A Neuron folyóirat Berényi Antal és kutatócsoportja újabb cikkét közölte

Nobel-díjat eredményezett az a fölfedezés, mely szerint a hippokampuszban vannak olyan sejtek, amelyek képesek kódolni, hogy az állat vagy az ember hol van éppen a „térképen”. E sejtek térképet, navigációt jelentenek az agyon belül és megtalálhatóak az emlős állatoktól kezdve az emberig minden élőlényben. E helysejtek működését mozgó állatokon figyelte meg az SZTE-MTA Lendület Oszcillatorikus Neuronhálózatok Kutatócsoport vezetője, Berényi Antal és kutatócsoportjának 3 tagja – azaz az SZTE volt PhD hallgatója, Azahara Oliva González, a posztdoktorként 2016-ban itt dolgozó Antonio Fernández-Ruiz, és Nagy Gergő TDK hallgató – az Amerikai Egyesült Államokban élő világhírű magyar agykutató, Buzsáki György ötlete nyomán. A szegedi tudósok módszerének újdonsága az is, hogy a mozgó állatmodellek agyműködésének több pontját nagy felbontásban figyelhetik, így egyszerre meg tudták vizsgálni az ingerek bemeneteit. Az eredményt összegző cikket a Neuron folyóirat 2017. március 8-án megjelent száma adta közre. Az SZTE-MTA Lendület Oszcillatorikus Neuronhálózatok Kutatócsoport legújabb publikációjában bemutatott felfedezéséről a csoportot vezető Berényi Antalt, az SZTE Általános Orvostudományi Kar Élettani Intézete adjunktusát kérdeztük.

– Hogyan kell elképzelnünk az úgynevezett hely-sejteknek az aktiválódását?

– E speciális, a tér leképezésére képes sejtek elsősorban a hippokampuszon belül találhatók meg. Ahogy a kísérleti állat egyik helyről a másikra szalad, sorra aktiválódnak az adott hely adott pontjaiért felelős sejtek. Tehát egy-egy idegsejt úgy és akkor aktiválódik, ahogy és amikor mondjuk a szoba közepétől elindulunk az egyik sarok irányába.

– Hányféle „térkép” jöhet létre az agyban?

– A térkép-analógia részben sántít, de a probléma lényegére rávilágít. Vagyis: ha például ismerem Szegedet, de Budapestre indulok, akkor nem a szegedi térképet viszem magammal és nem azon gondolom végig a tervezett útvonalamat, hanem veszek egy budapesti térképet. Ám agyunk csak egy van, vagyis ugyanannak a néhány millió idegsejtnek kell tudnia elnavigálnia engem Szegeden, Budapesten, vagy éppen New Yorkban is. Sőt: agyunknak az ismeretlen helyen is úgy kell tudnia navigálni, hogy közben ne felejtse el például a szegedi térképet. Mi annak a területnek a vizsgálatára fókuszáltunk, amelyért az agyban egy-egy helysejt felel. Ezt helymezőnek vagy aktív zónának nevezhetjük. Ezek az aktív zónák azonban sokszor átfedik egymást. Mi arra a kérdésre kerestük a választ, hogy miként lesz ezeknek az átfedő mezőkért felelős sejtek aktivizálódásából egy pontos térkép, amely az adott tér minden egyes pontját képes leképezni? E folyamat mechanizmusát ugyanis eddig nem ismerték a kutatók.

– Tehát ugyanaz a néhány millió idegsejt felel az agy „navigációs rendszeréért”, miközben nem fogyunk ki a lehetőségekből, nem „telik be” e memória, annak ellenére, hogy újabb és újabb helyszínekhez igazodnunk? Hogyan lehetséges ez?

– Úgy, hogy egy karmesterhez hasonlatos ritmus-szabályozás jelenség jellemzi az emberi agyat is. Ezek az úgynevezett théta-hullámok. E ritmus lassú, mert másodpercenként 8-12 hullám mozgásából áll. E globális ritmus minden idegsejt működésére hat. Amikor e ritmus az idegsejtek egyik fázisánál tart, akkor az idegsejtek „tüzelnek”, míg a következő fázisban mindegyik idegsejt „lecsöndesedik”. Az eredeti, Nobel-díjjal is elismert megfigyelés szerint a térképként funkcionáló úgynevezett hely-sejtek nem csak akkor aktiválódnak, amikor ez a théta-ritmus a „csúcsán van” és minden idegsejt „tüzel”, illetve nem csak akkor vannak „csöndben”, amikor mindenki csöndben van. Egy korábbi megfigyelés szerint: amikor az állat elér arra a helyre, ahol az adott hely-sejt aktív lenne, vagyis amikor belép arra a helyre, ahol ez a sejt aktiválódik, e sejtek egy kicsit korábban „tüzelnek”, mint kellene nekik. Aztán ahogy az állatmodellünk áthalad azon a területen, ami ennek a sejtnek a sajátja, akkor eltolódik e mozgás és e sejt fölzárkózik a többiekhez. Majd amikor az állat kifele halad erről a területről, akkor a hely-sejt a többiekhez képest késik, vagyis később „tüzel”. Tehát e hely-sejtek kilógnak a nagy, általános ritmusból.

– Miért éppen így történik? Mi váltja ki ezt az eltérést?

