Telefonközpont az agyban: a talamusz és az agykéreg kapcsolatának új eleme

2023. január 13. péntek

Címkék: _SzürkeÁ _SzürkeÁ.Agyhírek

Mint az előző bejegyzésben vázoltuk, az agykéreg összes területe kölcsönös (reciprok, oda-vissza) összeköttetésben áll egy hozzá társult talamusz maggal, melyen keresztül az agy többi részével tart kapcsolatot. Ennek egyik eleme, hogy az agykéreg 6. rétegében található serkentő sejtek (R6 sejtek) axonjaikon információt küldenek a talamusz megfelelő magjába, ahol szintén serkentő sejtek találhatók. Ezek a sejtek az érzékszervek felől (a feldolgozási láncban alulról) érkező információt ötvözik az agykéregből érkező (felülről) információval.

Itt még nem tartunk az agysétában, de ha csak serkentő sejteket kapcsolunk össze megvan a veszélye az aktivitás végtelen növekedésének, ami az agy esetében az epilepsziás roham. Ennek elkerülésére az agykéregben a serkentő sejtek mellett azok aktivitását csökkentő gátló sejtek is találhatók.

A talamusz esetében más az elrendezés, ott az egyes, agykéreghez társuló talamusz magvakban vannak ugyan igen egyedi gátlósejtek, de ezen kívül az evolúció során kialakult egy nucleus reticularis thalami (NRT, de rövidítik RTNnek is) nevű -hálózatos talamusz mag- mely az egyedi magvakból álló talamuszt kívülről beborítja, és gátlósejtjeinek axonjai a belső magok serkentő sejtjeinek működését tartják megfelelő szinten. A kiegyensúlyozott működés biztosítása érdekében, amikor egy-egy kéregterület R6 sejtjei a megfelelő talamusz magba vetítenek, egy axonágat az NRTba is küldenek, ahol az ugye gátlósejteken végződik.
Ezzel a R6 vetítéssel párhuzamosan az agykérgek 5. rétegének serkentő sejtjeiből (R5) is indulnak axonok a feldolgozási láncban alacsonyabban elhelyezkedő agyterületekre. Míg azonban az R6 vetítés csak a kéregterülethez társult talamusz magba küld információt, addig az R5 vetítés változatos, a feldolgozási láncban távolabb álló talamusz magvakba, illetve számos más agyterületre továbbít jeleket.

A mozgató kéregből induló R5 pályáról valószínűleg még egy laikus is hallott Piramis Pálya néven a középiskolában. Ez nem a kairói gyorsvasút, hanem idegrendszerünk leghosszabb axonokkal rendelkező pályája (1 méteresek is lehetnek), mert az agykéregből egészen a gerincvelőig fut, és a finom akaratlagos mozgások kivitelezésében játszik meghatározó szerepet. A mozgató kéregtől előrefele kialakult, elvontabb funkciókkal rendelkező agykérgekből ezek a hosszú direkt R5 vetítések az agy olyan ősibb területeire vetítenek, melyek fontosak a szervezet működésének és az agy aktivitási módjainak szabályozásában. Azaz, míg az R6 vetítésen keresztül az agykéreg csak a feldolgozási láncban közelebb álló területekkel lép kapcsolatba, addig az R5 vetítésen keresztül távolabbi, a viselkedést erőteljesen meghatározó agyterületeket ér el. Érdekes módon az R5 vetítés esetében a talamusz felépítését vizsgáló kutatók eddig nem figyelték meg, hogy axon oldalágat adnának a talamusz gátló magjába az NRT-be. Valószínűleg erre azért nem volt szüksége az evolúciónak, mert mivel az R5 vetítés távolabbi területeket idegez be, a talamusszal és az agykéreggel rövidre zárt serkentő kapcsolatot nem alkot, a túlaktiválódás veszélye itt nem lép fel.

Az újonnan felderített kapcsolat sémája a bal oldalon látható, a frontális motoros kéregből (M2) induló ötödik rétegi axonok nem csak a csatolt magasabb rendű talamusz magba vetíenek (VM), hanem a talamusz gátlómagjába at TRN el jelölt retikuláris magba. A jobb oldalon látható a klasszikus ötödik rétegi vetítés, ami az elsődleges érző kéregből (S1) indul a magasabb rendű (Po) talamusz magba.

És akkor itt jön az újdonság! Az Acsády csoport azt figyelte meg, hogy a korábbiakkal ellentétben, a frontális agykéregből induló R5 vetítés a korábban leírt távoli célterületek mellett az NRT gátló idegsejtjeit is beidegzi.

Ráadásul az R5 axonvégződések az R6 axonvégződéseknél jelentősen hatékonyabban képesek ingerelni az NRT mag sejtjeit, azaz hatékonyabba tudják közvetve gátolni a talamusz magjainak aktivitását. Ehhez jön még, hogy ez a bemenet nem csak hatékonyabb, hanem az asszociatív tanuláshoz szükséges molekuláris rendszerrel is fel van szerelve, azaz nem egy merev rendszer, hanem az élet során megszerzett tapasztalatok is finomíthatják működését. A megfigyelés másik komoly technikai bravúron alapuló része az volt, hogy a frontális kéregből serkentést kapó NRT sejtek nem csak azon talamusz magokba vetítenek, amelyek az R5 vetítést adó agykéreghez tartoznak, hanem más agykérgi területekhez kapcsolódó talamusz magvakat is gátolhatnak.

Egy tudományos közlemény végén található Discussion (Megbeszélés) fejezetben a neurobiológus szerzők általában nagyon visszafogottan szokták értelmezni eredményeiket. Más tudományágak (és folyóiratok) jelentősebb szabadságot engednek meg. Ez egy szubkulturális dolog. Én úgy gondolom, hogy míg az Eredmények fejezetnek csak szigorúan az adatokra szabad támaszkodnia, addig a szerzők megengedhetnék maguknak, hogy a Megbeszélés fejezetben megosszák a közösséggel ők mit gondolnak, ha jelzik azt, hogy ez spekuláció. Mivel ez a fórum nem a Nature Neuroscience, én itt most megengedem magamnak, hogy az eredmények jelentőségét bátor (de tényeken alapuló) spekulációban emeljem ki.
A szakirodalomból ismert, hogy az NRT bekapcsolása elcsendesíti az agykérget, alvásra jellemző EEG mintázatok jelennek meg ilyenkor. Mivel a frontális kéreg a mozgástervezésen túl magasabb tervezési feladatokban is fontos, azáltal, hogy az R5 távoli agyterületeket serkentő vetítése mellé megjelent egy olyan kapcsolat, mely (az NRT gátlósejtjeinek közvetett gátlásának segítségével) képes más agykérgi területek aktivitását hangolni, a frontális kérgek egy eszközt kaptak arra, hogy az agykérgek működését összehangolják.
Így ez az új pálya fontos végrehajtó eleme lehet a korábban vázolt GNW elképzelésnek.

Az ember prefrontális kérge az egér frontális kérgének evolúciósan továbbfejlesztett változata. Nyilván komoly munka lesz annak tisztázása, hogy ez a rendszer megtalálható-e főemlősökben, de ha jelen van, az NRT-t tekinthetjük az emberi agy switchének.

A switch kifejezés a switchoard-ból ered, ami magyarul kapcsolótáblát jelent és Puskás Tivadar találta fel, amikor az első telefonhálózatot megszervezte. Itt még kisasszonyok kötötték össze a hívó fél kérése alapján azt a célállomással. Manapság mindenki a telefonján lóg, hogy a közösségi médiákat bökdösse. Ahhoz, hogy a világ majd minden tájáról elérhető lehessen a világ majd minden tája századmásodpercek alatt, az internetre és az azt támogató bonyolult elektronikus háttérrendszerre van szükség. Ennek legalapvetőbb elemei a routerek és switchek. Mindkét szerkezet több tucat irányból kapcsolódik a hálózathoz és annak elemeit köti össze rugalmasan egymással.

