Agyukkal látó egerek hozhatják el a Mátrix világát

Amikor az ember arról olvas, hogy egy kutatócsoport „olyan Ide kattintva elérhető korábbi, rövid, szakmai összefoglalónk a kutatásrólberendezést fejleszt, amely a Mátrix című film virtuális világához hasonlót teremthet majd a vakok agyában”, hajlamos túlzásra gyanakodni, azonban elég egy órát beszélgetni a kutatást vezető Rózsa Balázzsal, és kiderül, hogy Neo és Smith ügynök világa csak a kezdet. Lesznek itt mutánsok, kegyetlenül kihasznált vírusok, hanggal vezérelt lézerek – és akkor még nem is említettem, hogy a tét kétmillió euró volt, amelynek elnyerése most lehetővé teszi, hogy minden eddiginél jobban belelássunk a világító agyú állatok gondolataiba.

A látványtól a látásélményig

Ahhoz, hogy megértsük, min is dolgozik gőzerővel a friss ERC-nyertes kutatócsoport, fontos, hogy képet kapjunk a látás folyamatáról. Aki ugyanis azt hinné, hogy „koponya-mozinkban” színes képek pörögnek gyors egymásutánban, nagyobbat nem is tévedhetne.

Szemünk egy fényképezőgép objektívjéhez hasonlóan az elénk táruló látvány (fordított) képét vetíti retinánkra, ahol különféle fényérzékeny sejtek készítenek a fotonokból elektromos jeleket. Eddig egyszerű lenne a képlet, azonban már a retinában elkezdődik a jelek feldolgozása, és az emberi látóidegen mai tudásunk szerint legalább 19 különféle csatornán áramlanak adatok az agy felé – egyebek mellett külön csatornán utaznak a színek, a kontrasztinformációk, és már itt megtörténik bizonyos fokú mozgásfelismerés is. A helyzet pedig csak bonyolódik, ahogy az információ az agy gigantikus kapcsolóközpontján, a talamuszon keresztül végül eléri a látókérget, ahol megszületik maga a látásélmény.

Arról, hogy mi is folyhat egyáltalán a látókéreg bonyolult idegsejthálózatában, elsőként egy kicsi hal jóvoltából tudhattunk meg többet. 2014-ben megjelent Az eredeti cikk itt olvashatócikkükben Jeremy Freeman és kutatótársai a biológusok egyik kedvenc kísérleti állata, a zebrahal agyának működését vizsgálták egy elsőre meglehetősen szokatlannak tűnő módszerrel. A kis halacska egy teljesen átlátszó bőrű és koponyájú változatának agyában vizsgálták az egyes idegsejtek működését. Az eredmény – melyet a későbbiekben bemutatott optogenetikai módszer tett elérhetővé – egy film volt, mely bepillantást nyújtott a zebrahal 80 000 agysejtjének egyidejű működésébe.

A filmen látszik, ahogy a szemet ért ingerek hatása továbbhalad az agy különféle részeibe, azonban az előagyban (az embernél ez tölti be a koponya nagy részét, itt zajlanak a bonyolultabb agyi folyamatok) a szabályos aktivitásmintázatok már egyáltalán nem kivehetők, ráadásul itt akkor is folyamatos aktivitás észlelhető, amikor a kis hal környezetében nem történik semmi.

Ahogy a zebrahalak, majd később egerek és egyéb kísérleti állatok agyát vizsgálták hasonló módszerekkel, világossá vált, hogy az agy számos területének igen jelentős a nyugalmi aktivitása, vagyis annak ellenére, hogy nem érkezik érzékeinktől semmilyen jelentősebb ingerület, idegsejtek különféle csoportjai térben és időben összehangolt aktivitást mutatnak. Ráadásul ezek a jellemző csoportos aktivitások megjelennek akkor is, amikor észlelünk valamit – mintha agyunknak lenne valamiféle saját „nyelve”, és e nyelv szavaival (vagyis a csoportos aktivitási mintázatokkal) próbálná megközelíteni a kívülről érkező információkat, ha pedig békén hagyják, magában beszél. Ha ismernénk ezt a nyelvet, ezt használva talán közvetlenül is be tudnánk táplálni az információkat az agyba – és így el is jutunk a Mátrix világához.

De hogyan kezdjük az ismerkedést egy ilyen merőben új nyelvvel? A legegyszerűbb és legkézenfekvőbb megközelítés, ha először meghallgatjuk, hogyan fejezik ki magukat a nyelv használói minél egyszerűbb helyzetekben, utánozzuk őket, majd izgatottan várjuk a reakciót.

Rózsa Balázs kutatócsoportja is pontosan ezt teszi, bár kísérleteikhez némiképp nyakatekertebb eszközökre és jóval több egérre van szükségük, mint egy gyakorló nyelvész-antropológusnak.

Rózsa Balázs Fotó: mta.hu/Szigeti Tamás

Ahhoz ugyanis, hogy közvetlenül szóba elegyedjünk egy állat (esetünkben egér) agyával, olyan módszerekre van szükség, amelyek csak az utóbbi években váltak elérhetővé a kutatók számára. Korábban a kutatók legfontosabb közvetlen mérési módszere abból állt, hogy elektródákat dugtak az agyszövetbe, és ezekkel próbálták minél pontosabban megmérni, illetve befolyásolni egyes idegsejtek aktivitását. Ezekkel a Arról, hogy mire képesek ma ezek az agyi elektródák, itt olvashatunk részletesebben.módszerekkel azonban csak néhány tíz sejt aktivitását tudták jól regisztrálni, de nem volt lehetséges több száz vagy akár több ezer idegsejt egyedi működésének mérése, ráadásul ezek a mérések, mondhatni, „vakon” történtek, hiszen a sejtek helyét, anatómiáját nem lehetett a mérések után beazonosítani, így a nagyobb hálózatok viselkedésének feltárására más technikára volt szükség.

Ismert és a kutatók körében bevett eszköz az agy működésének vizsgálatára az fMRI, ez azonban csak nagyobb agyterületek aktivitását képes kimutatni, felbontása legalább ezerszer gyengébb annál, mint ami egyes idegsejtek vizsgálatára alkalmas lehetne.

A forradalmi áttörést a genetika és a mikroszkópia utóbbi évtizedének eredményei nyomán született tudomány, az Az optogenetikai forradalom technikai alapjait korábbi cikkünk részletezi, melyet ide kattintva olvashatunk.optogenetika hozta. Felfedezték ugyanis, hogy bizonyos fehérjék képesek a környezetükben levő ionok koncentrációjának függvényében fluoreszcenssé válni – vagyis miután az ionkoncentráció változása „bekapcsolta” őket, megfelelő színű fénnyel megvilágítva maguk is felvillannak. Más fehérjék ennek a fordítottját tudják: ha megfelelő színű fénnyel világítják meg őket, egy csatornát nyitnak a sejtmembránon, így megváltoztatják egyes ionok sejtbeli koncentrációját.

Ahhoz, hogy ezekből a szép eredményekből létrejöjjön a „beszélgetés” az aggyal, már csak néhány apró részletkérdést kell rendezni. Nevezetesen:

1. Be kell juttatni valahogy a sejtekbe tehát legalább kétféle fehérjét, egyet a méréshez, egyet pedig a fénnyel történő aktivációhoz.
2. Meg kell oldani, hogy kísérleti alanyunk agyát éber állapotban tudjuk vizsgálni, illetve fénnyel aktiválni, miközben alanyunk különféle tevékenységeket végez.
3. Ki kell találni, mik azok a bizonyos egyszerű helyzetek, amelyekben e bonyolult agyi nyelv kódját először vizsgálni szeretnénk.
4. Miután „beszéltettük” az agyat, ki kell próbálni, hogy megérti-e, amit „mondunk” neki.
5. Jöhet a Mátrix.

Jótékony fertőzés, mutáns egerek

Kezdjük az első ponttal. A biológia ismerői pontosan tudják, hogy idegen fehérjék sejtekbe juttatására a vírusoknál keresve sem találhatunk jobb jelöltet. Igaz, a vírusok önzők, és leginkább azt szeretnék, ha a fertőzött sejt csak az ő fehérjéik gyártásával foglalkozna, és ebbe a sejt végül jobbára bele is pusztul. Ha azonban egy vírusnak csak a fehérjeburkát használják arra, hogy meghatározott fehérjék génjeit injektálja a sejtbe, azzal ügyesen módosítani lehet a sejt működését. Ráadásul, mivel ezek a vírusok nem szaporodnak, a beadott mennyiséggel pontosan lehet szabályozni, hogy mely sejteket szeretnénk módosítani.

Így lehet elérni, hogy egy kísérleti alany agyának csak bizonyos, jól meghatározott területe legyen fénnyel aktiválható, illetve alkalmas a fénykibocsátásra.

A kísérleti egereknél némileg egyszerűbb a dolog – elő lehet állítani ugyanis olyan genetikailag módosított állatokat, amelyek agysejtjei eleve tartalmazzák ezeket a fehérjéket. Ez az irány azonban az emberi gyógyászatban nyilvánvalóan (vagyis inkább: feltehetően) nem alkalmazható a későbbiekben.

Ablak az agyra

A következő nagy kérdés: hogyan juttatjuk be a fényt az agyba, és hogyan nézünk bele mikroszkóppal. Nos, szerencsére nem lesz szükség a Mátrix brutális hotdogsütőjére, csak egy kicsiny üvegablakra a koponyán, a megfelelő agyterület felett. Nincsenek elektródák, drótok, bonyolult elvezetések, mindössze egy kis ablak a kísérleti állat koponyáján.

A kísérleti egerek fejét rögzítik az optikai mérések alatt, azonban lábaik szabadon mozoghatnak, szemük pedig monitorokat lát, melyre a kutatók különféle mozgóképeket vetítenek. Így hozzák létre a kutatók az egerek körül azt a virtuális labirintust, amelyben az egér bolyonghat. Pozícióját, helyváltoztatásának irányát és sebességét a lába mozgása alapján határozza meg a kísérleti berendezés, és ennek megfelelően változik a köré vetített környezet is.

Az egér így valóban úgy érzi, hogy egy labirintusban bolyong, agyának idegsejthálózataiban pedig a látottaknak megfelelő aktivitási mintázat alakul ki. Ezt vizsgálják a kutatók a látókéreg felett létrehozott üvegablakon keresztül egy lézerrendszerrel összekötött mikroszkóppal – az idegsejtekbe korábban bejuttatott, fénykibocsátásra képes fehérjék révén.

Az egeret jutalmazással és büntetéssel megtanítják, hogy bizonyos területeket érdemes elkerülni, másokat pedig érdemes felkeresni. Ha már magabiztosan jár és keresgél a monitorokon elé vetített labirintusban, a lézerrendszerrel összekötött mikroszkóppal mérni kezdik idegsejtjei aktivitását a látókéreg meghatározott részén. Azaz itt vannak a cikkünk elején említett egyszerű helyzetek, amelyekben rögzítik az agy belső „nyelvének” szavait.

Mit látsz, vakegér?

Ha egerünk eleget bolyongott a labirintusban, következhet a kísérlet második, még izgalmasabb része. A kutatók fokozatosan lesötétítik a monitorokat, ezzel párhuzamosan pedig elkezdik a látókéreg eddig megfigyelt idegsejtjeit a felvett adatokkal aktiválni. Az eredmény döbbenetes:

az egér meg tud tanulni ebben a (kétszeresen) virtuális labirintusban is tájékozódni!

Nagyszerű, de mi a helyzet, ha egy másik egér látásélményét próbáljuk kísérleti alanyunk agyába vetíteni? Hiszen végső soron valami ilyesmi lenne a cél: rábírni az agyat olyan információ befogadására, ami nem saját magától származik.

Szerencsére itt maga az agy siet a segítségünkre. Már az 1970-es években bebizonyították, hogy egy, az agyszövetben elhelyezett megfelelő elektróda segítségével az agy képes megtanulni egy robotkar mozgatását, ma pedig már valóban használható, ilyen elven működő emberi művégtagok is léteznek. Meglepő módon kiderült, hogy az elektródát nem kell feltétlenül éppen a végtagok mozgatásáért felelős agyterületen elhelyezni, az agy, esetleg lassabban, de másutt is képes „rátanulni” egy ilyen feladatra.

Így hát nem kell azon aggódni, hogy miként találjuk el sejtszintű pontossággal ugyanazt az agyterületet – hogy is tehetnénk, hiszen nincs két pontosan egyforma agy –, ahonnan a másik egér látókérgi információi származnak, az agy akkor is képes „rátanulni” a kapott adatokra, ha a mintát kicsit máshonnan vették.

Jöhet a Mátrix – de mikor?

Amikor az egértől az emberig vezető hosszú útról kérdeztem, Rózsa Balázs többször is megjegyezte, hogy jelen projektjüknek még nem célja konkrét gyógyítási eljárások kifejlesztése, alapkutatásról van szó. Mindazonáltal szívesen mesélt a továbblépés lehetőségeiről.

Az egyszerű mintázatok, kontrasztok, sarkok felismerésén (vagyis a labirintuskísérleten) egyelőre nem lépnének túl, viszont szívesen megpróbálkoznának fejlettebb agyú emlősök, például vadászgörények vizsgálatával. Ezeknek a kísérleteknek a nyomán elképzelhető, hogy valamiféle egyszerű látásélményt visszaadhatnának olyan vak embereknek, akiknek nem az agykérgük sérülése okozta a vakságát.

A gondot az okozza, hogy épp a jelenlegi módszer jellege miatt ez szigorú helyhez kötöttséget jelentene – egy mikroszkóp belsejében rögzített fejjel, kicsiny ablakkal a koponyán. Más kutatócsoportok foglalkoznak mobil, koponyán belül elhelyezhető implantátumok fejlesztésével, melyek elképzelhető, hogy hamarabb adnak használható, minimális térérzékelést biztosító eredményeket. A Rózsa Balázs kutatócsoportja által kifejlesztett mikroszkópos rendszer használható lesz az implantátumok működésének szimulálására, így tökéletesítésükre is, de a technológia folyamatos miniatürizálásával akár egy hordozható mikroszkóp is kifejleszthető lesz, amelyet „kalapként” lehet majd viselni.

Ha visszagondolunk a bárhova beszúrt elektróda esetére és az agy hihetetlen rugalmasságára, Rózsa Balázsék módszere egy egészen meglepő és ígéretes lehetőséget is felcsillant. Elképzelhető ugyanis, hogy utolsó mentsvárként az agy más területei is megtaníthatók valamilyen szinten „látni” – persze ilyenkor felmerül az a kérdés, hogy miként módosul a célterület eredeti funkciója, mit veszthetünk egy ilyen beavatkozással.

Most azonban térjünk vissza a realitások talajára, és zárásként ejtsünk pár szót arról, mivel érdemelte ki Rózsa Balázsék ERC-projektje a kiemelt státuszt.

Univerzális eszköz az agykutatásban

A hozzávetőleg egy évtizede zajló optogenetikai forradalom nagyjából mostanra ért el arra a szintre, hogy a kutatók képesek legyenek nagy idegsejthálózatok sejtszintű vizsgálatára élő szövetben. Rózsa Balázsék projektje lényegében ehhez ad egy új eszközt, amely

• egy teljesen új mikroszkópkonstrukció, mely kihasználja a 3D leképezés lehetőségeit
• nagyságrendekkel növeli az aktiválható és mérhető sejtek számát – a hagyományos módszerekkel 10-30 sejtről volt szó, most ez a szám akár félmillió is lehet másodpercenként
• szintén nagyságrendekkel növeli a vizsgálható térfogatot – a jelenlegi konstrukció alkalmas 4×4×1 mm-esnél is nagyobb térrészek nagy feloldású vizsgálatára
• képes optikailag és algoritmikusan kompenzálni az élő szövet belső mozgásait
• nagyságrendekkel növeli a mérési sebességet – a korábban említett zebrahalas kísérletnél fél másodperces időközönként készültek felvételek, a magyar kutatócsoport rendszere pedig képes a videó képsebességét tartani.

Egy ilyen lézerrendszerrel összekötött 3D mikroszkóp rengeteg agykutatási projektben kaphat központi szerepet, így nem véletlen, hogy kiemelt helyet foglal el az ERC által támogatott projektek között.

A projektben kiemelkedő szerepe van Katona Gergő, Szalay Gergely fizikusoknak, Maák Pál, Veress Máté, Krúdy Ádám, Mikó József és Farkas Zoltán mérnököknek, Chiovini Balázs, Judák Linda, Szadai Zoltán biológus kutatóknak. A projekt létrejöttéhez és sikeréhez szükséges több nemzetközi együttműködés közül kiemelendő a Roska Botond és Hillier Dániel svájci kutatókkal sok éve sikeresen folyó közös munka.