Varietas delectat avagy a szinapszisok sokfélesége
A legmodernebb fiziológiai és anatómiai módszerek ötvözésével Nusser Zoltán csoportjának sikerült feltárni, hogyan tud ugyanazon idegsejt axonja eltérő erősségű szinapszisokat létrehozni két különböző másik idegsejttel. Rövid válasz: a szinaptikus vezikulák más érési állapotban vannak a gyenge és az erős szinapszisokban. Munkájuk a Neuronban jelent meg.
A változatosság kedvéért most csak annyit találtam az interneten az Euripidész megjegyzés alapján Cicero formálta „varietas delectat” szállóigéről, mint magyar fordítását: a változatosság gyönyörködtet. Ezzel sajnos senkinek nem tudok újat mondani, pedig milyen jó lett volna egy rövid és könnyed történelmi bevezetést írni Nusser Zoltánék Neuron cikkéhez, mely a szinapszisok sokféleségének okát vizsgálja!
Azért nem adtam fel, hogy találjak valamit, ami azoknak is felkeltheti az érdeklődését e tudományos téma iránt, akiknek nem mindennapi gondja, magunkkal és magunkban hordozott egyedi számítógépünk, az agyunk, hogyan működik az idesejtek kapcsolódási szintjén, a szinapszisokban. Egy kicsit el is bizonytalanodtam. Vajon a változatosság és a sokféleség idegtudósi szinten mennyire szinonimái, pontos megfelelői egymásnak? A sokféleséggel kapcsolatban azonban szembe jutott az időszámítás előtti ötödik században élt görög Euripidésznél, és a nála négy évszázaddal fiatalabb Cicerónál is később született, számunkra ráadásul mindenképp közelebbi ismerős és tekintélyesebb személyiség, István, első és szentnek nevezett királyunk. Ő a sokféleséget annyira fontosnak találta, hogy fiának figyelmét máig fennmaradt műben hívta fel fontosságára. „Mert amiként különb-különb tájakról és tartományokból jönnek a vendégek, úgy különb-különb nyelvet és szokást, különb-különb példát és fegyvert hoznak magukkal, s mindez az országot díszíti, az udvar fényét emeli, . . . az egy nyelvű és egy szokású ország gyenge és esendő.”
Azt pedig jól tudjuk, hogy az egész világon nincs még egy olyan sokféle sejttel rendelkező, bonyolultan felépített szerv, mint az agy - az elme birodalma.
A sokféleséget nem csak vizsgálni nem egyszerű, de néha még az eredményeket elmagyarázni sem. Ebben nagy segítség az a nem is oly régen elterjedt szokás, a cikk előtt az eredmények grafikus összefoglalása. Egy jó ábra igen nagy segítség még ahhoz is, hogy kérdezni tudjon valaki.
- Az idegsejtek kémiai és elektromos szinapszisokkal kapcsolódhatnak egymáshoz. Ti a kémiai szinapszisokat vizsgáltátok, melyeknél az axonvégződés (terminális vagy bouton) idegi jelátvivő anyagokat tartalmazó hólyagokat (vezikulákat) tartalmaz. Ha ezek a hólyagocskák az idegvégződés membránjával összeolvadnak, ingerlés hatására tartalmukat a szinaptikus résbe juttatják, melyek aztán a másik idegsejt receptorain fejtik ki hatásukat. Arra kerestetek magyarázatot, hogyan tud ugyanazon idegsejt axonja eltérő erősségű szinapszisokat létrehozni két különböző idegsejttel.
Miért fontos kérdés ez?
Nusser Zoltán
- A neuronhálózatok működését az idegsejteket összekapcsoló kémiai szinapszisok eltérő hatékonysága határozza meg. Évtizedek óta ismert, hogy az azonos típusú szinapszisok is lehetnek strukturálisan és funkcionálisan eltérőek. Bár az elmúlt évtizedekben intenzív kutatások középpontjában állt, mégis, a szinaptikus diverzitás alapjául szolgáló molekuláris folyamatoknak máig csak egyes részleteit tárták fel. A szinaptikus sokféleség egyik példája, amikor ugyanazon idegsejt axonja a célsejtek típusától függően formál eltérő erősségű szinapszisokat.
- Milyen fejlettségű idegrendszerrel rendelkező szervezetektől kezdődően van alapvető fontossága a szinaptikus sokszínűségnek?
NZ
- Nem ismerek olyan idegrendszert, ahol minden szinapszis egyforma erősségű lenne.
Ilyen posztszinaptikus célsejttől függő különbséget már a piócákban is leírtak.