Amikor egyik ágán beérkezik egy információcsomag, annak címzéséből kideríti (nem kell már a kisasszony), hogy az hova tart és melyik irányba kell tovább küldeni (általában egy másik switch-nek). Mostanság már majd mindenkinek van ilyen az otthonában WiFi router néven (csak itt virtuális drótókra, rádióhullámokra kapcsol a switch). A fenti eredmények alapján, hasonló feladatot láthat el az NRTis, csak nem kétirányú kapcsolatot épít ki, hanem a feladat tudatos megoldásában résztvevő agykérgek között hoz létre több irányú Zoom konferencia beszélgetést.

Azzal fejezném be, hogy képet adjak milyen hatalmas mennyiségű munka van a mögött, hogy egy ilyen közlemény megjelenjen egy vezető folyóiratban. A tanulmányban 6 kutató munkája szerepel 2 kutatóintézetből (nyilván közben más témákon is dolgoztak). A munka a kezdetétől a végéig 5 évet vett igénybe, a vizsgálatokhoz egy tucat jelentősen eltérő módszert használtak: genetikailag módosított egereket; pályajelölésre és követésre módosított vírusokat, ezeket gyakran kombinálva; nyomkövető anyagokat; többszörös immunfluoreszcens festést; elektron mikroszkópiát; egysejt aktivitás mérést és jelölést vírusokkal jelölt, altatott állatban, amelyek agyi aktivitását optogenetikailag módosították; szelet elektrofiziológiát egész sejtes patch clamp elvezetéssel, szintén optogenetikával kombinálva; majd mindez összetett statisztikai módszerekkel elemezve. A mai tudományos elvárások alapján az adatok és az elemzésükhöz használt kódok nyilvánosan elérhetők szerverekről. Ezekről a módszerekről az #agytechnikák rovatból tudhattok meg többet (ahogy halad az idő).

A kézirat elkészülte és megjelenése között 9 hónap telt el, ugyanis mint írtuk a megjelenést megelőzi egy szigorú bírálati folyamat. A kézirat 3 bíráló szigorú mérlegelésének kellett megfeleljen. A bírálóktól érkező kérdésekre további kísérletekkel, elemzésekkel vagy a szöveg pontosításával kellett megfelelni. A Nature Neuroscience esetében a beküldött kézitartok 8%-át fogadják el publkiálásra, azaz nagyon nagy a verseny. A kézirat elkészülésének folyamatában még a szerzők sorrendjének összetett „táncáról” ejtenék néhány szót. A szerzők sorrendjében (legalábbis a neurobiológiában, ugyanis ez a tudományterületek eltérő folklórjának megfelelően más tudományokban más is lehet) két fontos helyezés van: az első és az utolsó szerzőé. A kulturált hagyományoknak megfelelően az kerül az első helyre, aki a projekt felelőse volt, a legtöbb munkát tette bele és a kéziratot elkészítette.

Ez persze nem jelentheti azt, hogy minden kísérletet Ő végzett és írt le, hiszen lehetetlen ennyi módszert megtanulni. Az utolsó szerző, pedig az, aki a munka oroszlánrészét adó laboratóriumot vezeti, hiszen az ő erőfeszítéseinek köszönhető, hogy a kutatás támogatásához szükséges rengeteg pénz elnyert pályázatok útján rendelkezésre áll. Jelentős szerepe van persze a kutatási irány kijelölésében, azaz szükségszerűen meghatározó a kézirat alapkérdésében és tartalmában is. A kettő között aztán munkájuk mennyiségének sorrendjében állnak a szerzők. Az első szerzőség pozíciója nagyon fontos egy fiatal kutató életrajzában, hiszen azt jelzi, hogy képes egy kutatás önálló koordinálására. A karrierjének másik fázisában levő laborvezető számára pedig egy sastoll fejdíszén, jelezve, hogy milyen ütőképes tudományos csapatot gyűjtött maga köré. A korrektség érdekében, manapság már a közleményben fel kell tüntetni, hogy melyik szerző mivel járult hozzá a munkához.

Az eredeti közlemény innen tölthető le.
A szerzőkkel készült riportot Kittel Ágnes kollégám készítette. Itt olvasható.

Eseménynaptár 2025. április

Telefonközpont az agyban: a talamusz és az agykéreg kapcsolatának új eleme