Gigantikus költségvetésből készül az emberi agy sejttérképe, és bár félidőben járunk, messze még a kitűzött cél

Támogasd a tudomány népszerűsítését, segítsd a munkánkat!

Az emberi agy mintegy 160 milliárd sejtjének a pontos térképét ígérte megrajzolni a 2013-ban bejelentett, érdemben nagyjából három évvel később beindított amerikai BRAIN Initiative. A tíz-tizenkét évre tervezett nemzeti kutatói program nagyjából félidejében még elég messze vannak a kitűzött céltól, bár a mintegy 4,5 milliárd dollár összköltségvetésű gigaprojektben, több tucatnyi kutatócsoportban agykutatók százai dolgoznak a pontos agysejtkataszter összeállításán. 

Az ember, a selyemmajom és az egér agyi mozgatóközpontjának különféle színekkel jelzett neuronjaiFotó: Allen Institute

Idén október elején mindenesetre egy 17 tanulmányból álló teljes Nature-különszámot szenteltek az eddigi eredményeknek. A beszámolókból leginkább az derül ki, miben különbözik és miben hasonlít a konzorcium által vizsgált három emlősfaj, az egér, a selyemmajom és az ember agykérgi mozgatóközpontjának sejtösszetétele, amit minden eddiginél pontosabban meg tudtak határozni. Az Obama-adminisztráció által 100 millió dollárból elindított, az állami finanszírozás mellett a magánszféra bőkezű támogatására is számító gigaprojekt első nagy etapjának a végét egyébként nagyjából úgy tervezték, ahogy alakult is: sikerült a kutatáshoz használt technológiát annyira finomítani, hogy a jövőben exponenciálisan gyorsuljon a munka. 

Idegsejtfajták a kérgi mozgatóközpontbanFotó: Allen Institute / Youtube

A déjà vu-érzés nem a véletlen műve: a világ eddigi legnagyobb szabású tudományos projektjében, az emberi géntérkép elkészítését célzó nemzetközi humán genom projektben (HGP) is hasonló menetrend valósult meg. 1990-ben, a program indulásakor úgy tűnhetett, hogy az emberi örökítőanyag mintegy hárommilliárd nukleotidbázispárjának pontos katalógusát képtelenség lesz a határidőn belül, vagyis 2005-ig elkészíteni. Az 1970-es évektől kezdve tökéletesítgetett génszekvenálási módszerek robbanásszerű fejlődése viszont olyannyira felgyorsította a munkát, hogy a határidő előtt két évvel, 2003-ban késznek ítélték az emberi géntérképet. 

Barack Obama elnök maga is a HGP sikerén buzdulhatott fel, párhuzamba is állította az agytérképezést a géntérképezéssel: „ha a legjobb terméket akarjuk előállítani, a legjobb ötletekbe kell fektetni. Az emberi genom feltérképezésére fordított minden egyes dollár 140 dollárt hozott az amerikai gazdaságnak. Ma a tudósaink az emberi agyat térképezik fel, hogy megfejtsék például az Alzheimer-kór titkát.” A Nemzeti Egészségügyi Intézet (NIH) idén decemberben leköszönő igazgatója, Francis Collins pedig már csak azért is teljes mellszélességgel támogatta az agysejttérképezést, mert a géntérképezést ő maga vezette.

Nehezebb, mint a géntérkép

A helyzetet nehezíti, hogy az agy sejttérképének elkészítése sokak szerint még a géntérképezésnél is bonyolultabb feladat. A humán genom projektben egyetlen technikát kellett addig fejleszteni, mígnem hatékonyan és gyorsan rá lehetett ereszteni egy óriási, ám homogén mintára, vagyis csak erőforrás kérdése volt az egész. Az agysejttérképezés ennél annyival bonyolultabb, hogy még az sem teljesen világos, hogy pontosan mit is keresnek. Nincs például egzakt módon meghatározva, hogy az agysejteknek összesen hány kategóriája létezik – világít rá a projekt gyenge pontjaira Héja László neurokémikus, a Természettudományi Kutatóközpont Funckionális Farmakológiai Kutatócsoportjának vezetője.

