VIII. Biológiai Tudományok Osztálya

Székfoglalók

Mi tesz minket emberré? Magyar kalandozások az ember és az emlősök agykérgében
Tamás Gábor, az MTA rendes tagja
2020. szeptember 8.
MTA Székház, Nagyterem

Az emberi agykéreg páratlan képességeit megalapozó mechanizmusok feltárása az idegtudomány egyik legnagyobb kihívása. Kísérleteinkben számos, az embert megkülönböztető sejt- és neuronhálózati szintű mechanizmust tártunk fel agyszelet preparátumokban és az állatmodellekhez viszonyítva az emberben újonnan megjelenő sejttípusok gazdagíthatják agykérgünket. Hipotézisünk szerint az új emberi idegsejt típusok beágyazódása a neuronhálózat evolúciósan konzervált elemeibe, illetve a más fajokban is előforduló neuron típusok emberre specializált szinaptikus és sejtes tulajdonságai az emberi agykéreg jelentős funkcionális átalakulásához vezethet. A térben és időben precíz, gyors ideghálózati működésben újonnan felfedezett emberi neuron típusok, például az ilyen frekvenciákra hangolt csipkebogyó sejtek is részt vehetnek kibővítve a klasszikus, más fajokból ismert mechanizmusokat. Az új elemek idegi hálózatokba épülését célzó funkcionális vizsgálatokhoz egyedi módszereket fejlesztettünk, amellyel korábban nem elérhető felbontással vizsgálhatjuk az agykéreg működését, különös tekintettel a kutatócsoportunk által megfigyelt alvási orsókba ágyazott éleshullámokra és az inzulin agykérgi szintézisére.

Képgaléria

Hálózatok tanulási és döntéshozatali mechanizmusai
Csermely Péter, az MTA rendes tagja
2020. február 11.
MTA Székház, Díszterem

A hálózatkutatás az emberiséget elérő "információs lavina" megértésének és feldolgozásának egyik fontos eszközévé vált az elmúlt húsz évben. A számos életvezetési tanácsot is megfogalmazó székfoglaló előadásom vezérgondolata az, hogy a hálózatokra jellemző általános tulajdonságok nemcsak a szerkezetükre, hanem az adaptációjukra is érvényesek. A nem neuronális, egyedi sejtek igen hasonló alapszabály szerint tanulnak, mint az agy: az alkotó elemeik (pl. fehérjék) közötti kapcsolatok erőssége nő a tanulási folyamat során. A Hebb-féle tanulási szabály tehát sokkal általánosabban érvényes és alkalmazható, semmint azt eddig hittük. Általános a hálózatok döntéshozatali mechanizmusa is. Szokványos helyzetekben a hálózatok központi, jól összekötött régiójában (magjában) elhelyezkedő "főnökök" döntenek. Ez egy gyors, és megbízhatóan reprodukálható döntést tesz lehetővé. Új helyzetben azonban a hálózatok "szélén" (perifériáján) lévő nódusok sokasága is részt vesz a döntési alternatívák felvázolásában. Ezek közül az adott kihívásra adekvát választ megjelenítő nódusok a tanulási (azaz: élsúly-átrendeződési) folyamat során a hálózat perifériájáról bekerülnek a hálózat centrumába, így ők lesznek az új "főnökök". A demokrácia tehát nem pusztán egy morális alapállás, hanem a sejtjeinkbe kódolt parancs. Az a társadalom, amelyik túl akarja élni a XXI. századot, egymás gondolatait tisztelő, abból tanulni vágyó, a közös megoldások kimunkálására kész emberekből kell, hogy álljon. Ehhez ma is jó útravalót adnak Széchenyi Istvánnak 1826. december 10-én megfogalmazott gondolatai: "Nem, mi nem születtünk reformátoroknak, előbb mi magunkat kell megreformálnunk. Látogatnunk kell az alázat, az önmegtagadás iskoláját."

Az előadásról szóló, képgalériával és videóval bővített összefoglaló elérhető itt.

Partimadarakkal a világ körül: viselkedés, evolúció és természetvédelem
Székely Tamás, az MTA külső tagja székfoglaló előadása
2019. december 10.
MTA Székház, Felolvasóterem

A szaporodási rendszerek (párválasztás, párkapcsolatok és az utódgondozás) evolúciójának a megértése a viselkedésökológia alapvető kérdései közé tartozik. A székfoglaló előadásomban a munkacsoportom lényegesebb eredményeit összegeztem. A partimadarak (lilék, partfutók és rokonaik) szaporodási viselkedésére koncentráltuk a kutatásainkat, hiszen ez a csoport változatos párzási rendszereket és utódgondozási típusokat mutat.

