Impakták: Tengeri gyűrűsféreg segít megérteni az idegrendszer eredetét és evolúcióját

Támogasd a tudomány népszerűsítését, segítsd a munkánkat!

Az Impakták legújabb adásában Jékely Gáspárral beszélgetünk arról, hogy hogyan és miért jöhetett létre az állatokban az idegrendszer, hogyan lehet ezt egy tengeri gyűrűsféreg segítségével tanulmányozni, és mire számíthatunk a következő évek agykutatási trendjei között.

(Alább a beszélgetés rövid szinopszisa olvasható, a részletekért hallgassátok meg a podcast-et.)

Jékely Gáspár a University of Exeter keretén belül működő Living Systems Institute professzora, aki tavaly az EU kutatási hivatalának (European Research Council – ERC) legnagyobb presztízsű ERC Advanced Grants pályázatán lett sikeres, de előtte 2019-ben már elnyerte a Wellcome Trust hasonló presztízsű Wellcome Investigator díját is. Itthon a 2006-ben megjelent „Mester ébren vagy?” című tudománytörténeti mű szerzőjeként is ismerjük.

Jékely tudományos karrierjét az ELTE-n kezdte és doktoriját az akkor még a Karolina úton működő MTA Enzimológiai Intézetben, Friedrich Péter laborjában készítette, a memóriában szerepet játszó molekulák evolúciós biológiáját tanulmányozva. Munkáját Heidelbergben, a European Molecular Biology Laboratories (EMBL) falai között folytatta, és az itt töltött évek során ismerkedett meg azzal a modellszervezettel, ami máig kutatásainak a legfontosabb alanya: ez a laikusok szemében talán kicsit obskurus tengeri gyűrűsféreg, a Platynereis dumerilii. Heidelberg után Tübingenbe költözött, ahol 2017-ig, egyebek mellett egy ERC Starting Grant segítségével elkezdte ennek a furcsa tengeri lénynek az idegrendszerét feltérképezni, s egyebek mellett ennek a munkának köszönhető, hogy ha az idegrendszer kialakulásáról és evolúciójáról van szó, Jékely eredményei ma gyakorlatilag megkerülhetetlenek. 

A Platynereis fejlődésének első napjai: jól látható, ahogy a harmadik naptól megjelenik a szelvényezettség és egyre komplexebb testet kell az állatok idegrendszerének uralnia.Forrás: EvoCELL

Bár a Platynereis, akárcsak a genetikusok más modelljei, például a Caenorhabiditis elegans nevű fonalféreg, egy tőlünk nagyon eltérő evolúciós útvonal „eredménye”, viszonylag egyszerű idegrendszerének működése olyan szabályosságokat mutat, amelyek megértésével közelebb kerülhetünk a sokkal komplexebb idegrendszerek működésének megfejtéséhez is.  

A tengeri gerinctelenek lárvális stádiumai, amelyek a teljes egyedfejlődés evolúciósan talán legkonzerváltabb időszakának felelnek meg, már a főleg a 19. sz. végén aktív német zoológus,  Ernst Haeckel óta izgalomban tartják a biológusokat, mert azt gondoljuk, sokat elárulhatnak arról, miképp is jöhetett létre az idegrendszer. Ráadásul egy pár napos Platynereis lárva kényelmesen befér a mikroszkóp alá, így lehetőségünk van arra, hogy a teljes idegrendszerének az aktivitását is megfigyeljük, akár valamilyen külső stimulus, vagy valamilyen kísérleti beavatkozás (ilyen például egy adott génnek a kiütése, vagy egy konkrét idegsejtnek az elölése) hatására.  

Ráadásul, mivel ezek az állatok nagyon-nagyon hasonló módon fejlődnek, a megfigyelt lárvák kb. 2000 neuronja szinte pontosan ugyanott helyezkedik el, ami megkönnyíti, hogy az egyes egyedekben végzett megfigyelésekből általánosítani lehessen. Sőt, ha létrehozunk és elemzünk egy ilyen „kapcsolási rajzot” (szakzsargonban konnektómát), akkor annak a megértésével olyan szabályszerűségekre bukkanhatunk, amelyek a kifejlett állatok, sőt, akár más fajba tartozó állatok idegrendszerének működését megérthetőbbé teszik. 

Egymás után következő elektronmikroszkópos képek sorozatából lehet felépíteni az egymással kapcsolatban levő sejtek hálózatát, a konnektómát.Forrás: eLife

Ugyanakkor, mivel minden élőlény a saját evolúciós útját járja néha legalább ennyire érdekes a különbségeket is feltérképezni, hogy hasonló evolúciós újítások milyen módon jelenhettek meg párhuzamosan (konvergensen) különböző állatcsoportokban. Erre talán a legjobb példát jelenti a látás evolúciója, hiszen sok állatcsoportban a látást biztosító szemek egymástól függetlenül alakultak ki és fejlődtek.