- Feltételezem, hogy a gyenge és erős szinapszisok egyaránt szükségesek az ép/egészséges idegi hálózatok kialakulásához!
NZ
- Maximálisan egyetértek. Én is ezt tételezem fel.
Lőrincz Andrea (a cikk egyik első szerzője)
- A szinaptikus erősség változatossága okozta sokszínűséget mindenképpen előnyösnek tartom, hiszen ez biztosíthat alapot az adaptációra, plaszticitásra, arra, hogy az agyműködésünk rugalmasan tudjon reagálni fiziológiás vagy akár patológiás aktivitásváltozásokra. Nehéz azonban megmondani, hogy a serkentő szinapszisok sokféleségének hálózati hatása pontosan hogyan érvényesül, hiszen az idegi hálózatoknak különféle bonyolultságú szintjei vannak. Hálózati modellek segíthetnek ennek megértésében, ahhoz viszont, hogy egy ilyen modell reális predikciót adjon az kell, hogy a lehető legtöbb kísérletesen meghatározott paraméterre épüljön. Ezért is fontos, hogy a szinaptikus erôsséget meghatározó paramétereket is minél pontosabban megismerjük. Ehhez járultunk most talán mi is egy kicsit hozzá.
- Eredményeitek feltártak egy újabb, a szinaptikus sokszínűséget megalapozó folyamatot, mely befolyásolhatja a neuronális hálózatok dinamikáját, tömör megfogalmazásod szerint „az idegsejtek populációjának akciós potenciáljainak időben strukturált összességét”.
Hogyan lehetséges egy ilyen bonyolult rendszerben a „változatosság- változékonyság” és a rendellenes szinaptikus működés megkülönböztetése?
NZ
- Egy rendellenes (patológiás) agyban is valószínűleg ugyanúgy megvan a szinaptikus diverzitás, csak pl. az egész populáció jobbra vagy balra (erősebb vagy gyengébb) irányban van eltolva. Alternativ, hogy a szinapszisok többsége ugyanolyan egy betegben mint az egészségesben, de specifikus szinapszisok (pl. egy piramissejt (PC) és egy adott interneuron (IN) közötti) súlya változik meg.
- Egyik kísérletetekben a szinaptikus erősséget farmakológiai módosítással sikerült megváltoztatnotok. Csak a vizsgált piramissejten volt hatása?
NZ
- Azt gondoljuk, hogy minden terminálison hat minden drog. Persze pont azt mutatjuk, hogy hatása nem minden szinapszisra ugyanaz. Ennek vagy az az oka, hogy más a cél molekula, vagy másként van szabályozva.
Holderith Noémi, a cikk másik elsőszerzője
- Minden általunk alkalmazott farmakológiai kísérletnél az oldatban adtuk be a drogot, így minden olyan helyen, ahol a cél molekula jelen van, hatott. Nyilván nem feltétlenül azonos hatásfokkal.
- Elektron tomográfiás és fagyasztva töréses immun elektronmikroszkópiás felvételeitek is bemutatják, hogyan helyezkednek el a szinaptikus vezikulák a terminálisban (végkészüléknek is nevezik). Mi határozza meg, mely szinaptikus hólyagok lesznek legközelebb a preszinaptikus membránhoz?
NZ
- Nem ismert, de a legegyszerűbb magyarázat szerint a szabad diffúzió. Ennek hatására a vezikulák jönnek-mennek a terminálison belül, az, mikor melyik van a preszinaptikus membránhoz a legközelebb, véletlenszerű!
- Amit megfigyeltetek és leírtatok, az csak a PC sejtek és csak az adott típusú gátlósejtek esetében igaz, vagy általános jelenség, más agyi régiókra is igaz?
NZ
- Hiszünk benne, hogy más kérgi területekre is igaz. Pontosabban a neokortex és a hippokampusz más alrégióira is. Lehet, hogy hasonlóan működik másik szinapszis is a nagy hatékonyságú gyorstüzelő sejtekre menő szinapszisokhoz, de szerintem az O-LM sejtekre menő, különösen alacsony hatékonyságú szinapszis valószínűleg egyedi a kérgi hálózatban. De amíg erre adatunk nincs, ez csak megérzés.
LA
- Igen, a neokortikális és hippokampális piramissejtek kapcsolataira valószínűleg igaz a megfigyelésünk. A más agyterületekre vonatkozó általánosítással azért óvatosak vagyunk. Pont kisagyban figyeltük meg egy korábbi kollaboráció keretein belül, hogy a gyenge és erős szinapszisokban eltérhet a feszültségfüggő kálciumcsatornák és a preszinaptikus membránhoz rögzült (dokkolt) szinaptikus vezikulák térbeli eloszlása. Ezért is lepődtünk meg, hogy a piramissejtek más stratégiát választanak, az ő kapcsolataikban ez a különböző térbeli elrendeződés nem érvényes.
