Magyar neurobiológusok tárták fel, hogyan vezérli az agy az emlékek eltárolását és előhívását
Az emlősök előagyában található, mediális szeptumnak nevezett terület vezérelheti az emlékek eltárolásában és előhívásában fontos szerepet játszó gyors agyhullámokat az agykérgi hippokampuszban – derítették ki a Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet (KOKI) szakemberei hazai és nemzetközi partnereikkel együtt.
Hangya Balázs, a KOKI Lendület Rendszer-Neurobiológia Kutatócsoport vezetőjének és kollégáinak kedden, a Nature Communications folyóiratban közölt eredményei átírják az eddig kialakult képet arról, hogy a mediális szeptumnak milyen további, az agyhullámok (neurális oszcillációk) zavarával járó betegségekben lehet szerepe. A kutató a Qubitnek elmondta, hogy váratlanok voltak a mediális szeptum aktivitása és a hippokampusz gyors agyhullámai közötti kapcsolatra utaló kísérleti mérések, amelyek így egy új kutatási irányhoz és a friss tanulmányban bemutatott jelentős előrelépéshez vezettek.
Tavaly Hangya és kollégái a Cell Reports folyóiratban publikált tanulmányukban megállapították, hogy a hippokampusz théta agyhullámai, amik mindig megfigyelhetők, amikor rágcsálók egy új környezetet térképeznek fel, az összekapcsolt ingaórákhoz hasonlóan Huygens-szinkronizációval összehangolódó idegsejtekből alakulnak ki. Amint a kutató akkor a Qubitnek részletesen elmondta, az is kiderült, hogy az agyhullámot mely sejtek generálják a bazális előagy legelső részében elhelyezkedő mediális szeptumban, és reményét fejezte ki, hogy a feltárt mechanizmus segíthet más agyhullámok kialakulásának megértésében is.
Voltak már jelek
Az nem újdonság, hogy amikor rágcsálók felfedezik a környezetüket, az agykérgi halántéklebenyben található hippokampuszukban 8-10 Hz frekvenciájú théta agyhullámok észlelhetők, mondta Hangya. A hullámokról, amelyek frekvenciája az egy időegység alatt lezajló ciklusokat fejezi ki, fokozatosan kiderült, hogy a memóriatárolásban és -előhívásban is komoly szerepet játszanak. A környezet térbeli reprezentációja a hippokampusz feladata, ami théta-hullámok csomagjaiban történik, vagyis egy théta-hullámon belül mindig ugyanaz a környezet kerül reprezentálásra, egy új környezethez pedig új théta-hullám párosul.
Egy még teljesen nem bizonyított elmélet szerint, amelynek Michael Hasselmo amerikai neurobiológus az egyik fő proponense, a théta-hullámok csúcsai és völgyei körüli fázisok lényegében időzítik az emlékek eltárolását és előhívását – a csúcsoknál inkább eltárolás, a völgyek körül inkább előhívás történik. Hangya szerint erre az elméletre az a legjobb bizonyíték, hogy ha gátolják a hippokampuszt a théta különböző fázisaiban, akkor különbözőképpen sérül a memória. Magát a théta-hullámot régóta vizsgálják már magyar szakemberek is, köztük Freund Tamás, a Magyar Tudományos Akadémia elnöke (aki a most megjelent tanulmány egyik társszerzője) és kollégái, de a gyorsabb agyhullámokra ezeken az agyterületeken eddig kevesebb figyelem összpontosult.
Ilyen gyorsabb agyhullám a gamma (25-140 Hz), ami a thétával egy fázis-amplitúdó kapcsoltságnak nevezett összefüggést mutat. Ez annyit tesz, hogy a théta-hullám fázisa (annak a szögben kifejezett értéke, hogy milyen messze jutott a hullám egy ciklus alatt a kiindulópontjától) meghatározza a gamma-hullám amplitúdóját (az egy időtartam alatti változásának mértékét). Laura Lee Colgin amerikai neurobiológus és munkatársai 2009-ben a Nature-ben közölt tanulmányukkal arra utaltak, hogy többféle gamma-hullám létezik, és ezek közül csak a közepesen gyorsak, valamint a leggyorsabbak jelennek meg a théta csúcsa körül, míg a lassabb gamma-hullámok a théta völgyeknél lelhetők fel. Ez Hangya szerint azt jelentheti, hogy ezekben az esetekben a hippokampusz CA1 területe más agyterületekkel kommunikál – a csúcs körüli gyorsabb hullámokkal az entorhinális kéreggel, a völgy körüli lassabb hullámokkal pedig a hippokampusz egy másik, CA3-nak nevezett területével.
De mi vetette fel, hogy szerepet játszhat a mediális szeptum a thétánál gyorsabb hippokampális hullámok vezérlésében? Hangya elmondta, hogy az egész kiindulópontja David Dupret-hez kötődik, aki rájött, hogy a théta-hullámok valójában különböző alakúak és megjelenésük sem véletlenszerű. Eredeti ötletük így az volt, hogy ha a théta-hullámot a mediális szeptum hozza létre, akkor a hullám ezen eltéréseinek ott is meg kell jelenniük. Emiatt arra számított, hogy a mérések majd kimutatják, hogy a mediális szeptum sejtjei a különböző théta-hullámok alatt eltérő mértékben aktívak.
A kísérleteik azonban ennél sokkal meglepőbb dolgot mutattak. Arra utaltak, hogy a mediális szeptum aktivitásának köze van a hippokampális gamma-hullámokhoz, és azokat ciklusról ciklusra követi, a kettő között a vártnál jóval erősebb összefüggéssel. Hangya szerint ennek megállapításában kiemelt szerepe volt PhD hallgatójának, Király Bálintnak, aki a tanulmány első szerzője. A kutató szerint persze van az egészben logika, mert a mediális szeptumon belül a théta- mellett megtalálható gamma-aktivitás is, csak ezt eddig még nem kötötték össze a hippokampuszban zajló folyamatokkal.
A kollaborációban részt vevő Tim Viney és munkatársai azt segítettek Hangyáéknak kideríteni, hogy egy, a mediális szeptumban gátló szerepet játszó sejttípus milyen aktivitást mutat. Ez egyszerűnek hangzik, de mint a szakember elmondta, rendkívül komplikált kísérleteket tesz szükségessé, amely során egerek egyes sejtjeit kell vizsgálni, hogy megtudják, milyen pályákban játszanak szerepet és milyen fehérjéket fejeznek ki. A kísérletek fényt derítettek arra, hogy a különböző pályák eltérő módon vesznek részt a gamma-oszcillációkban, ami egybevág azzal, hogy a gyors gamma-hullámokhoz kapcsolódó sejtek a mediális szeptumban az entorhinális kéregbe vetülnek, vagyis ott fejtik ki hatásukat.
Minél több adatot kell gyűjteni, minél több elektródával
Bár tavalyi munkájukban teljesen más kérdéseket vizsgáltak, a kísérletekhez használt módszerekben voltak közös pontok. Ilyen a sokcsatornás elektródák alkalmazása is, amikkel egyszerre több agyterület aktivitását tudják követni. Hangya ennek jelentőségét a Nobel-díjas neurobiológus, Thomas Südhof által nemrég a KOKI-ban tartott előadásában elhangzottakkal érzékeltette. Südhof ugyanis megjegyezte, hogy a rendszerszintű neurobiológusok szerinte nem a jó kérdéseket vizsgálják, majd amikor a magyar szakember meg akarta tudni, hogy mik lennének azok, nem adott egyértelmű választ, de arra utalt, hogy a lehető legtöbb elektródával minél nagyobb mennyiségű adatot kellene begyűjteni.
Miután megtalálták az egyes gamma-hullámok és a mediális szeptum sejtjei közötti korrelációt, egy Hangya által nagyon izgalmas módszernek nevezett eljárással azt vizsgálták, hogy a szemmel nem látható kis változások az egyik jelben milyen időkülönbséggel korrelálnak szintén nem látható mértékű változásokkal a másik jelben. „Ebből nagyon határozottan az jött ki, hogy a mediális szeptumban előbb történnek a változások, mint a hippokampuszban” – mondta, és ez azt mutatta meg nekik, hogy a mediális szeptum nemcsak követi a hippokampális aktivitást, hanem fontos szerepet játszik annak meghatározásában is.
A forradalmi optogenetika és az adatok értelmezését segítő gépi tanulás
Ezután egy optogenetikának nevezett módszerrel vizsgálódtak tovább, ami fényérzékeny fehérjék sejtekben történő kifejezésével és fény bejuttatásával lehetővé teszi specifikusan meghatározott sejtek aktiválását vagy gátlását. At a kérdést tették fel, hogy a mediális szeptum parvalbumint kifejező GABAerg (PV-GABAerg) idegsejtjeinek aktiválása tényleg létrehozza-e a hippokampusz kérdéses CA1 területén a gamma-oszcillációt, és tényleg az a hullám jön-e létre, amit a kutatók küldenek a mediális szeptumból.
Az derült ki, hogy a mechanizmus tényleg működik, de azt már sokkal nehezebb igazolni, hogy tényleg szükség van-e rá a gamma létrejöttéhez. „Ezt a kísérletet azért nem tudjuk itt elvégezni, mert azt tudjuk, hogy ha gátoljuk ezeket a hullámokat, akkor már a théta is megszűnik” – mondta Hangya. A módszert, amelynek kidolgozói esélyesek az orvosi-élettani Nobel-díjra is, leggyakrabban genetikailag determinált sejtek serkentésére vagy gátlására használják.
Ez Hangyának és kollégáinak most lehetőséget adott annak vizsgálatára, hogy a mediális szeptum sejtjei tényleg részt vesznek-e a mechanizmusban. Korábban csak az agy helyi elektromos stimulációjára volt mód, ami ott minden sejtre, valamint az átmenő pályákra is hatott, azaz a kísérletek kevésbé számítottak jól kontrolláltnak. Most az optogenetikai módszernek köszönhetően az aktiválás vagy gátlás segítségével már valamilyen szinten ok-okozati összefüggést is lehet vizsgálni.
Van az eljárásnak egy másik alkalmazása is, ami kevésbé ismert: sejttípusokat lehet vele azonosítani az állatok agyában, ha egy genetikailag meghatározott sejtcsoporttal kifejeztetnek egy fényérzékeny fehérjét, amelyek aktiválódásuk esetén elárulják a kutatóknak, hogy pontosan mely sejtek tartoznak az adott agyterületen ehhez a csoporthoz. Ha a kutatók látják, hogy a területen egyes sejttípusok mit csinálnak – éppen aktiválódnak vagy gátlódnak –, az segít kibogozni, hogy mi történik a sok heterogén sejt között.
A sokelektródás és optogenetikai módszer mellett egy harmadik, a tudományt és technológiát általánosabban formáló áttörés is érezteti hatását Hangya és kollégáinak munkájában. Ez nem más, mint a gépi tanulási (machine learning) algoritmusok fejlődése. Ebben a kutatásban a szakemberek a kísérletileg gyűjtött adatokat egy Kilosort nevű szoftverrel vizsgálták, ami az akciós potenciál alakja alapján válogatja szét a különböző sejtek aktivitását. A kutató szerint ez is egy olyan probléma, ami megoldható gépi tanulásos osztályozással, ha kellő mennyiségű tanuló adathalmaz áll rendelkezésre.
Hangya a technológia neurobiológián belüli legizgalmasabb alkalmazásának azt tartja, hogy képes betegség-biomarkereket keresni elektrofiziológiai jelekben. A jelekben rejtőző mintázatok, mint mondta, túl komplexek lehetnek ahhoz, hogy kutatók rájuk találjanak, de egy megfelelően tanított algoritmus erre megoldást jelenthet. Emellett azon is dolgoznak, hogy algoritmusokkal EEG alapján minél korábban lehessen olyan betegségeket diagnosztizálni, mint a Parkinson-kór. A kutató szerint ugyanakkor ezt két dolog is nehezíti: még nem gyűlt össze elég adat, és amik vannak, azok is nagyon különbözők, amiket az algoritmus tanítása előtt valamiféle közös platformra kell hozni.
Más a rágcsálók agya, mint a miénk, de bennük tudjuk megérteni a mechanizmusokat
Hangyát arról is kérdeztük, milyen különbségeket sejtenek a kísérleteikben vizsgált rágcsálók agyában és az emberi agyban zajló neurobiológiai folyamatok és mechanizmusok között. Mint mondta: „Sok mindenben nagyot, sok mindenben nem olyan nagyot.” Szövettani szinten például a sejttípusok majdnem ugyanazok, a pályák és az agyterületek is sokszor megfeleltethetők egymásnak. „Az aktivitás szintjén már sokkal nagyobbak a különbségek, és azt sejtjük, hogy lehetnek akár koncepcionális különbségek is a feldolgozásban, tehát hogy hogyan dolgozza fel az információt egy egéragy vagy egy humán agy” – ezt viszont még nem teljesen értik a kutatók, miközben Hangya szerint nagyon fontos lenne.
A kutató szerint az eltérések ellenére azért kritikus fontosságúak az állatkísérletek, mert segítségükkel közelebb lehet jutni az idegrendszer működési mechanizmusainak feltárásához, mivel csak így lehet célzottan in vivo vizsgálni specifikus sejttípusokat vagy agyi alterületeket. Ezzel párhuzamosan nagy hangsúlyt fektetnek arra, hogy a lehető legjobban összhangba hozzák az állatkísérleteket és az embereken folytatott vizsgálatokat, amit „nagyon izgalmas kihívásnak” nevezett. Ez három szempontból sem egyszerű: a rágcsálók és az ember agya nem ugyanúgy működik, különböző szintű kognitív képességekkel rendelkeznek és a vizsgálatukra használt módszerek is eltérnek. Utóbbit azzal érzékeltette, hogy egy véráramlás változásokat mérő fMRI-eredményt kellene megfeleltetni sejtszintű aktivitásról készült felvételeknek.
Új irányokat szülhetnek az eredmények betegségek kialakulásának megértésében is
A mediális szeptum, mivel nem csak a théta-, hanem a jóval gyorsabb gamma- és béta-hullámok szabályozásában is van szerepe, lényegében több eltérő időskálán dolgozik. A théta-hullámoknak 100-120 milliszekundumos ciklusuk van, ami azt jelenti, hogy a memóriatárolás és -előhívás egy másodpercen belül nyolcszor-tízszer változik. A 20 milliszekundumos gamma-hullámok ennél még ötször gyorsabbak.
A béta-gamma oszcillációk ciklusidejét már a szinaptikus folyamatok reagálóképessége határozza meg, de azt a kutatók még nem teljesen értik, hogy mi történik egy-egy gamma-cikluson belül. Hangya szerint ezt az időskálát azért is lehet izgalmas vizsgálni, mert az agykéregben a serkentés és a gátlás egyensúlya – ami például ahhoz kell, hogy ne alakuljon ki epilepsziához vezető túlzott serkentés – is ezeken az időskálákon értelmezhető.
„Azt nem tudtuk, hogy a mediális szeptumnak köze van ezekhez az időskálákhoz, tehát az izgalmas, új irányokat is nyit egyben” – mondta. De mik lehetnek ezek az új kutatási irányok? Hangya szerint például meg lehetne nézni, hogy a mediális szeptum szerepe csak abban rejlik-e, hogy olyan módon szabályozza a hippokampális vagy más kérgi aktivitásokat, hogy a memóriához fontos szinaptikus folyamatok megfelelő időzítéssel jelenjenek meg, vagy befolyással van magukra a szinaptikus plaszticitási folyamatokra is.
Egyes kutatók, köztük Hasselmo szerint ugyanis elképzelhető, hogy a memória eltárolása során a szinapszisok hosszú távú megerősödése (long-term potentiation, LTP) sokkal hatékonyabban megy végbe a théta-csúcsokon, mint a memória-előhívásnál a théta-völgyekben. „Amikor új emlékeket tárolunk el, akkor fontos a szinapszisok erősségének megváltoztatása, mert lényegében ezekben a szinapsziserősségekben tároljuk a memória jelentős részét, legalábbis ma így gondoljuk” – mondta Hangya.
Az eredmények tükrében azt is át kell gondolni, hogy milyen betegségek kialakulásában vehetnek részt a mediális szeptum és a bazális előagy eltérő részei. Azt eddig is tudták a kutatók, hogy a mediális szeptum a memóriazavarokban fontos szerepet tölthet be, de Hangya szerint az eddig nem nagyon merült fel, hogy az agyterületeknek köze lehet a gamma-oszcillációk megváltozásával járó skizofrénia kialakulásához. Jelenleg, mint mondta, gondolkoznak azon, hogy valaha skizofréniában szenvedő emberek post mortem szöveteiben a mediális szeptumot és a bazális előagyat érintő változások után kutassanak. Ha találnak ilyeneket, utána lehetne a kutatást állatkísérletekkel folytatni, hogy a mögöttes mechanizmusok rejtelmeibe is bepillantást nyerjenek.
*
A mostani kutatómunka során Hangya laborja a KOKI-ban szorosan együttműködött Varga Viktor kutatócsoportjával, a Magyar Kutatási Hálózaton belül pedig Ulbert Istvánnal, a Természettudományi Kutatóközpont Kognitív Idegtudományi és Pszichológiai Intézet kutatójának laborjával. Emellett külföldi kollégák, köztük Tim Viney, az Oxfordi Egyetem farmakológiai tanszékének kutatója, valamint David Dupret, az Oxfordi Egyetem klinikai neurotudományi tanszékének professzora segítették őket.
Kapcsolódó cikkek a Qubiten:
