Milliószor gyorsabban lehet vizsgálni a mozgó, gondolkodó agyat magyar kutatók új módszerével

Korábbi cikkünk a kutatócsoport munkájáról itt olvashatóNapjainkban a központi idegrendszeri betegségek és problémák (mint például az alvászavar) emésztik fel az orvosi ellátásra költött legnagyobb összegeket. Ráadásul a legtöbb gyógyszer csak tüneti, nem pedig oki kezelést jelent a felmerült problémákra. Mindenképpen szükséges az agy működésének mélyebb megismerése, hogy hatékonyabb és szelektívebb, végleges megoldást adó gyógymódokat fejleszthessenek ki a kutatók.

Jelenleg azonban még nincsenek meg az agy megismeréséhez szükséges megfelelő eszközök. Azoknak a berendezéseknek, amelyek nagy térfogatban mérnek (mint az MRI), nem elég jó a térbeli feloldásuk, hiszen minden egyes mért elemi térfogategységben több tízezer sejt aktivitását mossa egybe a berendezés. A sokcsatornás elektródarendszerek használata pedig egyrészt jelentős roncsolással jár, másrészt nem lehetséges pontosan beazonosítani, honnan, azaz pontosan mely és milyen típusú sejtekből származik az információ.

Megzabolázni a rezgő agyat

Az egyik legígéretesebb új vizsgálati módszer egy kvantummechnikai jelenségre, az úgynevezett kétfoton-effektusra épít. Ennek segítségével több mint 1,5 mm-es mélységig be lehet látni az agyba, ezért a kísérleti állatok agykérgét akár teljes vastagságában lehet mérni.

A módszer alkalmazásával magyar kutatók egy minden eddiginél hatékonyabb mérési eljárást dolgoztak ki nagy idegsejthálózatok vizsgálatára éber, aktívan mozgó állatok agyában.

A kutatók eljárása a korábban alkalmazott optikai technikáknál csaknem egymilliószor gyorsabban képes méréseket végezni három dimenzióban.

A módszer segítségével lehetővé vált éber állatokban akár több száz, sőt több ezer idegsejt vagy sejtnyúlvány egyidejű térbeli mérése, ezáltal az agy információkódolásának megismerése nemcsak egészséges állatokban, hanem különféle betegségekben is. Az eredményt a Neuron című folyóirat kiemelt anyagai sorában közölte.

A kutatók számára az jelentette a legnagyobb kihívást, hogy az emberi agyhoz hasonlóan a kísérleti állatok agya is rugalmasan van felfüggesztve a koponyán belül, ezért a szívverés, a légzés, de főleg az éber állapotban végzett fizikai tevékenységek során igen nagy, a sejtek és sejtnyúlványok méretét akár százszorosan is meghaladó kitérésű elmozdulások keletkeznek. Ezek a mozgások pedig teljesen „el tudják mosni” az agy működéséről készített felvételeket.

Az elmosódás, illetve sok esetben teljes információvesztés fő oka, hogy az eltérő információt kódoló sejtek és sejtnyúlványrészletek igen tömötten, mindössze néhány 100 nm-es távolságban helyezkednek el az agyban, meglehetősen szorosan és olyan összevisszaságban, mint a spagetti egy edényben. Ugyan az elmúlt években két dimenzióban, azaz egyetlen síkban már sikerült kezelni az információ elmosódásának problémáját, vagyis stabilizálni a képet, térbeli mérések során erre nem volt lehetőség. Korábban az egyetlen, élő állatokon is jól használható, gyors, háromdimenziós mérési módszer csak adott pontokban, illetve kis femtoliteres térfogatelemekben mért (ezt a módszert 2012-ben a Nature Methodsban közölték). Ugyanakkor a műszer által megfigyelt kis kiterjedésű térfogatelem ilyenkor az agy több mikrométeres elmozdulásai során más és más idegsejthálózatok területére esik, így ezzel a módszerrel nincs lehetőség egyetlen ideghálózat időbeli viselkedésének követésére.

Mikroszkóp karácsonyfával

Rózsa Balázs (MTA KOKI és PPKE) és Katona Gergely (NAP-kutatócsoport, PPKE ITK ) kutatócsoportjai Szalay Gergely és Judák Linda részvételével kidolgoztak egy olyan új matematikai eljárást és egy arra épülő térbeli lézervezérlési módszert, amely összetett nemlineáris vezérlőjelek segítségével lehetővé teszi a mérési pontok gyors mozgatását térbeli görbék mentén. Mindezt a kutatók által kifejlesztett, háromdimenziós akusztooptikai mikroszkóp teszi lehetővé.

Az új eljárás segítségével a szétszórt mérési pontok halmazát különféle térbeli szalagokká vagy térfogatelemekké lehet alakítani, és ezeket az elemeket tetszőleges kombinációban felhasználva térbeli méréseket végezni. Ahogy karácsonykor a fát díszítik fel, úgy lehet az ágas-bogas faszerkezetet mutató idegsejtekre ezeket a különféle szalagokat, térfogatelemeket ráfeszíteni, amelyek mentén a mérés megtörténik. A módszer lényege tulajdonképpen az, hogy mozgás közben a mérni kívánt terület e térfogatelemeken belül marad, így nem vész el az információ.

A pásztázás elve és a kutatók által kifejlesztett új szkennelési módszerek sémái
Forrás: Rózsa Balázs

Mindez lehetővé teszi fizikai tevékenységeket végző állatok mozgó agyában a fiziológiás aktivitás mérését és a mozgás okozta zajok eltávolítását. A mérések szerint a kutatók módszerükkel több mint egy nagyságrendnyi javulást tudtak elérni a jel minőségében (a jel/zaj hányadosban). Továbbá hat új háromdimenziós szkennelési módszert fejlesztettek ki, amelyeknek köszönhetően nemcsak pontokból, hanem térben tetszőlegesen elhelyezett és flexibilisen mozgatható szalagokból, négyzetekből, kockákból, deformált hasábokból is lehet mérni. Módszereik lehetővé teszik, hogy a Rózsa Balázsék által 2012-ben az agy háromdimenziós mérésére felállított sebesség-világrekordot (amely már éppen elegendő az agy gyors működésének megismeréséhez) ne csak altatott, hanem éber, mozgó állatokon is használni tudja az agykutatás.

Rózsa Balázs Fotó: mta.hu/Szigeti Tamás

Bővülő magyar csapat

Az orvosokból, villamos-, gépész-, valamint optikai tervezőmérnökökből, informatikusokból és diákokból álló multidiszciplináris csapat jelenleg olyan megoldásokon dolgozik, amelyek lehetővé teszik, hogy a technológiát a közeljövőben a humándiagnosztika és terápia területén hasznosítsák.

A folyamatosan bővülő kutató és fejlesztő csapat – amely nemrég avatta fel új fejlesztőközpontját, és egy újabb központ építésébe is belevágott Pécsett – örömmel fogadja lelkes diákok, kollégák jelentkezését.

Rózsa Balázsék ma már nem csupán agy- és idegrendszeri kutatási eredményeikről ismertek, hanem a hazai innovációs ágazatban betöltött szerepükről is. Elképzeléseik között szerepel egy olyan magyarországi kutatás-fejlesztési ökoszisztéma létrehozása, amely hazánkat az ágazat regionális, közép-kelet-európai központjává emeli. Jelenleg egy inkubációs projekten dolgoznak, amely a biotechnológiai ágazat hazai és kelet-európai szereplőinek támogatásán keresztül kívánja bevonni a térséget a nemzetközi tudástranszfer-hálózatokba. A terveikben szereplő „inkubációs hub” finanszírozással, európai uniós támogatásokkal és adókedvezménnyel, valamint szakmai és üzleti tanácsadással segítené a korai szakaszban lévő technológiai vállalkozásokat. Arra ösztönzik a hazai kutatókat, hogy merjenek kilépni az egyetemek és kutatólaboratóriumok keretei közül, és kutatási projektjeiket akkor tekintsék lezártnak, ha választ adtak eredményeik alkalmazhatóságára a mindennapokban.