Az idegsejtek suttogásának meglesése IV: Hogyan vizsgálható az idegsejtek működése és a tudatállapotok közötti összefüggés?

Itt az ideje, hogy beszéljünk arról, hogy az elmúlt másfél évtizedben mi volt az a technikai fejlődés, ami lehetővé tette a neuropszichológia számára, hogy az idegsejtek működése, valamint a gondolkodás, a döntés, a tudatosság folyamatai között megtalálhassuk a kapcsolatot.
Az előző #agyséta bejegyzésekben, ahol a hippokampusz működését és állapot-átkapcsolásait mutattuk be, elsősorban olyan elektrofiziológiai módszereket használtunk, melyek fél évszázada elérhetőek: egyedi sejtek és a kishálózatok működését mértük intracelluláris (egyedi sejtekbe szúrt) és EEG elektródákkal (melyek a hálózat kollektív aktivitását mérik). Ezáltal megismertük az összefüggést a hálózat és a sejtek működése között.

Elsősorban a számítási kapacitás hihetetlen megnövekedése miatt, a közelmúltban megjelentek olyan új módszerek: 1) az optogenetikával kombinált két-foton mikroszópia, 2) a nagyon sok csatornás EEG és sejt elvezetések, valamint 3) a funkcionális magmágneses rezonanciás képalkotás (functional Magnetic Resonance  Imaging, fMRI), melyek lehetővé teszik, hogy egyszerre több ezer idegsejt és több száz agyterület működését figyeljük meg, akár szabadon mozgó, feladatokat végző állatokban -vagy a nem invazív módszerek (fejtetői EEG és fMRI) esetében- emberekben. 

Kezdjük a sejtek és kishálózatok felől, és haladjunk az agyi területek működésének vizsgálata felé. A molekuláris biológusok által fejlesztett optogenetika lehetővé teszi, hogy az idegsejtek DNS-ébe olyan géneket építsünk be, melyeket kifejezve az idegsejtek vagy fényt bocsájtanak ki, amikor működésbe lépnek (erős leegyszerűsítés de a célunknak megfelel), vagy fény hatására működésük nő avagy csökken. Két-foton mikroszkópokkal, a működő agyban készíthetők mozik arról melyik pillanatban mely idegsejtek kapcsolódnak be. Ezeket a módszereket részletesebben bemutattuk jónéhány #agytechnikák bejegyzésben (kalcium és voltage imaging). Használatukkal tizedmásodperces felbontással vizsgálhatjuk több ezer idegsejt működését. Emlékeztek? Az idegsejtek aktivitásmintázata hordozza az információt, azaz ezzel a módszerrel kiolvashatjuk az agy kódját, információ tartalmát, és annak változását pillanatról pillanatra. 
A másik módszer, mely alkalmas több száz idegsejt működésének meglesésére, az a szilikonból félvezető technikákkal készült elektróda fésűk alkalmazása. Egy-egy ilyen összetett elektróda több ezer elektromos érzékelő végződést hordoz, melyekkel a közelükben levő sejtek működése mérhető. Ennek a módszernek a térbeli felbontása nem olyan jó, mint az optogenetikai módszeré, viszont az időbeli sokkal jobb, a másodperc ezredrésze alatt zajló folyamatokat képes megfigyelni. Ezekről is írtunk már bővebben. Mivel ezekhez a módszerekhez az agyat meg kell bolygatni, vagy azért, hogy transzgénikus fehérjéket fejezzünk ki, vagy azért, hogy elekródákat juttassunk a sejtek közelébe, értelemszerűen ezek a kísérletek emberek esetében nem végezhetők el. De mivel az emberi és állati agyak felépítési alapelvei jelentősen megegyeznek, már így is nagyon sokat tanultunk az agy információfeldolgozásának alapelveiről. 

Míg ezek a módszerek finom térbeli felbontásúak és alkalmasak a kishálózatok működési törvényszerűségeinek feltárására, nem képesek egész agy méretben működni (apró agyak -mint például zebrahal vagy fonálféreg- esetében igen). Szerencsére léteznek komplementer módszerek, mint a sokcsatornás EEG és az fMRI, melyek alkalmasak akár egy egész emberi agy vizsgálatára. A sokcsatornás EEG vizsgálatok során több száz EEG elektródát helyeznek el a koponyatetőn, melyek milliszekundumos időbeli felbontással mérik, hogy mi történik a különböző agykérgi területeken, miközben a kísérleti alany valamilyen feladatot végez. Míg ennek a módszernek (hasonlóan az előző elektrofiziológiai módszerekhez) nagyon jó az időbeli felbontása, addig a térbeli felbontása csak centiméteres szinten mozog, és csak az agykéreg működésének vizsgálatára alkalmas, mert az agy mélyéről nem érkeznek értékelhető elektromos jelek a koponya felszínre. 
Az fMRI ezzel szemben nagyon jó térbeli felbontással rendelkezik. A legújabb 9.5 vagy akár 11.7 Tesla erősségű mágnessel felszerelt gépek térbeli felbontása milliméter alatti, megközelíti az agykérgi oszlopok méretét. Sajnos cserébe időbeli felbontásuk nem olyan jó, mivel nem közvetlenül az idegsejtek aktivitását, hanem az aktív idegsejtek oxigénfelvétele miatt megváltozott véroxigén szintet mérik, mely 1-2 másodperc késéssel követi a sejtek aktiválódását. Az időbeli felbontást a nagyon erős mágnesek sem tudják javítani. 

Szerencsére a kishálózatok (sejt szint) és ameta-hálózatok (agyterületek) működését mérő elektromos és képalkotó módszerek kiegészítik egymást a tér és az időbeli felbontásban. Ráadásul az fMRI felbontása egybeesik azzal a léptékkel, amiben optogenetikai módszerekkel tudjuk egyszerre akár többezer sejt aktivitását mérni.

Azaz felépült a híd az agyműködés sejt- és viselkedés-szintű vizsgálata között. Meg tudjuk nézni, hogy egy bonyolult döntési folyamatban mely agyterületek idegsejtjei vesznek részt, és hogyan működnek a döntés különböző fázisaiban. A megismerés alagútját két irányból ásó diszciplínák képviselői, a neurobiológusok és a pszichológusok - 200 év után - középen összeértek, és megerősödött a neuropszichológia diszciplínája.

Azt, hogy a hatalmas mennyiségű mért adatból hogyan értjük meg az agyműködés szabályait, a következő bejegyzésben mutatja be.

Szerző: Gulyás Attila