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

Új sejt az agykutatás látóterében

Kisvárday Zoltán, a Debreceni Egyetem Anatómiai, Szövet- és Fejlődéstani Intézet munkatársa nemrégiben egy új idegsejtet fedezett fel az agykéregben, amelynek pontos funkciója még nem ismert, ám az már tudható, hogy egy szokatlanul nagy serkentősejtről van szó. A Nemzeti Agykutatási Program és az európai Human Brain Project keretében a látásért felelős idegsejtekkel foglalkozó kutatót legújabb eredményeiről kérdeztük.


Balról jobbra: Dr. Kisvárday Zoltán laborvezető, dr. Kocsis Zsolt PhD-hallgató, Mohit Srivastava PhD-hallgató, Angel Cintia asszisztens, Szakadát Mónika asszisztens, Kicska Lívia asszisztens, Fritz Dalma asszisztens, dr. Talapka Petra tudományos munkatárs
Azonkívül, hogy valószínűleg serkentő feladatra dedikált, mit lehet tudni az új idegsejtről?

– Ez egy nagyméretű idegsejt az agykéreg mélyén, a hatodik rétegben, dendrit felszíne pedig minimum két-háromszorosa az összes ismert agykérgi idegsejttípus átlagos dendrit felszínének. Nemcsak a szomszédos idegsejtekkel, hanem más agyterületek felé is kapcsolódik. Minden bizonnyal serkentő és nem gátló idegsejtről van szó, bár mindkét típus szerkezeti vonásait mutatja. Ez a sejt gyakran létesít úgynevezett perforált szinapszisokat más sejteken, ugyanakkor kap is, tehát könnyen lehet, hogy az ilyen típusú idegsejtek egymással is kapcsolatban állnak. Egyelőre kérdés, hogy hányan vannak, milyen sűrűségben helyezkednek el ezek az idegsejtek, ugyan mit csinálhatnak az agykérgen belül és kívül, és meg kell tudnunk az elektorfiziológiai tulajdonságait. A kérdések ellenére is meggyőződésem, hogy egy teljesen új idegsejttípusra bukkantunk a látókéregben. Gyanítjuk, hogy ez az idegsejttípus azonos lehet a Ramón y Cajal által közel száz évvel ezelőtt nagyon vázlatosan leírt, úgynevezett Golgi-féle nagy szenzoros idegsejttel.

Az Ön szűkebb szakterülete a látás, amelynek a folyamatára nézve van egy saját hipotézise is. Kérem, avasson be bennünket ebbe.

– Meglátásom szerint az emlősök retinájában egy viszonylag leegyszerűsített információgyűjtés folyik. Az éleslátás helyén a retinális sejtek viszonylag kis, foltszerű területet érzékelnek a látómezőből, de működésük eltér, és összehasonlíthatatlanul bonyolultabb a fényképezőgépek pixelalapú leképezésénél. Bár a retinából kiinduló aktivitás egy megszűrt formáját tartalmazza a külvilág képi információtömegének, mégis tartalmazza mindazt, ami a látáshoz, vizuális észleléshez, vizuális kognícióhoz szükséges, azzal a fontos adalékkal, hogy agyunk folyamatosan befolyásolni tudja az agykéregbe érkező és már megszűrt látási információt tartalmazó impulzusokat – hozzáad vagy elvesz. Ebben a többszintű feldolgozási folyamatban számos, nem csak agykérgi terület vesz részt. Például a talamusz a retina felől érkező jeleket modulálja (erősítés és időbeli összerendeződés), annak függvényében például, hogy az agy alvó vagy éber állapotban van. Engem a látás folyamatából különösen az a kérdéskör érdekel, ami azt boncolgatja, hogyan dolgozzák fel az agykérgi idegsejtek a perceptuálisan releváns, viszonylag egyszerű képi elemeket, majd „rakják össze”, azaz integrálják a kép kontúrját, ami az észlelet előfeltétele. Ennek a folyamatnak a hátterében álló neuronális kapcsolatok és kölcsönhatások jobb megismerése jelenti kutatásaink fő irányát.

A kísérletek célja a vizuális kontúrinteg­rációban részt vevő neuronhálózatok kapcsolati rendszerének megismerése, különös tekintettel az agykérgen belüli és egymástól akár több milliméter távolságra elhelyezkedő funkcionális egységek közötti összeköttetések jelentőségének tisztázása. Elképzelésünk szerint a vizuális kontúrintegrációs folyamatokban és tágabb értelemben a vizuális percepcióban a hosszú oldalirányú idegi kapcsolatok nélkülözhetetlenek. E kapcsolatok aktivitásának és szerkezetének összetettsége jelzi, hogy a retina felől érkező képi részletek koherens képpé történő szintézisében az egyes idegsejtnek többféle szerep is juthat a konkrét kontúrintegrációs feladat függvényében. Ennek a hipotézisnek a tesztelése további kísérletes és modelle­zési vizsgálatokat tesz szükségessé.
Ha a magasabb rendű agytevékenység – például: memória, tanulás, érzelmek – képesek befolyásolni azt, hogy mit látunk, akkor hihetjük-e egyáltalán, hogy amit látunk, az mindig valóságos?

– Benne van a veszélye annak, hogy nem, hiszen vannak trükkök, optikai illúziók; meg lehet úgy rajzolni egy képet, hogy az egyik ember hegyormot, egy másik meg egy arcot lát benne. Mindannyian ismerjük azt az élményt is, amikor valamilyen természeti képződményt állatnak vagy embernek látunk. Ez pedig azt bizonyítja, hogy a retinára érkező elemi információk többféleképpen is értelmezhetők. Ma már kísérletek sora bizonyítja, hogy vannak idegsejtek, amelyek érzékenyebbek az illuzórikus látásra, mint mások. Ezek működése különbözik a többi sejtétől, ugyanakkor átfedés is van közöttük. Feltételezem, hogy az idegsejtek morfológiai és működési különbségei fontosak a jelfeldolgozás szempontjából, így a látással kapcsolatos információfeldolgozással kapcsolatban is. Ennek a „valaminek” a feltárása, megismerése nagyon izgat engem és a kutatócsoportomat, ezért teszünk erőfeszítéseket a látásért felelős ideghálózat morfológiai-funkcionális megismerésére. Mert sejttípusokról beszélünk ugyan, de hálózatban gondolkodunk.

Funkcionális agytérképezés és idegsejtek szinaptikus összeköttetéseinek térképezése kísérleti állatok látókérgében. A Nemzeti Agykutatási Program támogatásával beszerzett optikai agytérképező (Voltage sensitive dye imaging, VSD Imager 3001) készülékkel nagy tér- és időbeli felbontással vizsgálható a vizuálisan kiváltott látókérgi aktivitás időbeli változása és térbeli terjedése. A módszer egyik fő előnye, hogy az élettani mérések nem károsítják a szövetet, így további vizsgálatokat lehet végezni ugyanabban a kísérleti állatban, például olyan szerkezeti, biokémiai és proteomikai/genomikai vizsgálatokat, amelyek a neuronhálózati kapcsolatok jobb megértését hivatottak segíteni.
Az idegrendszeri történések dinamikája legalább olyan izgalmas, mint a morfológia, vagyis annak leírása, hogy hogyan néz ki egy sejt egy adott pillanatban. Milyen problémákkal szembesülnek, amikor az időbeliséget kívánják górcső alá venni?

– Ez nagyon komoly kihívás, hiszen az idegsejtek szerke­zete is folytonos változásban van. Például a dendrittüskék az idegsejt-aktivitástól függően folyamatosan változnak: nőnek és visszahúzódnak, új szinapszisok formálódnak. Sőt, új dendritek és axonok is nőhetnek, csak valamivel lassabban, mint a dendritikus tüskék. Éppen ezért a problémát több oldalról közelítjük meg. A vér hemoglobinszintjének változását mérő módszerrel, ami az agyi aktivitással összefügg; az úgynevezett optikai térképezéssel agyi funkcionális tér­ké­peket alkotunk, amelyen azt látjuk, hogy a kísérleti állatnak éppen melyik agyterülete aktív egy adott vizuális stimulus függvényében. Ugyanakkor az egyes idegsejtekről is szeretnénk aktivitási információval rendelkezni, ezért ugyanazon vizuális stimulus függvényében, amit a globális agytérképen mérünk, az egyes sejtek aktivitását, más szóval válaszadó tulajdonságait is mérjük elektródokkal. Egy nemrég beszerzett új eszközzel még tovább tudunk menni: feszültségérzékeny festékek segítségével időben is pontosan követjük a vizuális stimulus nyomán bekövetkező agyi aktivitás mintázatának változását. Sőt hamarosan telepítenek az intézetünkbe egy olyan elektronmikroszkópot, amellyel három dimenzióban lehet rekonstruálni a sejtek közötti ingerületátadás helyét, vagyis a szinapszisokat is. Számunkra ezek az új módszerek új utakat nyitnak meg a látási folyamat megértésében.

A Human Brain Projectben, amelyben az Ön kutatócsoportja is részt vesz, az egyik legizgalmasabb kérdés a mesterséges intelligencia fejlesztése. Hogyan kapcsolódnak ehhez az önök aktuális kutatásai?

– Az idegsejtek, illetve a köztük lévő kapcsolatok, a hálózatszerveződés módjának és miértjének jobb megértése vagy a szinaptikus kapcsolatok feltérképezése nyilvánvalóan hasznos, sőt szükséges lehet a mesterséges intelligencia megközelítéséből. Másrészt viszont korántsem biztos, hogy a mesterséges intelligencia fejlesztéséhez az út kizárólag a felfedező agykutatáson keresztül vezet. Nem az agykutatók alatt szeretném vágni a fát, de nem kizárható, hogy az agynál sokszorta „nagyobb” intelligenciával rendelkező lényt – most ne nevezzük embernek – lehet előállítani olyan algoritmusokkal, amelyek alapján ez a lény gondolkodásában, érzelmeiben felülmúlhatja a ma létező élőlényeket, beleértve az embert. Nekem úgy tűnik, az agykutatás modellezéssel, informatikával és robotikával foglalkozó ága ebbe az irányba kacsintgat. A Human Brain Projectben szintén erősödő jelei tapasztalhatók ennek az iránynak, ami felettébb izgalmassá teszi ezt a kutatási programot.•

 
2018. november – Közlekedésfejlesztési különszám

2018. november – Közlekedésfejlesztési különszám

Archívum
 2011  2012  2013  2014  2015  2016  2017  2018

Innotéka