– Mi erre a kérdésre találtuk meg a választ. Egy analógia talán segíti a válasz megértését. Képzeljünk el egy nagyvárost, ahol minden pék reggel 8 órakor nyitja ki az üzletét, és 16 órakor zárja. Így aztán annak az információnak, hogy a Kovács-pékség 8-16 óra között tart nyitva, nincs hírértéke. De ha a Kovács-pékség tulajdonosa úgy dönt, hogy hajnali 6 órától fogadja a vevőket, e ténynek óriási az információ tartalma. Vagyis arra mindenki emlékezni fog, hogy a Kovács-pékségben már reggel 6 órától friss kifli vásárolható. A nagy tömegből való kilógás a hippokampuszon belül ugyancsak nagy információs értékű. A háttérben meglévő okról még a hippokampusz klasszikus kutatója, Ramón y Cajal megállapította: e sejteket többféle bemeneti inger bombázza párhuzamosan. E sejtet részint a hippokampuszon belülről, részint az agykéreg felől is érinti bemenet. Azoknak a technikáknak köszönhetően, amelyeket alkalmazva mozgás közben tudjuk vizsgálni az állatmodelljeinket, és az eredményeket nagy felbontásban rögzíthetjük, mi kiderítettük: a bemenetek versengenek egymással. A hippokampuszon belülről érkező bemenet vagy inger kicsit később érkezik, mint az agykéreg felől induló inger. Tehát mi most azt fedeztük föl, hogy amikor az állat elérkezik arra a helyre, ahol az adott sejt jelzi, hogy az állat a hely-mezőben, az adott pozícióban tartózkodik, akkor a kérgi bemenet dominál, s mivel ez korai, ez húzza a sejtet, hogy korábban aktiválódjon, mint a nagy átlaghoz tartozó többi. Ahogy halad át a következő pontra az állat, ezt a kérgi dominanciát lassan átveszi a belső, hippokampális bemenet, ami késői és eltolja a sejtet abba az irányba, hogy később aktiválódjon. Vagyis két erő rángatja e sejteket, mint egy rugó: az egyik visszahúzza, a másik előbbre tolja, attól függően, hogy az állat hol tartózkodik. A miénk az első olyan kísérletes eredmény, ami rámutat arra, hogy a hippokampuszon belül a különböző bemenetek dinamikus egyensúlya mennyire fontos és mennyire komoly hozzáadott értéket képviselhet.

A hippokampuszban rögzített komplex agyi aktivitás és annak dekódolása (bal és középső panel), valamint a dekódolt kérgi és hippokampális komponensek versengésének modellje a térbeli navigáció során (jobb). Forrás: Fernández Ruiz et al (2017), Neuron 93:1213-1226

– Tehát egyre gyorsabban és gyorsabban „tüzel” a helysejt?

– Igen. Olyan ez, mint mikor az előadást kísérő tapsorkánon belül egy csoport a többséghez képest gyorsabban, eltérő ütemben tapsol. E jelenség a phase precession, ami „fázis-sietést” jelent.

– Milyen funkciót képesek még ellátni ezek a sejtek?

– Nem csak a helymeghatározás a dolguk a helysejteknek, mert amikor gondolkodunk, akkor is dolgoznak. Vagyis ha nem mozdulunk egyik pontról a másikra, hanem csak egymás után előhívjuk az egymáshoz fűződő információkat, akkor ugyanaz történik az agyban, mint mikor mozgunk és az egyes térrészek fűződnek egymáshoz. Ezért igaz a megfogalmazás: a gondolkodás valójában mentális utazás.

– Honnan származik vizsgálatuk alapötlete?

– Ez hosszú történet. Buzsáki György ötlete volt 2011-ben, mikor Amerikában az EU ösztöndíjasaként mellette dolgoztam, hogy meg kellene nézni e bemeneteket, hiszen akkor készítettem az első ilyen nagyfelbontású felvételeket. Sokat gondolkoztunk, hogy mik azok a tudományos kérdések, amiket csak ezzel a módszerrel tudunk megválaszolni. Akkor elkezdtem e munkát, de az epilepszia-kutatás elvitte a fókuszt. Ezért csak most jutottunk odáig, hogy az MTA-SZTE kutatócsoportomban dolgozó kollégáknak volt annyi idejük, hogy szisztematikusan megnézzék a hely-sejtek működését. Így hat év elteltével találtunk konkrét bizonyítékokat a feltételezésre és megszületett a közlemény, amely a Neuron folyóiratban 2017. március 8-án látott napvilágot.

– Szinte a Neuron folyóirat „állandó szerzőivé” válnak, hiszen 2016-ban is publikáltak ott a tanulás folyamatának megértéséhez hozzájáruló cikket. Mire fókuszálnak most? Mi lesz a következő kutatási témájuk?

– Időközben kutatótársaim Azahara Oliva González és Antonio Fernández-Ruiz szegedi szerződése lejárt, már az Amerikai Egyesült Államokban dolgoznak. De hamarosan új tagokkal bővülő kutatócsoportom tárháza szinte kifogyhatatlan, mert annyira jelentős mennyiségű az adathalmazunk: 8 állatkának a különböző feladatokkal kapcsolatos megoldásairól, működéséről az elmúlt 2 év alatt 48 kazettányi, vagyis 16 ezer DVD-nyi adatot gyűjtünk össze. Ennek a hatalmas adatkupacnak a vizsgálata a legkülönbözőbb irányokból lehetséges. A következő téma, amit szó szerint nagyító alá teszünk: a szorongás és / vagy a depresszió összetett problémakörének egy-egy darabkája, de természetesen az epilepszia-kutatást is folytatjuk.

Újszászi Ilona

Fotók: Bobkó Anna