Klaszterek és szinapszisok

2020. április 1.

Bár most nehéz idők járnak, van okunk az örömre is. Márciusban Makara Judit csoportjának két munkája is megjelent. Az időben elsőt a Nature Communications március 16-án, a másodikat a Journal of Neuroscience március 25-én közölte. Az idegtudományban kicsit is járatosak számára már a két folyóirat neve is jelzi, hogy jelentős eredményekről lehet szó.

Ujfalussy Balázzsal beszélgettünk, aki a Nature Communications cikk első szerzője (a másik Makara K. Judit) és a J. Neuroscience-ben megjelent közlemény négy szerzője közül a harmadik (Magó Ádám, Jens P. Weber, Ujfalussy B. Balázs, Makara K. Judit).

- Mi lenne az a két cikkben, amit szerinted egy 14 éves, idegtudományok iránt érdeklődő gyerek is érdekesnek találhat?

- A J. Neuroscience cikk alapvetően leíró munka. Arról szól, hogy az idegsejtek nyúlványaiban (dendritágakban) milyen sokféle tanulási (plaszticitási) szabály működik együtt. A tanulás egyik alapmechanizmusa az idegsejtek közötti kapcsolatok plaszticitása.
Ma a legtöbben úgy gondolják, hogy a plaszticitás leírható egy egyszerű szabállyal, ami a két szomszédos idegsejt aktivitásától függ.
Ebben a cikkben arra világítunk rá, hogy ez nem így van: a szabály másképpen működik a nyúlványok végénél, mint a tövénél. Ennek fontos szerepe lehet az idegsejtre érkező bemenetek szervezésében, és így elvezethet a tanulás alapját képező neurobiológiai folyamatok megértéséhez.

A dendrit tövénél (felül) nem tudtunk plaszticitás kiváltani küszöb alatti bemenetekkel még 12 bemenet egyidejű aktiválásával sem, míg a dendrit csúcsánál (alul) 4 bemenet is elegendő volt.
Mindkét ábrán bal felül: sematikus kép a mérés helyéről; alatta: két-foton kép a stimulált dendritekről; jobbra: a szinaptikus válaszok az ingerlés (LTP) előtt és után.

A másik cikk tisztán modellező munka. Azt vizsgáltuk, milyen hatása van annak, ha az idegsejten egymás mellett elhelyezkedő bemenetek hasonló aktivitást mutatnak. Ezt a jelenséget nevezik szinaptikus klasztereződésnek (csoportosulásnak). Azt találtuk, hogy van egy ideális klaszterméret, ami a leginkább képes befolyásolni az idegsejt aktivitását. Sem a túl kicsi klaszterek, sem a túl nagyok nem érnek el jelentős hatást. Másképpen mondva, az elmélet megmondja, hogy mekkoráknak kell lenniük a klasztereknek, ha a segítségükkel információt szeretnénk tárolni a tanulás során.

In vivo körülmények között a 20-30 szinapszisból álló klaszterek a leghatékonyabbak.
Felül: egy modellezett hippokampális helysejtre érkező serkenő (narancs és piros) és gátló (kék) bemenetek aktivitása az idő függvényében. Minden pont egy preszinaptikus akciós potenciál, a modellben az állat egyenletes sebességgel halad egy körpályán. Középen: a modellezett sejt simított membrán potenciál válasza. A színek a klaszterméretet kódolják (alul). Alul: A válasz nagysága a klaszterméret függvényében. Balra és jobbra 1-1 példa a kicsi és a nagy klaszterekre.

- Amellett, hogy dendriteket vizsgáltatok, mi kapcsolja össze a két cikket?

- A klaszterek kialakulása. A modellezős cikkben meg tudtuk mutatni, hogy szükség van a kísérletes cikkben bemutatott plaszticitás fajtákra ahhoz, hogy a klaszterek kialakuljanak az idegsejteken.

- Miért volt különösen érdekes a kérdés és fontos a válasz?