A kutatásunk első néhány évében két izgalmas mintázatot fedeztünk fel. Egyrészt kimutattuk, hogy a széki lile Charadrius alexandrinus – ami hazánkban egy elterjedt partimadár volt az 1990-es évekig – utódgondozó vielkedése változatos egy adott populáción belül, mivel a családok egy részében a nőstény szülő, míg a családok másik részében a hím szülő eltávozik a családból, és gyakran új párral kezd családalapításba. Másrészt azt is kimutattuk, hogy a széki lilék egyetlen fészkelési szezonon belül távoli területeken fészkelnek – alkalmanként akár egymástól 150 km-re távol eső területeken. Ebből a két eredményből 4 fő kutatási irányba indultunk el: fajképződés, konfliktus és kooperáció evolúciója, demográfiai ivararányok és természetvédelem.

A vizsgálataink számos élvonalbeli publikációt produkáltak. Ezek közül itt kettő eredményt emelnék ki. (1) Kimutattuk, hogy közelrokon lilefajok (Charadrius spp) ivararánya eltérő: vannak fajok, ahol több hím van mint nőstény, míg más lilefajnál a nőstények vannak többségben. Azt is kimutattuk, hogy az ivararánybeli különbségek kapcsolatban vannak a szaporodási- és utódgondozási viselkedéssel, ugyanis azoknál a fajoknál, ahol hím túlsúlyos a populáció, ott rendszerint a hímek gondozzák a fiókákat és a nőstények több hímmel párosodnak, míg a nőstény túlsúlyos populációkban rendszerint a nőstények gondozzák a fiókákat és a hímek pedig több nősténnyel párosodnak.(2) A terepvizsgálataink rámutattak arra, hogy számos partimadárfaj veszélyben van, aminek az egyik oka az, hogy a fészekpredáció gyakorisága megemelkedett. Egy globális projekt keretében azt is kimutattuk, hogy a fészekpredáció emelkedése legjelentősebb a sarkköri partimadaraknál. Ezek a változások sajnálatos módon azt mutatják, hogy a klímaváltozással és az antropogén hatások erősödésével a földön fészkelő madarak (mint például a partimadarak) szaporodási sikere csökken és ezzel veszélyezteti a fajok fennmaradását.

Összefoglalva a fentieket, a szociális viselkedések, mint például a szaporodási rendszerek megértése szintetizáló kutatásokat igényelnek. Vizsgálatunk nem csupán modern terepbiológiai, genetikai, bioinformatikai, evolúciós ökológiai és filogenetikai módszerek felhasználásával évonalbeli kutatási eredményeket produkált, hanem eredményeivel hozzájárult a természetes állatpopulációk védeleméhez is.

Az előadásról szóló, képgalériával és videóval bővített összefoglaló elérhető itt.

Extracelluláris vezikulák, a sejtek közötti kommunikáció új szereplői
Buzás Edit Irén, az MTA levelező tagja székfoglaló előadása
2019. november 12.
MTA Székház, Nagyterem

Az extracelluláris vezikulák a sejtek által kibocsátott, membránnal körülvett képletek. Az extracelluláris vezikulák kutatása a korai, sporadikus megfigyeléseket követően csak 2010 után indult robbanásszerű fejlődésnek. A minden sejtes életformára jellemző extracelluláris vezikula kibocsátásról mára bebizonyosodott, hogy fontos szerepet játszik mind a sejtek homeosztázisának fenntartásában, mind a sejtek közti kommunikációban. Az extracelluláris vezikulákra vonatkozó eredményeket eleinte világszerte kétkedés fogadta. Ez a kezdeti kétkedés többek között annak volt a következménye, hogy az extracelluláris vezikulák mérettartományában végzett vizsgálatok számos esetben műtermékek detektálásához vezethettek. Az elmúlt közel másfél évtized alatt számos vizsgálatot végeztünk az extracelluláris vezikulák területén. Alapvető megfigyelésekkel járulhattunk hozzá az extracelluláris vezikula terület fő hibaforrásainak a feltárásához és kiküszöböléséhez, és ezáltal az extracelluláris vezikulák kvalitatív és kvantitatív vizsgálatának szilárdabb alapokra helyezéséhez. Az extracelluláris vezikulák igen sokrétű szerepet játszanak a fiziológiás és patológiás sejt-sejt kommunikációban. Minden testnedvből kimutathatók, és megkezdődött új generációs diagnosztikumként való alkalmazásuk. Terápiás felhasználásuk nem kevésbé ígéretes. Az extracelluláris vezikula kutatás további fejlődéséhez és a vezikulák mind diagnosztikus, mind terápiás felhasználásához elengedhetetlen a terület szakmai integritása, melyhez munkánkkal hozzájárulhattunk.

Az előadásról szóló, képgalériával és videóval bővített összefoglaló elérhető itt.

A mintázatelemzéstől a folyamatok megértéséig
Padisák Judit, az MTA levelező tagja székfoglaló előadása
2019. október 8.
MTA Székház, Nagyterem

Fitoplanktonnak nevezzük a nyíltvizeket (alapvetően: tavak, tengerek, nagy folyók) benépesítő növényi életközösséget. Az egy víztérben kimutatható fitoplankton fajok száma több százra tehető, mikroszkópikus méretűek és képesek arra, hogy életciklusuk nagy részében a vízben szabadon lebegve jussanak energiához (döntően fényenergia) és tápanyagokhoz. A légköri oxigénkészlet mintegy felét e szervezetek termelik. Az 1970-es években a firoplankton kutatásokat a „forszfor paradigma” uralta, mely a vizek foszforterhelése és a víz klorofill-a tartalma alapján az eutrofizálódás folyamatára koncentrált – egyúttal a fitoplankton közösséget egyetlen, spektrofotometriásan könnyen meghatározható változóra redukálva. Sem elméletileg, sem gyakorlatilag nem mindegy azonban, hogy egy növényi közösséget mely fajok alkotnak, s ezek dominanciaviszonyait milyen folyamatok hattározzák meg. Az eutrofizálódásra koncentrált figyelem mellett a fitoplankton társulásökológiai kutatások nem voltak jellemzőek - e tudományág vizsgálja a faji összetételt (mint mintázatot) és annak környezeti meghatározottságát (mint folyamatot). Minthogy az összefüggések feltárása nagy adattömegek elemzését igényli, ezért általában a társulásökológia térnyeréséhez alapvetően szükség volt az információtechnológia és statisztikai elemzési módszerek az utóbbi 40 évben bekövetkezett gyors feljlődésére.

Az előadás számos példán mutatta be, hogy mintázatok alakításában a víztest fizikai jellemzőinak alapvető szerepe van:

A Balatonban a viharok (mint „zavarás”) után a kis termetű, gyors növekdésű (r-stratégista) algák szaporodnak el nagyobb mértékben, a csendes időszakokban átadják helyüket a nagyobb termetű, lassabb növekedésűeknek (K-stratégisták). E mintázat megfelel a Connell által trópusi esőerdőkre és korallzátonyokra leírt „Köztes Diszturbancia Hipotézisnek”. A fitoplankton vizsgálatok lehetővé annak az általános következtetésnek a levonását, hogy azok a zavarások vezetnek maximális kompozíciós diverzitáshoz, melyek 3-4 generációnként követik egymást.

A Fertő fitoplanktonja fajszegény, s abban a nagy termetű kovaalgák dominálnak. Ez a tó az Alpok és a Kárpátok közti szélcsatornában helyezkedik el, gyakran és gyorsan felkeveredik emiatt vize zavaros. A gyakori felkeveredés e gyenge lebegőképességű algákat rendszeresen a víz felső megvilágított részébe keverik, ahol lehetséges a fotoszintézis, a gyors süllyedés miatt pedig az üledék tápanyagtartalmát tudják hatékonyan hasznosítani. A nagy méret azt teszi lehetővé, hogy az ülepedő igen apró szervetlen részecskék ne temessék el őket.

Egy trópusi, rétegzett, mély tóban (Lake Dom Helvéció, Brazília) a járommoszat dominanciáját hasonló mechanizmus tartja fenn. A járommoszatok aktív lebegésregulációra szintén képtelenek, süllyedésül gyors. Klimatikus okok miatt e tavak minden kora hajnalban konvekciós áramlással teljes epilimnetikus mélységükben fekeverednek ezzel szuszpendálva az előtte a metalimnion sűrűbb, tápanyagdúsabb vizén összegyűlő algákat.

A berlini Müggelsee erősen “átfolyásos” tó. Alapvetően az határozza meg, hogy nyáron a kovaalgák vagy a cianobaktériumok dominálnak, hogy mennyi a tóban a víz kicserélődási ideje: ha kb. 45 napnál rövidebb, akkor a kovaalgák, ha hosszabb, akkor a cianokaktériumok.

A fent leírt mintázatok és folyamatok – több hasonló nemzetközi kutatással együtt – vezettek arra a felismerésre, hogy a fitoplankton fajokat társulásökológiai szempontból nem taxonómiai hovatartozás alapján szerencsés csoportosítani, hanem funkcionális jellegzetességeik szerint. E szükségeletet az is jelzi, hogy 2002 és 2010 között három ilyen, elméleti hátterét tekintve különböző rendszert is felállítottak. A funkcionális csoportokat olyan fajok alkotják, melyek sajátságai illeszkednek bizonyos élőhelytípushoz, illetve a az egyes habitatjellemzők változására - akár pozitívan, akár negatívan - hasonlóan reagálnak. E megközelítés tette lehetővé, hogy kefejlesszünk egy olyan mérőszámot, mely a Víz Keretirányelv szempontrendszerének megfelelően alkalmas a fitoplankton alapú ökológiai állapominősítésre. Ez az egyetlen olyan módszer, mely megfelelő kalibrálás esetén klímától, ökorégiótól és a meghatározó vezérváltozótól (pl. kinetikai jellemző, sótartalom, tápanyagterhelés, huminanyag tartalom, stb.) független, ami széleskörű elterjedségéhez vezetett. A esettanumányok bemutatták a Balaton referenciaállapotának becslését, Bulgária 78 tavának ökológiai állapotbecslését és a Loire folyót érő antropogén hatások kimutatását.

A Balatonban 1978-ban megjelent egy invazív trópusi cianobaktérium, a Cylindrospermopsis raciborskii (jelenleg érvényes nevén Raphidiopsis raciborskii), mely 1982-ben, 1992-ben és 1994-ben az egész tóra kitejedő vízvirágzást okozott. A világ minden tájáról összegyűjtött florisztikai adatok azt mutatták, hogy egész Földre kiterjedő inváziója mintegy másfél évszázad alatt ment végbe. A faj ökológiai, terjedésbiológiai és ökofiziológiai jellemzői alapján azt lehetett feltételezni, hogy evolúciós központja a trópusi mély tavak metalimnetikus vagy felő hipolimnetikus rétegében található, ahonnan célzott mintavétellel elő is került. Másodlagos evolúciós központként szerepelhettek az ausztrál billabongok (a folyók apadása után visszamaradó állóvizek), melyek sótoleranciáját és terjedőképességét magyarázzák. Mindezt későbbi molekuláris genetikai vizsgálatok igazolták.

A székfoglaló előadás további része a fitoplankton ökológiában az utóbbi időben megjelent új módszerek (molekuláris genetika, “omics”, térinformatika, on-line mérési módszerek, statisztikai eljárások) alkalmazási perspektíváit mutatta be. Különböző kontinensekről származó vízvirágzást okozó Microcystis cianobaktériumhoz asszociálódott baktériumközösségekről megállapítottuk, hogy azok baktériumai taxonómialilag ugyan különböznek, de a funkcionális hasonlóságuk jelentős, s a földrajzi távolságtól független. Egy, a gazdaságtudományból átvett statisztikai módszerrel, az un. oksági analízissel vizsgáltuk a Stechlin-tó eutrofizálódásának háttérét, a hatás és a rendszerválasz közti késés valószínű mechanizmusát. E kutatás a rendszermemória feltárásának egyedi példája.

Az előadásról szóló, képgalériával és videóval bővített összefoglaló elérhető itt.

A talamusz és a sokféleség dicsérete
Acsády László, az MTA levelező tagja székfoglaló előadása
2019. szeptember 10.
MTA Székház, Felolvasóterem

A biológiai szerveződési szinten megfigyelhető jelenség az anyagcsere-folyamatoktól az ökoszisztémákig. A sokféleség minden bizonnyal nagyban fokozza az élő szervezetek alkalmazkodóképességét a gyorsan változó környezeti feltételek között.

