A New York-i Columbia Egyetem, a BrainVisionCenter (BVC), valamint a HUN-REN Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet (KOKI) közös kutatása forradalmi eredményt hozott: a magyar fejlesztésű 3D-lézerpásztázó mikroszkóp segítségével elsőként sikerült élő állatban másodpercek töredéke alatt, az emberi hajszálnál százszor vékonyabb struktúrákban megfigyelni az emlékek megszületését – közölték a kutatók.

Az emlékek felidézése az agysejtek közötti kapcsolatok, az úgynevezett szinapszisok erősségének változásán alapul. Bár ez az elmélet már csaknem ötven éve ismert, a tudósoknak egészen mostanáig nem sikerült közvetlenül megfigyelniük ezeket a szinaptikus változásokat élő rágcsálómodellben. Az utóbbi években a mikroszkópos technológiák fejlődése lehetővé tette, hogy a kutatók valós időben tanulmányozhassák az élő, viselkedő állatok agysejtjeinek aktivitását is.

„A pontos genetikai és molekuláris célpontok meghatározásához és a jövőbeni terápiákhoz mélyebb ismeretekre van szükség a memória rögzülésének és kialakulásának mechanizmusairól” – hangsúlyozza Losonczy Attila, a Columbia Egyetem Zuckerman Intézetének vezető kutatója. A beszámoló szerint az ezen mechanizmusok feltárására alapuló terápiás és diagnosztikai küldetés a tervek szerint részben a kollaborációs partnernél, a Rózsa Balázs és Roska Botond által alapított BVC-ben fog megvalósulni.

A hippokampusz az agy egyik legtöbbet vizsgált területe, de az elmúlt évtizedek kutatásai főként EEG-vizsgálatokra és agyszelet-preparátumokra támaszkodtak. Ezen módszerek bár szükségesek, korlátozott lehetőségeket nyújtanak, mivel nem teszik lehetővé az agyi folyamatok valós idejű és nagy felbontású vizsgálatát élő állatokban. Pedig a neurális hálózatok valós idejű megfigyelése elengedhetetlen az agyműködés mélyebb megértéséhez, amihez olyan technológiák kellenek, amelyek gyorsan és pontosan képesek pásztázni a sejteket és szinapszisokat nagyobb térfogatú mintákban.

Losonczy Attila és kutatócsoportjának a Nature tudományos folyóiratban közölt munkája ebben hozott áttörést. Céljuk az volt, hogy kidolgozzanak egy módszertant, amellyel a tanulásért és memóriáért felelős idegsejtek hosszú távú szinaptikus plaszticitása, vagyis a szinapszisok erősségének változása (amely akár órákig, napokig is tarthat) valós időben, élő rágcsálómodellekben is mérhetővé válik.

Az áttörés elérésében kulcsszerepet játszott a HUN-REN KOKI Rózsa Balázs által vezetett kutatócsoportjának segítségével kifejlesztett, és a BVC-ben is alkalmazott, speciális kétfoton lézerpásztázó mikroszkóptechnológia. A 3D-s valós idejű képstabilizációval felszerelt rendszer képes az agy folyamatos mozgását kompenzálni, lehetővé téve az agy apró elemi komponenseinek, a sejteknek és a sejtnyúlványoknak a vizsgálatát.

Az élő állatmodelles kísérletekben a zsigeri mozgások (mint például szívverés, lélegzés), illetve az akaratlagos mozgás akár több tíz mikrométernyi elmozdulást is okozhatnak, amely lényegesen nagyobb, mint maguk a mérendő struktúrák. Ez viszont ellehetetleníti a nagy térbeli és időbeli felbontással történő méréseket, hiszen a mérendő biológiai képletek (sejttestek, sejtnyúlványok) folyamatosan kitérnek a lézerpásztázás alól.

„Az általunk fejlesztett femtoszekundumos (ez a másodperc ezermilliárdodrészének egymilliomod része, ennyi idő alatt a fény 0,3 mikrométert halad, ami nagyjából egy baktérium méretének felel meg) lézerpásztázó eljárás valós időben és 3D-ben kompenzál a mozgásra” – magyarázza az új módszer hasznosságát Rózsa Balázs, a BVC igazgatója, a publikáció kollaborációs partnere.

A berendezés képes az emberi hajszál vastagságának századrészét kitevő struktúrákban megfigyelni az összes aktivitást, és elég gyors ahhoz, hogy elkapja a szinapszisok erősségének változásait, amelyek másodpercek századrésze alatt történnek. A mikroszkóprendszernek az úgynevezett feszültségszenzorokkal együtt alkalmazva sikerült az, ami korábban megoldhatatlannak tűnt: élő, viselkedő állat agyában feszültségjeleket mérni egyetlen szinapszis szintjén.

A kutatócsoport egyik legnagyobb meglepetése az volt, hogy a megfigyelt hippokampális neuronok (ezek az agy temporális lebenyében helyezkednek el, a tanulásban, a memóriában és a térbeli tájékozódásban játszanak kulcsszerepet) szinapszisai nem viselkedtek egyformán az idegsejtek faágszerűen szétágazó nyúlványai, az úgynevezett dendritek mentén. A piramis alakú sejtek csúcsa közelében lévő ágak szinapszisainak aktivitása és erőssége változott a kísérletek során, míg a sejtek bázisa közelében lévőké nem.

„Még mindig nem világos, miért van ez így, miért lehet ez a mechanizmus fontos” – teszi hozzá Losonczy Attila. „Tudjuk, hogy az emlékek több szinten szerveződnek, a szinapszisoktól az egyes neuronokig és idegi áramkörökig, és most azt látjuk, hogy akár sejten belüli szinten is szerveződhetnek”.

Mindez megnyitja az utat további kísérletekhez, amiben megpróbálják megérteni, hogyha a szinapszis erőssége megváltozik, mik azok a molekuláris, biokémiai genetikai változások, amelyek ezt az erősséget megtartják, illetve a sejtszinten stabilizálják.

Ha máskor is tudni szeretne hasonló dolgokról, lájkolja a HVG Tech rovatának tudományos felfedezésekről is hírt adó Facebook-oldalát.