- Azért, mert mindkét esetben azt láttuk, hogy a valóság nem teljesen az, amit eddig gondoltunk: egyrészt a tanulási szabályok nem homogének, másrészt a kis klaszterek, amiket más kutatók már megfigyeltek, nem képesek jelentős hatást kiváltani a sejttesten.

- A két most megjelent cikk közül melyiket kezdtétek-fejeztétek be hamarabb?

- A kísérletes cikken sokkal előbb kezdtünk el dolgozni. Ezek a kísérletek nehezek és hosszadalmasok, és Ádám érdeme, hogy türelmesen és kitartóan elvégezte őket. Végül nagyjából egyszerre fejeztük be a munkát és a két cikk írását.

- Munkátok két kiemelkedő elismertséggel rendelkező lapban jelent meg, ahol nagyon sokan szeretnének publikálni, és nem ritka a sokszor 23-30, vagy ennél is több nevet tartalmazó szerzői névsor. Mitől függ az, hogy manapság egy-két kutató ír egy cikket, vagy 30?

- Leginkább attól, hogy hányféle módszer és eszköz használatára van szükség a kérdés megválaszolásához, egy-egy eszköz működtetéséhez hány ember kell, és összességében mennyire vannak megosztva az egyes feladatok több kutató vagy kutatócsoport között.
Ezek a projektek teljes egészükben laborunkban készültek, és az alapvetően kétféle módszertani (modellezés illetve a kombinált elektrofiziológiai és két-foton mikroszkópos kísérleti) feladatokért egy-egy kutató volt elsősorban felelős, ezért szerepel kevés szerző a cikkeken.

- A témában nem jártas számára csoportotok már vagy 10 éve gyakorlatilag azonos - vagy legalábbis annak látszó témán dolgozik. Megállja ez a kijelentés a helyét?

- A téma legfeljebb látszólag változatlan, hiszen a szinapszisok működése, integrációja, az idegsejtek elektromos tulajdonságai, tüzelési mintázata stb., mind függenek a dendritek tulajdonságaitól, és ezek az összefüggések még sok szempontból tisztázatlanok.
A most közölt kísérletes munkánkban a szinaptikus mintázatok plaszticitásának szabályait igyekeztünk megérteni, ezzel a témával pedig csak az elmúlt néhány évben kezdtünk foglalkozni.
A szinapszisok dendritfán való elrendeződését szabályozó folyamatok feltárása, amit modellező munkánk vizsgált, pedig még szinte csak elkezdődött. Hozzátenném, hogy ha az ember egy adott terület szakértője, akkor sokkal könnyebben észreveszi azokat a pontokat, ahol nem egészen értünk valamit, és ahol lehetőség van valami érdekes felfedezést tenni.

- A J. Neuroscience-ben megjelent munkátok külön ismertetést is kapott, ami szintén eredményeitek, megfigyeléseitek jelentőségére utal. Ti mit gondoltok a legfontosabbnak, mi jelenthet áttörést?

- A szinaptikus plaszticitás szabályait ilyen finom skálán még nem nagyon vizsgálták, a mi eredményeink pedig arra utalnak, hogy a lokális kölcsönhatások az egyes kapcsolatok és a dendrit között meghatározóak lehetnek ebben a folyamatban. Azt is fontosnak gondoljuk, hogy szinaptikus tanulási folyamatok azokban a sejtekben is végbe mehetnek, amelyek nem tüzelnek akciós potenciálokat. Az is kiemelendő, hogy eddig ezeket a folyamatokat jórészt agyszeletekben vizsgálták, olyan körülmények között, melyek nagyon különböznek a sejtek természetes környezetétől. A manapság rendelkezésre álló kísérletes és szimulációs technikák azonban bepillantást engednek abba, hogy a valódi, in vivo körülmények között mi történik. Csak így érthetjük meg, hogy az egyes folyamatoknak mi a jelentőségük az idegrendszer működésében.