Mindezen kérdések megválaszolása közelebb visz annak a megértéséhez is, hogy milyenek lehettek a legkorábbi idegrendszerek: milyen sejtek vettek részt a felépítésükben, vagy milyen molekulák vehettek részt a legkorábbi idegrendszerekben jelvivőként. Ezek olyan kérdések, ahol még a Platynereisnél is távolabbi rokonainkra érdemes figyelni, például a kétoldali szimmetriájú állatok távoli rokonaiként emlegetett bordásmedúzákra, ahol azokból a klasszikus jelátvivő rendszerekből (pl. szerotonin, vagy dopamin), amelyek egyaránt felfedezhetők egy ecetmuslicában, egy halban és egy egérben, gyakorlatilag semmit nem találunk. Vannak helyettük azonban pár aminosavból álló neuropeptidek, amelyek a gerincesek agyában is felfedezhetők, ahol szintén nagyon sok mindent szabályoznak, de megtaláljuk őket egyes egysejtűekben is, ami arra utal, hogy ezek lehettek a legősibb idegrendszerek ingerületátvivői is.

Az idegrendszer kialakulása ugyan a többsejtűséghez kötött, mégsem volt annak szükségszerű velejárója, hiszen a növényekben, vagy gombákban nem találunk ilyesmit. Az állatok különlegessége abban rejlik, hogy ők olyan nagyméretű „predátorok”, amelyek más többsejtes élőlényeket megesznek. Egy viszonylag gyorsan mozgó többsejtes test koordinációjához pedig egy új rendszerre lehetett szükség, ez az idegrendszer.

Ilyen a Platynereis látórendszerének konnektómája, ha metszetekből rekonstruáljuk..Forrás: eLife

Természetesen vannak egysejtes predátorok is, a többsejtűségnél, azonban eredendő újítás, hogy különböző sejttípusok jelennek meg, amelyek közül egyesek az érzékelésért és koordinált válaszadásért felelnek. Annak megértése, hogy ezek a sejttípusok hogyan is nézhettek ki, egy különösen fontos és gyorsan fejlődő része a kutatásoknak manapság. 

Az idegrendszer kialakulása köthető az ún. reafferencia fogalmához is, vagyis ahhoz a jelenséghez, hogy a környezetéből érkező szenzoros hatások egy része az állat saját mozgásához is köthető (pl. mozog ezáltal a körülötte levő közeghez képest elmozdul, ami például súrlódásként is jelentkezik, vagy a ráeső fény megváltozásaként). A reafferencia már a legegyszerűbb mozgásoknál is megjelenik, vagyis ennek a valamilyen szintű feldolgozása és kezelése már a legegyszerűbb idegrendszereknek is fontos feladata kellett legyen. 

Ha az idegrendszer evolúciójának egyik véglete a reafferencia megjelenése, akkor a másik véglet az az éntudat, a kvázi határtalan tanulási képesség megjelenése. Ennek anatómiai oka és előfeltétele az úgynevezett „asszociatív agyterületek” megjelenése lehetett (ilyen bennünk az agykéreg, számos gerinctelenben pedig a „gombatest” nevű központi idegrendszeri képződmény). Ugyanakkor meglepő dolog, hogy nagyon különböző fajok, főemlősök mellett elefántok, varjak, cetek és egyes puhatestűek is el tudták ezt a szintet érni az evolúció nagyon különböző útjait bejárva. Ami persze felveti annak a lehetőségét, hogy az idegrendszer evolúciója, kellő időt hagyva, az végül mindig az éntudat megjelenéséhez vezethet. Mindezt nem könnyű vizsgálni, hiszen itt már az intelligencia nagyon különböző fokairól és formáiról beszélünk: a szociális rovarok, bizonyos szempontból, szintén elképesztő intelligenciáról árulkodnak.

Forrás: BMC Frontiers in Zoology

A következő évtizedek kapcsolódó kutatásai jó eséllyel elsősorban az összehasonlító konnektomikáról szólnak majd, vagyis arról, hogy sok faj és lehetőség szerint minden fajon belül több egyed konnektómáját vessük majd össze. Ez hasonlóan nagy tudományos ugrást eredményezhet, mint az első genomprojektek után az összehasonlító genomika forradalma, amely nagyon sokban átalakított az egyes fajok evolúciójáról alkotott képünket. És annak megértése, hogy az egyes konnektómák miképp működnek másképp különböző neuromodulátor peptidek hatására, hasonlóan nagy forradalommá válhat, mint a genomikán belül az epigenetikai kutatások, vagyis annak a pontos(abb) megértése, hogy adott pillanatban a genom mely része képes megnyilvánulni.  

A korábbi Impaktákat itt találjátokKapcsolódó cikk a Qubiten: