2017. december: jegyzet, orvostudomány, portré, Nemzeti Agykutatási Program, tudomány, egyetem, fizika, fenntarthatóság, zöldkörnyezet, genomika, bioinformatika, it, neutronkutatás, anyagtudomány, innováció, atomenergia, gépipar, elektronika, startup, energiagazdálkodás, biztonságtechnika

Szemcsesejtek: sokat kapnak, keveset adnak

Az idegrendszer hihetetlenül összetett dolog, ma még egyetlen kutató sem értheti meg a működését teljes egészében. Ezért több szinten tárják fel titkait, kutatják legalapvetőbb folyamatait. Szabadics János és csoportja a hippocampusban található különleges sejtek működését elemzi. Azt próbálják megérteni, hogy egy fiziológiásan fontos aktivitást hogyan képes értelmezni és továbbküldeni egy idegsejt.


„A fejünkben számos különféle idegsejt van valamilyen specifikus funkcióval. A mi kedvencünk a hippo­campális szemcsesejt, amely a memóriafolyamatokban játszik esszen­ciális szerepet” – nyilatkozta magazinunknak Szaba­dics János, az MTA Kísérleti Orvostudományi Kutató­intézet (MTA KOKI) munkatársa, aki 2001-ben biológusként végzett a Szegedi Tudományegyetemen. A Kaliforniai Egyetem irvine-i fakultásán az agykéreg alapvető működésével foglalkozott. Hazatérve, 2009-ben alakított Lendület csoportot az MTA KOKI-ban.

A hippocampus a memórianyomok hosszú távon való tárolásának előkészítésében játszik fontos szerepet. Egy többlépcsős idegsejthálózatról van szó, Szabadics János ennek első lépcsőjével, a gyrus dentatusszal, illetve annak fősejtjeivel, a szemcsesejtekkel foglalkozik. A hippocampus sejtjeinek több mint felét adó szemcsesejtek a külső környezet felől érkező információkat úgy dolgozzák fel, hogy azokat osztályozva továbbadják az úgynevezett CA3 régiónak. Ezért a szemcsesejtek igen fontosak a hasonló dolgok megkülönböztetésében. Egy egyszerű példával élve: a gyrus dentatus nem ismeri fel a két látott kezünket, hanem az egyes ujjakat és a tenyeret észleli és adja tovább. Majd a következő régió állítja össze ezekből a részletekből, hogy az egyik dolog a bal kéz, a másik meg a jobb. Tehát az információ elemekre bontását végzik el a szemcsesejtek. Erre azért képesek, mert meglehetősen sokan vannak, egymás között nem adnak át közvetlenül információt, és a különleges fiziológiai tulajdonságaik is azt segítik elő, hogy egy szemcsesejt csak ritkán aktív, de akkor nagyon határozott aktivitást mutat.

A szemcsesejt axonokból (mossy fiber) és a CA3 régió különféle sejtjeiből végzett egyidejű patch clamp elvezetés lehetővé teszi egy szemcsesejt szinaptikus hatásának pontos mérését.

„Mi azt akartuk megtudni, hogy egy szemcsesejt mennyire hatékonyan adhat tovább információt. Ez azért fontos, mivel más fősejtekkel ellentétben sokkal kevesebb sejtnek adnak át közvetlenül információt, azaz alkotnak serkentő szinapszisokat” – magyarázta Szabadics János, aki szerint a szemcsesejtek a korábban gondolthoz képest jelentősebben hozzájárulhatnak a következő régió működéséhez, mivel éppen azokat a sejteket serkentik hatékonyan, amelyek a CA3 sejtek többségével kapcsolatban állnak. Ezáltal egyetlen szemcsesejt közvetetten az egész CA3 régiót befolyásolni tudja. Ráadásul azt is kimutatták, hogy ez a hatékony információátadás a kitüntetett sejtek felé akár többszörösére is erősödhet röviddel azután, hogy egy szemcsesejt „látott számára valami különösen érdekeset”. Ugyanis azt találták, hogy egyetlen szemcsesejt úgynevezett burst aktivitása után (amely néhány igen magas frekvencián előforduló akciós poten­ciált tartalmaz), ezek a serkentő szinapszisok néhány másodpercig „szuper­érzékeny” állapotba kerülnek.

Az intézet által a közelmúltban vizsgált kérdések helyei a sematikus hippocampus ábrán.

A következő kutatási céljuk az volt, hogy megtudják, mit jelent egy szemcsesejt egyetlen elemi aktivitása, azaz akciós potenciálja. Az idegrendszer korlátlannak tűnő számítási kapacitása azon alapul, hogy sejtjei analóg-digitális/digitális-analóg jelátalakítást végeznek. Míg az analóg jelnek tekinthető szinaptikus válaszok széles tartományban változhatnak, addig a digitális akciós potenciálok mindent vagy semmit elven működő egységnyi jelet közvetítenek. A közelmúltig úgy gondolták, hogy az akciós potenciálok pusztán digitális információt hordoznak. Nemrégiben azonban felfedezték, hogy az idegsejtek kimenetét adó nyúlványaiban az akciós potenciálok megőriznek valamennyi analóg eredetű elektromos információt, amely módosíthatja az elsődleges digitális tartalmat. Ezáltal az akciós potenciálok az aktuális aktivitás mellett azt az információt is továbbíthatják, hogy milyen általános állapotban keletkeztek, ezzel gazdagítva az idegi kommunikáció eszköztárát.

Egy CA3 gátlósejt különlegesen tüskés sejttestje és közeli dendritjei, illetve a sejt elektromos válasza.
A képen keresztbe átfutó szemcsesejt axon szinapszist alkotott a szintén jelölt CA3 piramissejttel. Az axonból és a piramissejtből történő patch clamp elvezetés lehetővé teszi egy szinapszis hatásának közvetlen mérését. Ahogy baloldalt látszik az axon akciós potenciálja, szinaptikus választ eredményezett a piramissejten.
Egy CA3 piramissejt sejttestje és közeli dendritje (kékre színezve), amelyen egy szemcsesejt által alkotott szinapszis (zöld) látszik a differenciál interferencia kontraszt képen.

Az akciós potenciálok azonban nemcsak „előrefelé” terjedve közvetítenek digitális információt a sejttesttől kiindulva, hanem „visszafelé” is, a szinaptikus bemeneteket fogadó dendritek irányába. A Nature Communications folyóiratban 2016 végén megjelent cikkben – amelyet az mta.hu ismertetett – Szabadics János és társai arról írtak, hogy ezek a „visszaterjedő” akciós potenciálok tartalmaznak analóg információt is. Az, hogy az akciós potenciálok nemcsak digitális időzítési információt hordoznak, hanem az analóg tartalmuk miatt hibrid jelként működnek, nagyban növeli az idegi hálózatok számítási kapacitását. Tehát nemcsak az fontos, hogy melyik idegsejt mikor aktív, hanem az is, hogy ez milyen állapotban és milyen megelőző aktivitás után történik. Ez ugyanakkor azt is jelenti, hogy az agy működésének megértéséhez nem elég megismerni az egyes akciós potenciálok időzítését, hanem azt az általános állapotot is ismerni kell, amikor ezek keletkeznek.

Egy szemcsesejt egyidejű elvezetése a sejttesten és a dendritjén. A vastag piros alakok az elvezető pipetták, amelyeken keresztül a jelölőanyag a sejtbe jutott.

Szabadics János a kutatólaboratórium alapjait a Lendület program és a Wellcome Trust támogatásából fektette le, ezt a bázist teljesítette ki a Nemzeti Agykutatási Programból elnyert forrás. A kutatóhelyen az agyszövetek működését úgynevezett in vitro elektrofiziológiai eljárással vizsgálják, és közvetlenül a dendritekből meg az axonból is nyernek információkat. Ezzel jobban megérthetik, hogy egyetlen sejten belül miként történik az információ feldolgozása. Szabadics János fontosnak tartja, hogy a pályázati pénzekből beszerzett műszereiket az intézet más kutatói is használhatják. Különleges módszereiket másoknak is szívesen átadják. November utolsó napjaiban jött a hír, hogy az Európai Kutatási Tanács (European Research Council; ERC) az önálló csoporttal rendelkező kutatók számára kiírt pályázatán a Consolidator Granten támogatást nyert Szabadics János, így 2018-tól már ez is támogatja a korábbi eredményeikre és megszerzett tapasztalataikra épülő új kutatási irányt.

Hippokampális idegsejtek axon és dendrit-nyúlványai a CA3 régiókban.

„Ahhoz, hogy idővel a legjobb gyógymódokat elérjük, meg kell érteni az agy minden részletre kiterjedő működését. Sok esetben azt látjuk, hogy hatékony egy gyógyszer, de nem vagyunk tisztában a pontos működési mechanizmussal az idegrendszer összetettsége miatt” – összegzett a kutató, aki reméli, hogy eredményeiket hosszú távon a gyakorlati orvoslásban is hasznosíthatják.•

 
Innotéka