Gilicze Bálint:Emlékeink programozhatják át idegsejtjeink kommunikációs gépezetét
10 perc olvasásAz 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.
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.
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.
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 Forrás: mta.hu/Szigeti Tamás
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.