„Ahhoz, hogy megértsük, hogyan működik egy komplikált rendszer, meg kell érteni, hogy az egyes részei pontosan mit csinálnak, majd a részeket egymáshoz kell illeszteni, hogy kiderüljön, hogyan működik az egész. Ezt próbáljuk megtenni az aggyal is” – foglalta össze a legalapvetőbb célt a mostani eredmények ismertetésekor Hongkui Zeng, a több agysejtkatalóguson dolgozó kutatócsoportnak is otthont adó és a Brain Initiative célkitűzéseit a legbőkezűbben támogató magánintézmény, a seattle-i székhelyű biológiai kutatóintézet, az Allen Institute vezérigazgatója.

Madarat tolláról, neuront axonjáról

Bármennyire újszerűnek tűnik is, az agysejtek kataszterét számos agykutató, köztük világhírű magyar tudósok is évtizedek óta próbálják elkészíteni. Már a 20. század közepén is sejtették, hogy „az agy tulajdonképpen egy időgép, ami az alkatrészei, az idegsejtek és a gliasejtek együttes munkájával, meghatározott időbeli mintázatok szerint értelmes üzenetet igyekszik gyártani az ember számára abból, amit a világban észlel és tapasztal. Annak pedig, hogy egy gép működését maradéktalanul megértsük, a legalapvetőbb feltétele, hogy megismerjük az alkatrészeit” – mondta a Qubit kérdésére a teljes munkásságát az agysejtek elkülönítésének és pontos leírásának szentelő, ezért az idegtudományok legrangosabb elismerésével, az Agy-díjjal kitüntetett Somogyi Péter, az Oxford Egyetem világhírű neurobiológus professzora. 

Somogyi Péter, Agy-díjas agykutatóForrás: Wikimedia Commons

Az agy egy részének sejtszintű feltérképezésére az első kísérletet egy olyan szerzőtrió tette, amelynek egyik tagja a 36 évesen akadémikussá vált Szentágothai János anatómiaprofesszor volt, aki maga is gépként írta le az általa vizsgált kisagyat. The Cerebellum as a Neuronal Machine, vagyis A kisagy mint ideggépezet című 1967-es munkájukban Szentágothai és kutatótársai a kisagyi idegsejtek  pontos morfológiai jellemzése és ebből következtetett működése alapján próbálták magyarázni az agyterület működését. Szentágothai, akinek tankönyvéből máig oktatják a hazai orvosi egyetemeken az anatómiát, maga úgy jellemezte munkanapjait: „minden nap valami izgalmas újdonság, egy-egy új sejtfajta vagy kapcsolódási mód az agykéregben.” 

Bár a kutatási módszerek korlátozottsága miatt vállalkozásuk nem volt maradéktalanul sikeres, Szentágothai, John Eccles ausztrál és Masao Ito japán neurobiológusok munkája paradigmaváltáshoz vezetett az agykutatásban. A 20. század közepén, mikroszkóppal, a sejteknek csak a formáját lehetett vizsgálni, de Szentágothai felismerte, hogy az idegsejtek pontos morfológiája, vagyis az információ bejutását biztosító dendriteknek és a továbbadását szolgáló axonok hossza, elágazásaik száma és egyéb tulajdonságaik meghatározzák az idegsejt működését is. Az eltérő formájú sejtek számos kisebb csoportba sorolhatók, és felfedezőik sokszor az idegsejtfajták nevét is ennek megfelelően választják, így lesznek csillag-, kosár- és szemcsesejtek. 

A Szentágothai és munkatársai által elkezdett, majd számos magyar agykutató, például a Somogyi-tanítványként utóbb ugyancsak Agy-díjjal elismert Freund Tamás és a fiziológus Buzsáki György által folytatott kutatómunka mostani, amerikai változata 21. századi eszközökkel folytatja azt, amit Szentágothai 60 éve elkezdett. „Az amerikai BRAIN Initiative azért is nagyon ambiciózus, mert nem egy kisebb agyterület, hanem a teljes agyállomány feltérképezését célozza, illetve az utóbbi egy-két évtizedben kifejlesztett kutatási módszerekkel, a legmodernebb molekuláris biológiai fegyvertárral igyekszik a legalább 100-150 fajta idegsejt pontos elhelyezkedését megadni először az agykéregben, majd a sok ezer féle sejt helyét az agy teljes területén.” Somogyi professzor szerint a jövőben senki nem beszélhet majd úgy az idegsejtekről, mintha csak serkentő piramissejtek és gátló GABA-neuronok léteznének, mert ezek differenciáltak, mindkét hatalmas csoport különféle idegsejtfajták tucatjaira oszlik. 

Hogy ennek a tisztázása pontosan mennyire is lehet bonyolult, azt jól mutatja a kandelábernek nevezett sejtek példája. A sejttípusra maga Szentágothai professzor kezdett külön sejtkategóriaként hivatkozni, az általa felfedezett sejtről 1975-ben közölt fénymikroszkópos felvételt és részletes rajzot is. Szentágothai a kandelábersejtet a morfológiája alapján gátlósejtnek jósolta, majd Somogyi a sejtfajta egy speciális típusáról nem sokkal később ki is mutatta, hogy a sejt gátló neurotranszmittert, GABA-t bocsát ki, ami a hippokampuszban gátló hatást fejt ki. Csakhogy Somogyi egyik tanítványa, Tamás Gábor szegedi neurobiológus a Science magazinban megjelent közleményében 2006-ban hírül adta, hogy az idegsejtről 30 év után bizonyította, hogy alkalmasint mégis serkentő funkciót lát el az agyban. A tanulmány bombaként robbant, ám 15 évvel később, idén újabb fordulat következett. Amerikában kutató magyar neurobiológusokkal is együttműködésben egy nemzetközi kutatócsoport ismételten – más módszerrel – is bizonyította, hogy a régóta vitatott szerepű kandelábersejt a hippokampusz területén gátló hatású.

Kandelábersejtek axonjai az emberi agykéregben: a nyúlványokat Somogyi Péter kutatócsoportja fluoreszkáló anyaggal festette meg a mintábanFotó: Somogyi Péter

Molekuláris műgond

A BRAIN Initiative keretében feltérképezett agysejtekre ezúttal egyenként géntérképeket készítenek, aminek alapján kiderül, hogy mely gének aktívak bennük, vagyis milyen fehérjék termelődnek a sejtekben. Somogyi szerint ezért lehet most reménykedni abban, hogy ezúttal pontosabban sikerül meghatározni az agysejtek nagy részének működését és ezáltal hovatartozását. A sejtek taxonómiáját a különféle idegsejtek mRNS-profilja alapján hozzák létre. Mindebből összeáll egy nagyon pontos és korszerű molekuláris térkép. Ahhoz viszont további évtizedek munkájára lesz még szükség, hogy pontosan meg tudják határozni, milyen szerepük van az agy működésében a szóban forgó molekuláknak az egyes sejtekre jellemző koncentrációban.

Az agysejttérkép ebben is hasonlít a géntérképhez: bármennyire hasznos is a teljes emberi genom ismerete, „csak” egy lista. Önmagában még nem hordozza azt az információt, hogy az egyes sejtekben – a környezetüktől és az azzal való kölcsönhatásoktól függően – mikor melyik gén kapcsolódik be, milyen fehérje termelődik, miért pont az, és az hogyan függ össze a többi sejtben zajló génkifejeződéssel, vagyis fehérjetermeléssel.

Mire lehet mégis jó, ha a részletes térkép elkészül? Azon túl, hogy jobban fogjuk érteni, hogyan működik az emberi agy, Somogyi szerint például arra, hogy azt is pontosabban fogjuk látni, hogy az idegrendszerre ható anyagok, például a nikotin, a koffein, az alkohol, vagy akár a kipufogógázból származó ólom vagy más környezetkárosító anyagok sejtszinten hogyan módosítják az agy működését, miként károsítják azt, hogyan lehet a negatív hatások ellen védekezni. Bonyolult idegrendszeri betegségek, például Alzheimer- vagy Parkinson-kór, bipoláris depresszió vagy skizofrénia esetén pedig célzottabb, hosszú távon akár egyénre szabott gyógyszerek kifejlesztését teszi lehetővé, ha egy részletes sejttérkép alapján pontosan meg lehet határozni, hogy pontosan melyik sejteket kell gyógyszerekkel jobb működésre bírni. 

A Qubit szerkesztősége azért dolgozik, hogy a magyar nyilvánosság hiteles, alapos és közérthető tudományos ismeretekhez jusson. Tesszük ezt politikamentesen, közszolgálati hevülettel, száznál több kutató és tudós bevonásával. Égető kérdések, dermesztő válságok és zavaros álhírek sűrűjében igyekszünk tartani a fáklyát immár havi bő hétszázezer olvasónknak. Cikkeink ingyen olvashatók, de nem ingyen készülnek. Segítsd a munkánkat!

Ajánlott kapcsolódó cikkek a Qubitről: