Az agy soha nem látott kapcsolatait fedezték fel

A Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet (KOKI) munkatársai egy eddig ismeretlen idegpályát fedeztek fel az agykéreg és az információk feldolgozásában legnagyobb szerepet játszó kéreg alatti agyi régió, a talamusz között. Minthogy az e területek közötti kapcsolat már sok évtizede az agytudomány egyik legkutatottabb témája, egy soha nem látott kommunikációs csatorna felfedezése valóságos szenzáció. Nem csoda, hogy az eredményeket a világ legfontosabb idegtudományi folyóirata, a Nature Neuroscience közölte. A tanulmány első szerzőjével, Hádinger Nórával, illetve a kutatócsoport vezetőjével, Acsády Lászlóval olvasható beszélgetés a Magyar Tudományos Akadémia weboldalán.

 Miért olyan jelentős ez a felfedezés?

Hádinger Nóra: Találtunk az agykéreg és egyik fő kommunikációs partnere, a talamusz között egy új kommunikációs útvonalat. Korábban nem gondoltuk volna, hogy létezhet még ismeretlen főelem ebben a rendszerben, hiszen az agykéreg és a talamusz kapcsolata viszonylag régóta kutatott. E kapcsolat nem jellemző az egész agykéregre, csak a frontális kéreg áll ilyen típusú kapcsolatban a talamusszal, közelebbről a frontális kéreg ötödik rétegi piramissejtjei vesznek benne részt. Ezekről a sejtekről tudni kell, hogy az agykéreg fő kimeneti csatornáját képezik, tehát nem csupán a talamuszba, hanem számos kéreg alatti területre, illetve a viselkedést közvetlenül befolyásoló központokba is küldenek információt.

A talamusz oldaláról a gátlómag vagy retikuláris mag (TRN) vesz részt ebben az újonnan felfedezett pályában. A TRN-ben van a talamusz gátlósejtjeinek nagy része, így nagyon fontos szerepet játszik annak szabályozásában, hogy milyen információ haladhat át a talamuszon, illetve hogy milyen lesz ennek az információnak az időzítése, milyen időablakokban tud továbbhaladni az agykéreg felé. Ez azért fontos, mert az agykéreg rengeteg különféle feladatot lát el, és ezen belül a frontális agykéreg egészen felsőbb szintű kognitív feldolgozást végez. Viszont nagyon keveset tudunk arról, hogy ezek az agykérgi területek különbözőképpen kommunikálnak-e a talamusszal. Ezért ez egy úttörő kutatás abból a szempontból, hogy sikerült strukturális különbséget felfedeznünk az agykéreg egy speciális területe és a talamusz közötti kapcsolatban más kérgi területek kapcsolataihoz képest.

Acsády László: A kutatás jelentőségét az adja, hogy a frontális kéreg az emberben nagyon fejlett, és nagyon összetett működést tesz lehetővé. Így a legtöbb, rengeteg embert érintő neurológiai betegség, például a Parkinson-kór, a skizofrénia vagy az Alzheimer-kór elsődlegesen a homloklebenyt érinti. Minthogy a kéreg ötödik rétege az egész agykéreg legfontosabb kommunikációs kimenete, az itt lévő sejtek feltehetően fontos szerepet játszanak e betegségek kialakulásában is. Sőt, az sem kizárható, hogy konkrétan ez az újonnan felfedezett kapcsolat is befolyásolhatja, hogy a különböző neurológiai betegségek milyen módon jelennek meg.

Ahogy említették, sokan kutatják a talamusz és a kéreg kapcsolatát. Hogyan lehetséges, hogy mégsem vették észre eddig ezt a pályát?

H. N.: Ennek egyrészt történeti oka van. Mindig is a szenzoros (érzékszervi) rendszerek voltak a legkönnyebben vizsgálhatók, mert ezeknél konkrétan meghatározható az információ jellege, és könnyen ingerelhetők a kísérleti állatok például hang- vagy fénystimulussal. Vagyis itt egyértelmű, kívülről meghatározott ingerre adott reakciót mérhetünk az agyban. Ezért nagyon sokáig a legtöbb kutató e szenzoros folyamatokra koncentrált, és az érzékelési rendszerekben felismert alapelveket általános érvényűnek tekintették az agykéreg és a talamusz összes kapcsolatára vonatkozóan. Ugyanakkor ez az új kapcsolat különbözik az eddig ismert pályáktól, így könnyű volt szem elől téveszteni. De a kapcsolat megtalálásához a vizsgálótechnikák fejlődése is kellett: nemrég váltak elérhetővé azok az eljárások, amelyek segítségével nagyon specifikusan csak az ötödik rétegi piramissejteket tudjuk jelölni. Korábban ez nem igazán volt lehetséges, mert a kéreg jelölésekor egyszerre sokféle sejttípus kapott jelölést, és így nehéz volt megmondani, hogy mi a különböző sejtcsoportok funkciója. Ma már van egy vírusalapú jelölőmódszer, amellyel specifikusan e sejttípust lehet jelölni, így e konkrét kapcsolatok is láthatóvá válnak.

A. L.: E felfedezésben döntő jelentősége van annak, hogy a KOKI a Szentágothai János által alapított tudományos iskola szellemi örököse. A KOKI korábbi igazgatójának, Freund Tamásnak, a Magyar Tudományos Akadémia elnökének, aki Szentágothai közvetlen tanítványa volt, nagy szerepe volt abban, hogy a KOKI még az MTA kutatóintézeteként az egyik legfontosabb európai idegtudományi intézetté vált. Szentágothai fényes felismerése volt, hogy az agykéreg modulárisan szerveződik. Ez azt jelenti, hogy ha felfedezzük az agy egy kis részletét, és feltárjuk, hogy ott milyen összeköttetésben állnak egymással a sejtek, melyek a ki- és bemeneteik, akkor e modulokból felépíthetjük az egész agykérget. A kérgi területek különbözőségét az adja, hogy mely más területekről, például a talamusz mely régióiból kapnak bemenetet.

Amikor tehát vagy húsz éve feltárták, hogy az agykéreg többi, elsősorban szenzoros régiójában lévő ötödik rétegi piramissejtek ugyan kapcsolatban állnak a talamusszal, de ezzel a TRN gátlórégióval nem, akkor mindenki magától értetődőnek vette, hogy ez az egész kéregre is igaz. Ezért nem is folytak specifikus vizsgálatok ebben az irányban. Mi sem azért kezdtük el ezeket a kutatásokat, hogy felfedezzünk egy nem ismert pályát, hanem másfajta összeköttetéseket vizsgáltunk a homloklebeny és a talamusz között, és eközben fedeztük fel ezt az új kapcsolatot. Nóra észrevette, hogy az összes többi agykérgi területtel ellentétben, ha a frontális kortex ötödik rétegi sejtjeit megjelöljük, akkor kiderül, hogy ezek kifejezetten erős és fontos funkcióval rendelkező kimenettel bírnak a talamusz fő gátlómagja felé.

Amikor rátalált erre az új agypályára a kísérletek közben, elhitte, amit lát?

H. N.: A kísérletet tehát nem azért végeztük, hogy új agypályát keressünk. Azt lehetett tudni, hogy a frontális kéreg ötödik rétege kapcsolatban áll a talamusszal, de ahogy László is említette, korábban úgy tudtuk, hogy főként a talamusz serkentőmagjai a partnerei. Ezt a kapcsolatot vizsgáltuk mikroszkóposan, és e célból jelöltem meg e piramissejteket. Ettől az összes nyúlványuk fluoreszcens fényt bocsátott ki, én pedig a mikroszkópban azt vizsgáltam, hogy ezek hogyan kapcsolódnak a talamusz serkentőmagjaihoz. De ha már ott voltam, szétnéztem a talamusz egyéb részeiben is, és akkor láttam, hogy a tankönyvi adatokkal szemben a frontális kéregből induló idegeknek a talamusz gátlómagjában is vannak szinaptikus végződéseik. Az első gondolata az embernek ilyenkor nem az, hogy felfedezett egy új pályát, hanem az, hogy valami hiba történt, például rossz sejteket jelöltem meg, vagy más sikerült félre. Így ezután még számos kísérletet kellett végeznünk ahhoz, hogy teljes mértékben megbizonyodhassunk afelől, hogy valóban egy eddig nem látott kapcsolatot fedeztünk fel. Amikor végül bizonyságot nyert az új pálya léte, akkor kezdtük el jellemezni és a funkcióit kutatni.

Hogyan illeszkedik ez a felfedezés a KOKI talamuszkutatásaiba?

A. L.: A KOKI talamuszkutató csoportja húsz éve alakult, és ezen agyterület összeköttetéseit vizsgálja. Én öt évvel ezelőtt az Európai Tudományos Tanácstól (ERC) éppen a talamusz és az ötödik agykérgi réteg tanulmányozására nyertem el Advanced Grant pályázati támogatást. Ez a munka, amelynek az eredményeit most publikáltuk, szinte a pályázat kezdete óta, öt éve folyik, és Nóra áldozatos és kitartó munkája kellett a sikerhez. Az eredményei messze túlmutatnak a pálya egyszerű leírásán, hiszen mélyreható funkcionális kísérleteket is végzett, amelyek révén kimutatta például, hogy e pálya rendkívüli módon alkalmas arra, hogy a talamusz TRN-sejtjei precízen érezzék és dekódolják az agykéreg történéseit. Vagyis e pálya funkciója az agykérgi szinkronitás detektálása lehet. Hihetetlenül izgalmas kérdés, hogy ez a gátló kapcsolat miért csak a homloklebennyel köti össze a talamuszt, és a többi kérgi területtel miért nincs meg. Ez a jövő kutatásainak egyik iránya.