– Mi lenne, ha olyan eszközt fejlesztenénk, ami képes sejtszinten kiolvasni az agyi aktivitást? – tette fel a kérdést Rózsa Balázs, a BrainVisionCenter (BVC) Kutatóintézet igazgatója, a HUN-REN Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet (KOKI) Neuronhálózat és Dendritikus Aktivitás Kutatócsoport vezetője.

A 2024-ben Gábor Dénes-díjjal elismert, a világ vezető tudományos folyóirataiban rendszeresen publikáló kutató pontosan ezt tette kollégáival. Rózsa a Qubitnek szeptemberben adott nagyinterjúban szenvedélyesen beszélt az agyba merőben új betekintést nyújtó mikroszkópjukról, a technológia és más fejlesztéseik által lehetővé tett diagnosztikai eszközökről, terápiákról, az új lehetőségeket nyitó mesterséges intelligenciáról és a BVC innovációs modelljéről.

A kutatóintézetben hat nagy tudományos projekt fut, amik közül Rózsa szerint az epilepsziaterápia és a látás agykérgi helyreállítása áll a legközelebb a klinikai alkalmazáshoz – állatmodelleken már mindkettő működik. A 2021-ben létrehozott, magán- és állami részvételt ötvöző, misszióvezérelt nonprofit kutatóintézethez már 35 nemzetközi szintű tudományos közlemény és több szabadalom kötődik. A kutató- és fejlesztőmunka mellett az elmúlt öt évben felépítették a BVC Liliom utcai központját, kiépítették a laborokat és a kutatóintézet szakmai csapatát.

Mélyen a szövet belsejébe lát a kétfoton-mikroszkóp

Az olyan képalkotó technológiák, mint a funkcionális MRI (fMRI), nem elég nagy felbontásúak az agyi aktivitás sejtszintű kiolvasásához: egy MRI-voxelben (a pixel háromdimenziós megfelelője) akár több tízezer neuron is lehet, miközben az idegtudomány feltárta, hogy az agyban már az egymás mellett elhelyezkedő idegsejtek is más funkcióval bírhatnak. Ezért egy olyan, nagyobb felbontású megoldásra volt szükség, ami az agy működési egységeinek szintjén képes kiolvasni és befolyásolni az idegrendszeri folyamatokat.

„Világelsők voltunk abban, hogy térben mérni és olvasni tudjuk az agyat”

– mondja Rózsa az általuk kifejlesztett háromdimenziós akusztooptikai kétfoton-mikroszkópról. A kutatók a 2000-es évek közepén kezdtek dolgozni a találmányon, és 2012-re készült el az a Nature Methods folyóiratban bemutatott berendezés, ami már megbízhatóan tudta térbeli módon mérni az idegsejtek aktivitásának gyors változását. Erre a mikroszkóp a sejtekhez kötődő, fluoreszcens molekuláris szenzorok jelének mérésével képes.

A fluoreszcencia úgy jön létre, hogy a mintára érkező fény gerjeszti a fluoreszcens molekulát, ami egy másik hullámhosszon fényt bocsát ki, miközben visszakerül alapállapotába. A kétfotonos technológiában ehhez képest a gerjesztéshez két kisebb energiájú foton szinte egyidejű elnyelésére van szükség, amelyek együttes energiája juttatja a molekulát gerjesztett állapotba. A háromfotonos technológia ugyanezen az elven működik, de ott három foton együttes energiája váltja ki a gerjesztést. A többfotonos gerjesztést a fókuszpontban nagyon nagy energiasűrűséget létrehozó, femtoszekundumos lézerimpulzusokkal érik el. A két- és háromfotonos technológiával ma már a konfokális fluoreszcens mikroszkópoknál jóval mélyebbre hatolva lehet megfigyelni a sejtek szerkezetét és működését – háromfotonos mikroszkópokkal akár 1,3–1,4 milliméter mélységben is tudnak méréseket végezni, ami a konfokális technológiával elképzelhetetlen lett volna.

Csakhogy akadt egy kis bökkenő. „Álmomban sem gondoltam, hogy nem lesz szenzorunk” – vázolja fel a 2012-es helyzetet Rózsa. Kezdetben a sejtekben kémiai feszültségindikátorokat használtak, ezekkel viszont csak rövid méréseket lehetett végezni toxicitásuk miatt, az őket felváltó kalciumszenzorok pedig csak közvetve követték az idegsejtek elektromos aktivitását. Az áttörés tavaly következett be, amikor elég jó minőségűvé váltak mikroszkópjukhoz a fehérjealapú feszültségérzékelő szenzorok. Ezeket a genetikailag kódolt szenzorokat (GEVI) szakemberek a 2020-as évek elején irányított molekuláris evolúcióval tökéletesítették – és ma már Rózsa szerint hosszú percekig lehet nagyon magas minőségű méréseket végezni velük, akár élő állatokon is.

Az idegsejtek rövid nyúlványai processzorként működnek