Szürke Állomány, Blog az agyműködésről

Egy agyműködésről szóló blog #könyvajánló rovatát nem lehet mással kezdeni, mint Donald Olding Hebb kanadai pszichológus, magyarul is számos kiadásban megjelent könyvével: „A pszichológia alapkérdései”-vel. A könyvet gimnazistaként olvastam, meghatározó élmény volt, és gyanítom jelentősen hozzájárult ahhoz, hogy az agy kutatására adjam a fejem.

Az agyműködés megértéséhez az egyik kulcs annak megértése, hogy mi az a kódolás, mi az hogy reprezentáció? Hogyan képződik le a világ, a feladatok és a megoldások az agyban. Ezt járjuk most egy kicsit körül.
A dolog aktualitását az adja, hogy Újfalussy Balázs (ELKH-KOKI) és Orbán Gergő (ELKH-Wigner) meglehetős sikerrel járták körbe azt a kérdést: „hogyan kódolja az egér agya a lehetséges döntések bizonytalanságát”, ugyanis munkájuk eredményét az eLife című online folyóirat megjelentette. A KOKI weboldalán írunk a cikkről. Azonban úgy gondoltam mielőtt valaki azt elolvasná érdemes egy kis alapozást tartani.

A legutóbb az igáslovaknál hagytuk abba, igaz a fluoreszcens mikroszkóp, már doppingoltnak számít. Hasonló képpel élve ma a táltosokkal és a hétfejű sárkányokkal ismerkedünk. Már csak azért is, mert ezek a mikroszkópok áruk miatt saját istállókban, intézeti műszerközpontokban laknak, ahol számos kutatócsoport használják azokat, eben szakemberek segítik a kutatókat. Intézetünkben is van egy ilyen műszerközpont, ahol számos megtalálható az alanti mikroszkópok közül. Segítségükkel számos kiemelkedő közlemény született mely az idegsejtek jelátviteli folyamataiban szerepet játszó molekulák pontos elhelyezkedését és kölcsönhatásait mutatta ki.

Közzétettük az Intézetben a Magyar Tudomány Ünnepe alkalmából tartott előadások felvételeit a KOKI YouTube csatornáján.

Van ám a pályajelölésnek egy harmadik módja is: a transzneuronális jelölés, azaz amikor a jelölés nem áll meg egy idegsejtnél, hanem annak célsejtjeit is megjelöli a szinapszisokon keresztül hatolva. Ezzel a módszerrel egész kapcsolat láncolatokat lehet feltérképezni. Igazából már a Waller féle axonelvágásos módszer is tudott így működni. Ugyanis, ha egy idegsejt elveszti bemeneteinek nagy részét akkor elpusztul és kisvártatva azok az idegsejtek is elpusztulnak, akiknek első sejtünk küldte volna az ingerületet (ha nem kaptak máshonnan számottevő bemenetet). Tehát ha van egy pályánk, ami meghatározó bemenete egy rendszernek akkor így az egész rendszer felépítése követhető, ha egyre későbbi időpontokban megnézzük hol tart a pusztulás az agyban.

Az anatómusok arzenáljának egy eddig nem említett fontos elemei a különböző kapcsolat és pályakövető eljárások. Ugye, mint korábban vázoltuk egy rendszer megértésében az elemek lajstromozása után a következő lépés az az, hogy melyik elem melyikkel van összekötve. A kapcsolatok lehetnek helyi kapcsolatok különböző sejtek között, illetve távoli kapcsolatok agyterületek között.
Az egy adott területen található idegsejtek helyi kapcsolatainak kvalitatív (leíró jellegű, milyen típusok léteznek) és kvantitatív (megszámoló, melyikből mennyi van) felderítésére más módszereket használnak, mint az agyterületeket összekötő pályák, vetítések vizsgálatára.

Most, hogy átvettük azt, hogyan, miért és milyen mechanizmusokat felhasználva zajlott le az idegrendszer kialakulása, itt az ideje, hogy a lényegre térjek. Milyen lépésekben alakult az állatot védő hámsejt ingerület felvevő és szállító idegsejtté.

A génduplikációt megelőző bejegyzésben a biofilmekig jutottunk el.
De mi az a biofilm? Nem David Attenborough műsora, hanem egy vagy több fajta egysejtű élőlény által kialakított szívós bevonat. A biofilmek jelen vannak mindenhol, ahol az ember nem takarít rendesen, a fogunkon a lepedék, majd az ebből kialakuló fogkő biofilm, a zöldes-fekete trutyi a nedvesedő házfalon biofilm, a mosdókagyló falára tapadt szürke, zsíros réteg biofilm, de az érfalakon lerakodó, a rettentő koleszterin által okozott meszesedés is az.

November harmadika a 197. évfordulója annak, hogy Széchenyi István felajánlotta birtokai egy éves jövedelmét egy "Tudós Társaság" megalapítására. Az MTA erről minden évben 1 hónapos Magyar Tudomány Ünnepe programsorozattal emlékezik meg, melyben a KOKI is részt vesz agykutatásról szóló előadásokkal.

... és hozzájuk tartozó eltérő helyzetben bekapcsolódó szabályozó rendszerek?
Ha van otthon egy bögrénk mit csinálunk vele? Iszunk belőle. Ha van 4? A család minden tagja iszik egyből. És ha 42?

A mostanában elhanyagolt #agyséta rovat elkövetkező bejegyzéseiben azt járjuk körbe, hogy milyen evolúciós hajtóerők hatására és hogyan alakultak ki az idegsejt és ettől miért lett jobb az állatoknak.

Emlékeztek még rá mi a különbség a kromoszómáinkban lévő DNS és a sejtekben átíródott RNS között?

Viszonylag sokat kellett várnotok a mai bejegyzésre, de az #agyhirek rovatban egy olyan frissen megjelent cikket mutatunk majd be, ami komolyabb felvezetést igényel.

A biológia most ért a részecskegyorsítók korába. A biológusok és közöttük az agykutatók kísérleti rendszerei -bár nem olyan drágák és bonyolultak, mint a CERNben a Higgs-bozon megjósolt létezését bizonyító LHC - de hatalmas mennyiségű információt termelnek. Ebből az adathalmazból az adatbányászat fizikusok, matematikusok által kifejlesztett módszereivel új típusú összefüggéseket és összefüggés hálózatokat lehet kibogozni. Ezeket a módszereket leglátványosabban a genetikai szabályozórendszerek és az agyműködés vizsgálatára használják.

Intézetünk kutatói e két tudományterület metszetében dolgozva jelentős eredményt mutattak fel a PNAS folyóiratban, mely az Amerikai Tudományos Akadémia presztízses kiadványa. Hogy érthető legyen a munka jelentősége szükség van egy kis technikai alapozásra.

Az előzőbejegyzésben bemutaott technikák jellemezték a neuroanatómiát az 1980-2000es években. Jelentős továbblépést a jóminőségű, elérhető fluoreszcens mikroszkópok megjelenése és az ezzel járó fluoreszcens festék fejlesztés jelentette.
Mi is az a fluoreszcens festék és miért fontos? A fluoreszcenciajelensége nevét a fluorit ásványról kapta, melyet az emberi szem számára nem látható (bár azt károsító) UV (ultraibolya) fénnyel megvilágítva az kékes-lilán világít, azaz a spektrum (szivárvány, színskála) egy általunk nem látott tartományában ráeső fényt elnyelve egy általunk látható fényt bocsájt ki. A fluoreszcencia során, tehát egy megfelelő hullámhoszúságú fénnyel megvilágított molekula azt elnyeli, majd gyakorlatilag azonnal egy alacsonyabb, jól meghatározott hullámhosszúságú fényt bocsájt ki. Amikor a fénykibocsájtás nem azonnali, hanem elnyújtott akkor beszélünk foszforeszcenciáról.

A mikroszkópok palettáját már röviden bemutattuk, most kicsit alaposabban vesszük végig melyik mire is való és hogyan kell megfesten a mintákat használatukhoz.

A klasszikus fénymikroszkóp az anatómus laborok igáslova. Minden laborban van több is. Hiszen az anatómusi munka számos fázisában szükséges, hogy alaposabban megnézzük azt a pici dolgot, amivel dolgozunk. Ahhoz, hogy az agyszövetet festeni és vizsgálni lehessen szükséges abból 30-150 µm (mikrométer, a méter egymilliomod része) vastagságú (ez inkább vékony) metszeteket készíteni. Egyrészt, hogy a festéshez használt anyagok be tudjanak diffundálni a metszet teljes mélységébe, másrészt, hogy a fény jelentősebb szóródás nélkül áthatoljon a metszeten és a mikroszkópban éles képet kapjunk.

Rendhagyó lesz a mai bejegyzés, ugyanis nem csak tudományról lesz szó.
Az alkalom erre az, hogy a múlt hét csütörtökén és péntekén rendezte az intézet (ELKH KOKI), immáron a XXIV. KOKI napokat. Intézetünk teljes csapata minden évben két napra elvonul a világ zajától, ahol előadásokat tartunk egymásnak, majd a délutáni-esti bulikon építjük tovább az intézetre amúgy is jellemző baráti, segítőkész lelkületet.
De miért érdekes ez a hír egy tudomány iránt érdeklődő számára?
Mert úgy vélem így kicsit bepillanthat egy kutatóintézet és a tudomány működésébe, hangulatába.

No most fogunk eljutni a belső egyensúlyig (Ommmm).

Lehet, és ezért van is, a fizikai rendszereknek egy igen speciális csoportja, mely utazásunk szempontjából a legfontosabb. Ezek is változó (dinamikus) rendszerek, de ellentétben a kaotikus rendszerekkel, ha valamilyen hatás kitéríti őket eredeti állapotukból akkor beindulnak olyan folyamatok, amelyek visszaterelik őket az eredeti állapot felé. Ezeket hívják homeosztatikus rendszereknek.

Nézzetek körül. Csukjátok be a szemeteket és 10 másodperc múlva újra nézzetek körül. Láttok változást? Mindenhol láttok változást? Ahol láttok milyen az a változás? Ha 10 másodpercre újra becsukjátok a szemeteket meg tudjátok mindenről mondani mit fog csinálni?

Az előző bejegyzés folytatásaként azt mutatjuk be hogyan dolgoznak együtt Intézetünkben biológusok és elméleti kutatók.
Egy összetett rendszer, mint pl. az agy működésének megértésénél a gond az, hogy egyrészt rengeteg alkotóelem befolyásolhatja egy rendszer viselkedését, másrészt a rendelkezésünkre álló adatok alapján számos lehetséges működési elméletet - modellt lehet felállítani arra hogyan, milyen kölcsönhatások alapján működik a rendszer.

„Együtt messzebbre jutunk!” a mottója a mai bejegyzésnek. Egy olyan eredményt és a hozzá vezető utat mutatunk be az #agyhírek rovatban, ahol jól látszik „az idegtudományok” változatosságban rejlő ereje.

Matematikusok, modellező fizikusok és elektrofiziológus neurobiológusok együttes munkájával sikerült megmutatni azt, hogy a tanulás hogyan alakítja ki azt a jól formált kapcsolatrendszert, mely kiegyensúlyozott és hatékony idegsejt működéshez vezet. A cikk az eLife „folyóirat” oldalán érhető el, a KOKI oldalán pedig egy riport olvasható Káli Szabolccsal a kutatás vezetőjével.
A cikk arra kérdésre kereste a választ: „ A memórianyomok kialakításában meghatározó hippokampusz nevű agyterületen az idegsejtek kapcsolatrendszerének milyen tulajdonságokkal kell rendelkeznie, és ez milyen módon alakul ki, hogy az emléknyomok tárolásához szükséges finoman szabályozott idegsejt aktivitás mintázatok létrejöhessenek?”

A Forma 1 egyre gyorsabb és kevesebbet fogyasztó autóit a mérnökök által kidolgozott új megoldások hajtják előre. Hasonlóan, az agykutatás nagy áttöréseit módszertani újdonságok alapozzák meg.

Ahogy azt a „Mi az az idegtudomány?” és a szerveződési szintek-ről szóló bejegyzésekben bemutattuk, az agyat eltérő irányokból vizsgáló kutatók kérdéseik megválaszolására egyedi módszereket használnak. Az egyes vizsgálati módszerek az agy szerkezetének és működésének elemzését különböző térbeli és időbeli léptékben teszik lehetővé.

Beérkeztek az első kérdések így beindul az #agykérdések szál is. Kérdezzetek még a Twitter @SzurkeallomanyB, Instagram @szurkeallomany, Facebook @SzurkeAllomanyBlog csatornákon, vagy a szurkeallomany@koki.hu címre.

A fenti kérdés két másikat vet fel. Az egyik, hogy hogyan tanul az agy? A másik, hogy mikor tanul az agy?

Az agy ugye azért alakult ki, hogy segítségével gazdája megértse, majd előre tudja jelezni az adott környezetben mire számíthat. Mikor kell menekülni, vadászni, beszélgetni, stb… Ahhoz, hogy ezt megtehesse, tanulnia kell, emlékeket kell kialakítania, hogyha ismerős helyzetek bukkannak fel azonosítani tudja őket és a korábban bevált módon cselekedni, vagy ha veszélyt jelez elfutni.

A kutató legörömtelibb pillanatainak egyike, amikor megkapja a hírt az általa kiszemelt tudományos újságtól, hogy kutatótársaival együtt végzett munkájuk eredményét leíró munkájukat (tudományos közlemény) elfogadták és hamarosan a kutatóközösség számára elérhetővé válik (régen nyomtatásban jelent meg és csigapostán érkezett, manapság már PDF formában azonnal letölthető a kiadók szervereiről).

Az #agyhírek rovatban ugye kutatócsoportjaink munkáinak javát igyekszünk mindenki számára befogadhatóvá tenni. Arra gondoltam érdemes lenne először bemutatni hogyan is jutunk el a fenti örömteli pillanatig. Mi is történik egy kutatási ötlettel mire közlemény lesz belőle? Hogyan dolgoznak a kutatók?

Az anatómusok fegyvertárának másik rekesze a Képalkotás. Ahhoz, hogy sejtszinten lássuk hova kötődtek a festékjeink látnunk is kell őket. Erre a sokféle mikroszkópia valamelyikét használjuk.

A legkorábbi. Levenhoek által feltalált, egyszerű fénymikroszkóp, ahol a mintát megvilágítjuk vagy átvilágítjuk erős fehér fénnyel és egy lencserendszerrel felnagyított képet kapunk.

Mint azt a Porszívó szétszerelésénél megtudtuk az anatómus a rögzített, mozdulatlan, halott rendszert vizsgálja, hogy meg tudja milyen elemekből áll a rendszere, ezekből mennyi van, mik a lehetséges kapcsolatok és melyik kapcsolatból mennyi van.

Reméljük sokatokat lelkesíti a tervünk, hogy megpróbáljuk az agyműködés alapjairól és a tudatossághoz vezető folyamatok kialakulásáról összegyűlt tudást megosztani.

A kérdés nagyjából egyidős az emberiséggel és sokan sok irányból közelítették, közelítik. Hogy a leendő olvasók tisztában legyenek azzal mire is számítsanak az utazás során, beszélnünk kell itt arról, hogy miről nem fogunk beszélni és miért!

Nézzük meg kicsit alaposabban mi történik a szerveződési szintek lépcsőfokain. Van egy rendszerünk mely elemekből áll. Például egy léggömb tele gázmolekulákkal (amik szintén struktúrák, de ezt itt most elhanyagolhatjuk, hiszen az atomi szerveződési szintet itt nem kell vizsgáljuk, itt). Tudjuk, hogy a molekuláknak van tömege, alakja, és hogy ütközések útján kölcsönhatnak egymással. Azt is tudjuk, hogy a magasabb szintű struktúrának - a gáznak - a lufiban van nyomása, fajhője, megtöri, szórja a fényt, meghatározott sebességgel terjed benne a hang és netán még gyúlékony is lehet. Ezek teljesen más tulajdonságok, mint ami a molekuláit jellemzi. Amikor összerakjuk a molekulákat kölcsönhatásba lépnek egymással (hihetetlen nagy számúba) és felbukkan valami új, számos újabb tulajdonsággal.

A tudományos nyelvben az idegrendszerrel kapcsolatos kutatásokat „neuroscience”-idegtudományok vagy „brain science”- agytudományok neveken azonosítják. Azért van ennek a diszciplínának külön neve, mert több szerveződési szintet vizsgál, több klasszikus tudományág módszereit és megközelítéseit is igénybe véve.

Az #agyhírek rovat bemutatozó bejegyzése a mai. Ebben a rovatban Intézetünk kutatóinak azon eredményeit próbáljuk meg mindenki számára érthetően elmagyarázni, melyek a tudományos világ legelőkelőbb folyóirataiban jelentek meg. De a rovat ad majd helyet a többi magyar kutató hasonlóan rangos eredményinek, illetve ha találkozunk valamilyen kiemelkedően fontos nemzetközi, agykutatáshoz kapcsolódó munkával annak is itt a helye. És természetesen a kérdezz-felelek jegyében ha olyan agykutatáshoz kapcsolódó közleményre akad valaki amit szeretné ha emészthetően megvilágítanánk akkor küldje el a cikket és kérdéseit valamelyik csatornán nekünk:

• írhatsz nekünk a szurkeallomany@koki.hu címre
• Twitter @SzurkeallomanyB,
• Instagram @szurkeallomany  
• Facebook @SzurkeAllomanyBlog

A mai szösszenetben azzal kezdjük mit is jelent az, hogy szerveződési szint.

A kémikusok a világot vizsgálva feltárták, hogy az általunk érzékelhető világ molekulákból és atomokból áll. A fizikusok tovább ástak és kimutatták, hogy az atomok atommagból és elektronokból, a mag protonokból és neutronokból áll. De még ezek sem bizonyultak alapegységeknek, hanem kvarkokból állnak össze. A húrelmélet szerint az összes elemi részecske mögött sokdimenziós rezonáló húrok állnak, de idáig már nem megyünk le. Felfelé indulva a biológusok felderítették, hogy a molekulák sejtalkotórészekké, ezek sejtekké, majd szövetekké állnak össze. Több szövetből állnak a következő funkcionális egységek a szervek, amelyek szervezeteket, élőlényeket alkotnak. Az etológusok és ökológusok azt kutatják, hogy egy faj egyedei vagy több faj együtt hogyan viselkednek, milyen közösségeket alkotnak. Az emberi közösségek esetében közgazdászok és történészek vizsgálják, hogy mi történik a közösségek kölcsönhatása során.

A szerszámosláda

Az agyat alkotó sejtek kicsik (a sejtek központjának a sejttestnek az átmérője 20-30 mikrométer, azaz a méter milliomod vagy a milliméter ezred részéből kell 20at venni). Az őket összekötő nyúlványrendszer ágainak vastagsága (0.3-2 mikrométer) és a közöttük levő szinapszisok (150 nanométer) még kisebbek. A sejteket felépítő fehérjék még ennél is apróbbak. Neo a Mátrixban azt mondta: „I want guns! Lots of guns!”. Az agykutató anatómus azt mondja: „Mikroszkópokat akarok! Sok mikroszkópot!”

Ez az #agytechnikák rovat bemelegítő bejegyzése. Ahhoz, hogy segítsük a más szálakon bemutatott eredmények megértését, ezen a szálon bemutatjuk majd az agykutatásban használt modern módszereket. A bejegyzés áttekinti a kérdéseket és hogy melyikre milyen módszerrel lehet válaszolni.

Hogy megértsük a Természetes Kiválasztódás elméletét és annak következményeit érdemes összefoglalni annak 3 elemét: Öröklődés, Változatosság, Szelekció. Mi is történik az Evolúció során? 1) Az élőlények tulajdonságaikat DNS-ükön keresztül átadják utódaiknak, akik azt tovább adják. 2) Egyik generációról a másikra az átadott információ nem teljesen pontosan kerül át, az utódok tulajdonságai kicsit eltérnek a szülők tulajdonságaitól. 3) Az adott környezetben az utódok egy része az adott génekkel jobban boldogul, mint mások, több utódot nevel és ezek továbbadják az adott környezetben hatékonyabbnak bizonyuló génjeiket.

Ezzel a bejegyzéssel indítjuk az #agyséta rovatot, ami egy túra lesz az agy szerveződési szintjein felfelé. Túrázáshoz nem csak útiterv, de felszerelés is kell. Felszerelésünk legfontosabb elemei azok a fontos alapelvek, elméletek és azok tanulságaik lesznek, amiknek keretében az agyműködés jelenségeit és szintjeit könnyebben megérthetjük.

Kedves Érdeklődő!

A SzürkeÁllomány tudományos blogot azzal szándékkal indítjuk, hogy bemutassuk hol tart most az agykutatás. A lendületet az az élmény adta, hogy az elmúlt évtizedben két fontos dolog történt az agy kutatásában. Egyrészt a számítástechnika és elektronika fejlődésének köszönhetően számos új módszert dolgoztak ki, melyek képesek finom tér és időbeli felbontással elemezni az élő és működő agy nagyszámú idegsejtjének működését. Másrészt a matematikusok és fizikusok által kidolgozott, „big data” adatelemző módszereket is bevetették az agyban megfigyelt kölcsönhatások elemzésében. Egy bátor állítással azt mondhatjuk, hogy van már fogalmunk arról, hogy a hálózatokat alkotó idegsejtek kölcsönhatásából hogyan alakul ki a tudatos gondolkodás.