadó oldalán.
  • Végül, a kapott adatokból következtetéseket vonhatnak le arra, hogy a szinapszisok fehérje-összetétele milyen kapcsolatban állhat a működésükkel és történetükkel.

Első lépés: gondolkodó egerek

Hogyan figyeljük meg a kísérleti állatok agyának idegsejtjeit gondolkodás közben? Szerencsére erre a kérdésre pár éve már tudjuk a választ: az idegsejtekbe transzgenikus módszerekkel olyan fehérjéket lehet kifejezni, melyek felvillanásokkal (fluoreszcencia változással) jelezik a sejt aktivitását egészen pontosan a kalciumionok koncentrációjának változását). Ha pedig az egér koponyacsontját a megfelelő helyen egy üveglappal helyettesítik – hasonlóan kíméletes sebészeti beavatkozással, ahogy az emberi koponyaprotéziseket behelyezik – egy ügyes mikroszkópos rendszerrel és a háttérben futó adatfeldolgozó apparátussal pontosan nyomon követhető egyes idegsejtek aktivitása. Erről a módszerről bővebben is írtunk egy korábbi cikkünkben.

Így a kutatók pontosan meghatározott cselekvéssorokat végeztethetnek az egerekkel, virtuális labirintusokban hagyhatják őket bolyongani, miközben egy kis üvegablakon keresztül „a gondolataikat olvassák”, azaz a térbeli tájékozódásukért felelős idegsejtek aktivitását regisztrálják.

Második lépés: az idegsejtek biofizikája

Miután az egéragy megtelt a kísérletek memórianyomaival, és az idegsejtek megkapták az esélyt, hogy felépítsék saját történetüket, elérkezik az idő, hogy közelebbről is megvizsgálják őket. A kutatók az agy vizsgált területéből túlélő agyszeleteket készítenek, és itt különféle biofizikai vizsgálatokat végeznek a kiszemelt idegsejteken, valamint a köztük kialakult szinapszisokon.

Harmadik lépés: fehérjeszámlálás

Végül a kísérlet eljut abba a fázisba, hogy ismerik a kiválasztott szinapszisok működésének történetét, biofizikai jellemzőit – itt az idő, hogy végre a fehérje-összetételükkel is foglalkozzanak. Ehhez az immunhisztokémia módszerét használják, az állati immunrendszer segítségével egyes fehérjékhez (és kizárólag hozzájuk) kötődő antitesteket állítanak elő, és ezekhez fluoreszcens jelzőmolekulákat kapcsolnak. A végeredmény: a megjelölt fehérjék a mikroszkópos felvételen világító pontokként jelennek meg, és egyszerűen összeszámolhatók.

Nem kell mást tenni, mint lefixálni a szövetmintát, megkeresni benne a korábban említett A, B és B’ idegsejteket és a köztük kialakult szinapszisokat, és megszámolni a bennük levő különféle típusú fehérjéket. A helyzet persze itt sem olyan egyszerű, amilyennek hangzik, hiszen a szinapszisok mérete annyira kicsi, hogy a benne található fehérjék átlagos távolsága jóval a hagyományos optikai mikroszkópok feloldóképessége alá esik. Vagyis hiába világítanak a megtalált fehérjéken a fluoreszcens jelzőmolekulák, a képen csak összemosódó, diffúz fényfoltokként jelennek meg – elkülönítésük lehetetlen feladat. Épp e problémára ad választ Stefan Hell szuperrezolúciós mikroszkópja, melyért 2014-ben Nobel-díjat is kapott. Egy ügyes módszerrel képes kicselezni az optikai diffrakciós limitet (vagyis az optikai mikroszkópok feloldóképességének fizikai határát), és Nusser Zoltánék egy ilyen úgynevezett STED mikroszkóppal fogják a szinapszisban lévő fehérjéket vizsgálni.

Van azonban még egy gond: túl sokféle fehérjénél nem működik a módszer. Néhány jól elkülönülő színt még szét lehet választani a színképe alapján, de több tucatnyit már lehetetlenség. A probléma megoldására a kutatócsoport új módszert fejlesztett ki: néhány fehérjetípust megfestenek, megszámolják a fluoreszcenciát a mikroszkópos felvételen, majd kémiai eljárással, a szövetminta roncsolása nélkül eltávolítják a fehérjékről a fluoreszcens jelöléseket, és kezdődhet a következő menet. Így, ha mondjuk 60 féle fehérjéről van szó, ezek mennyiségét hármas csoportokban, 20 menetben meg tudják mérni.

Negyedik lépés: korrelációk és következtetések

Ezzel előáll egy olyan rendszer, amely képes végigkövetni egyes, kiválasztott szinapszisok működését, biofizikai jellemzőit és pontos fehérje-összetételét. A mért adatok alapján pedig már statisztikákat lehet készíteni a szinapszis különféle jellemzői és a fehérjék mennyisége közti összefüggésről. Így például elképzelhető, hogy ha 25 fehérjetípus és a szinapszis erőssége közti kapcsolatot vizsgálják, kiderül, hogy ezek közül csak egy 4 fehérjéből álló együttes mennyisége korrelál az erősséggel. Ugyanakkor elképzelhető, hogy a a szinapszis másik jellemzőjével, például a plaszticitásával teljesen másik 6 fehérje együttesének mennyisége korrelál.

Fontos azonban megértenünk, hogy itt még csak korrelációról van szó, ami nem jelent ok-okozati összefüggést. Ha két jelenség statisztikailag gyakran lép fel együtt, abból nem tudhatjuk, hogy az egyikből következik a másik, a másikból az egyik, vagy egyszerűen csak valami közös okuk van. Az utolsó lépésben a kutatócsoport ezt vizsgálja: genetikai beavatkozással megváltoztatják az így felfedezett fehérjeegyüttesek mennyiségét, és figyelik, hogy a beavatkozásnak — azonos kísérleti körülmények között — milyen hatásai vannak a szinapszisok funkcionális jellemzőire. Itt derülhetnek ki azok az ok-okozati összefüggések, amelyekből valóban mélyreható következtetéseket lehet levonni az idegsejtek és a szinapszisok működésére vonatkozóan.

Kiválóság és új irány — az ERC Advanced Grant titka

Nusser Zoltán korábban már elnyerte egyszer az Európai Kutatási Tanács Advanced Grantjét, később pedig pályázati bírálóbizottságokban is részt vett, így sokat megtudhatott arról, mi is jellemzi a befutott kutatók ígéretes programjait. Az erre a szintre eljutott kutatóknál alapvető követelmény a korábbi sikeres tudományos karrier, ugyanakkor a benyújtott projekttel szemben elvárás, hogy valamelyest szakítson a múlt eredményeivel és új irányba induljon el. “Nincs aranyszabály — bírálóként és pályázóként is nagyon nehéz ezt kezelni” — mondta Nusser Zoltán, aki a következő években szinapszisok vizsgálata mellett a Nemzeti Agykutatási Program keretein belül is folytat idegtudományi kutatásokat.