Az idegrendszer sokfélesége legkönnyebben az idegsejtek sokféleségében érhető tetten. Az idegsejtek a teljes emberi szervezet mindössze 0,3%-át alkotják, mégis e 0,3% sokkal többféle sejttípusból áll, mint a maradék 99.7%. Akár egy idegrendszeri területen belül is, anatómiailag és működés tekintetében is több tucat eltérő sejttípus fordulhat elő. E sejtek egymás között rendkívül sokféle kapcsolatot alkotnak, és ez a sokféleség az alapja a komplex idegi működéseknek. A címben szereplő talamusz azonban kivételt képez. Jelenlegi ismereteink szerint a talamuszt egyféle idegsejt alkotja, amelyek egymással nem lépnek kapcsolatba.

A talamusz a gerinces idegrendszer „találmánya”. A legmagasabb idegrendszeri funkciókért felelős agykéreggel együtt fejlődött ki. A szerveződés során úgy alakult, hogy a legtöbb, a környezetre és az élőlény belső állapotára vonatkozó információ a talamuszon keresztül jut el az agykéregbe. Az agykéreg a talamusz nélkül el van vágva a külvilágtól. Emellett a bemeneti működés mellett az agykéreg normális működéséhez szükség van a talamusszal zajló folyamatos párbeszédre, illetve a talamuszon keresztül történik visszajelzés az agykéreg kéreg alatti területekre gyakorolt hatásáról. Hogyan lehetséges e komplex szerep végrehajtása egyféle idegsejttel?

Az Acsády László vezetésével a Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézetben (MTA Kiválósági Intézet) működő Thalamus Kutatócsoport eredményei alapján kijelenthető, hogy a talamusz sokfélesége a bemenetek sokféleségében rejlik. E sokféleség legalább három dimenzióban valósul meg. Először: az agykéreghez képest a talamusz rendkívül sokféle agyterületről kap bemenetet. Másodszor: e sokféle bemenet morfológiailag és funkcionálisan sokféle serkentő és gátló idegvégződést alkot. Harmadszor: a különböző eredetű és típusú idegvégződések sokféleképpen kombinálódhatnak a talamusz területén. Ezzel az elrendezéssel a talamuszban az idegrendszerben egyedülálló módon egy mozaikos elrendezés valósul meg, amelyben az egymás mellett lévő talamikus területekre (vagy akár sejtekre is) más-más kapcsolódási elv jellemző. A legtöbb idegrendszeri területen ugyanis ún. moduláris elrendezést találunk, ahol egy adott kapcsolódási struktúra (bármennyire bonyolult is) ismétlődik az agyrégión belül.

Ezek alapján megállapítható, hogy a talamusz az idegrendszer szinte minden komplex működését érintő funkcióját úgy valósítja meg, hogy még mielőtt az agykéreg felé továbbítaná, az adott funkciónak megfelelően súlyozza és kombinálja az idegrendszer különböző területeiről érkező információkat. Az egyféle idegsejt pedig lehetővé teszi a rendszer belső állapottól függő egységes szabályozását, ami ezen állapotnak (pl. alvás, ébrenlét, figyelem, szorongás, öröm stb.) megfelelően szabályozza a talamikus integrációt és információtovábbítást.

Komplex funkciói ellenére a talamusz nagyon kevéssé ismert terület. A legújabb eredmények például arra utalnak, hogy a talamusz területén is előfordulhatnak különböző sejttípusok. Az Acsády László és kutatótársai által leírt egyedi bemeneti és kimeneti tulajdonságokkal jellemezhető sejttípus egyik fő funkciója az agytörzsi és hipotalamikus ébresztő szignálok továbbítása a teljes előagy területére.

A kutatók azt remélik, hogy a talamikus működés megértése új dimenzióba helyezi az agykérgi működés megértését, és ezzel együtt megnyitja a lehetőséget a talamokortikális rendszert érintő, a modern társadalom működését rendkívül súlyosan befolyásoló idegrendszeri kórképek (pl. alvászavar, skizofrénia, Parkinson-kór, autizmus, krónikus fájdalom, tudatzavar) új módszereken alapuló gyógyítására.

Az előadásról szóló, képgalériával és videóval bővített összefoglaló elérhető itt.

Székfoglalók 2016

Székfoglalók 2013

Székfoglalók 2010