Azt is hozzá kell azonban tenni, hogy a kisagyban nem egyféle, hanem különböző típusú preszinaptikus sejtek kapcsolatait vizsgáltuk.
- A hippokampusznak miért épp a CA1 régióját vizsgáltátok? Azért, mert jól elérhető-vizsgálható, vagy van más oka is?
NZ
Ahogy írod, könnyen elérhető. De nem in vitro, hanem in vivo megközelítési módszereknél lényeges ez. Ha hosszútávú célunk, hogy ezen sejteket és kapcsolatokat viselkedő állat agyában is vizsgáljuk, akkor érdemes már az in vitro kísérleteinket is azon a területen végezni, amit majd könnyen tudunk vizsgálni a viselkedő állatok agyában is. És ez szerintem a neokortex mellett a dorzális hippokampuszban CA1 területe.
LA
- Gyakorlati szempontból is szeretjük a CA1-et. A bemenet-specifikus rétegezettsége megkönnyíti a mintavételezést. Az egyes szinapszis típusokból könnyebb nagy elemszámban mintát venni, legalábbis az anatómiai vizsgálatokhoz. A replika kísérleteknél könnyebbséget jelentett például, hogy az O-LM sejtekre menő szinapszisok nem szétszórva, hanem a stratum oriens egy részében koncentrálódnak.
HN
- Ugyanez a praktikus oldala a CA1-nek megvan a tomogrammok készítésénél is, ahol akár csak a replikánál, random mintát veszünk a serkentő bemenetekből. Annyi a különbség, hogy a cél sejt az in vitro elvezetéssel (és feltöltéssel) azonositott.
- Említettetek különféle kísérleti eljárásokat, melyekről az intézetben mindenki tudja, hogy elméleti tudás mellett nagy gyakorlatot és kézügyességet is igényelnek. Ki milyen típusú kísérletet végzett, a négy elsőszerzőnek mi volt a legnagyobb kihívás, szükség volt-e valamilyen módszerfejlesztésre
LA
- Négy megosztott elsőszerzője lett a cikknek, ami nem annyira szokványos, de ez is arra utal, hogy ez valóban csapatmunka volt, egyaránt fontos hozzájárulásokkal.
Tehetséges PhD hallgatónk, Mohammad Aldahabi végezte a fiziológiai és farmakológiai kísérleteket a piramissejt - O-LM sejtpárokon. Ő most megérdemelt szabadságát tölti Jordániában a családjával, de elutazása előtt még a KOKI napokon is sikeresen prezentálta az eredményeket. Bálint Flóra végezte ugyanezeket a méréseket piramissejtek és parvalbumint expresszáló interneuronok közötti kapcsolatokban. Flóra most épp otthon babázik, de szerencsére nemrég azért együtt ünnepelhettük vele a cikk sikerét. Noémi csinálta a piramissejt axonokban az összes kálciumszint mérést és a dokkolt vezikulák tomográfiás vizsgálatát. Én pedig a kálciumcsatornák és a dokkolt vezikulák helyét jelző Munc13-1 molekulák intraszinaptikus (szinapszison belüli) eloszlását vizsgáltam fagyasztva tört replikákon.
Zoli írta a kéziratot, és mindent kézben tartott és összefogott, ahogy szokta.
- Irigylésreméltó technikai arzenál és módszer-jártasság áll rendelkezésetekre, de mindig szükség lehet valami fejlesztésre, módosításra. Volt-e ilyesmire most szükség?
LA
- Bár módszerfejlesztésre most nem volt szükség, a meglévő technikai repertoárral dolgoztunk, de szerintem így is mindenkinek megvolt a saját kihívása. Nekem személy szerint ez a képanalízishez kapcsolódik. Az aranyszemcsék eloszlásának korábbi analíziséhez egy laboron belül Pythonban megírt programot használtunk. Most viszont minden előzetes ismeret nélkül MATLAB kódokkal kellett dolgoznom, amit Maria Reva, aki szintén szerző a cikken, bocsátott a rendelkezésünkre. Szerencsére sikerült idővel nemcsak használnom a kódokat, de a saját kérdéseinkhez adaptálni őket!
HN
- Annyit tennék hozzá, hogy az in vitro páros elvezetések egy részéhez az úgynevezett „perforált patch” technikára volt szükség, mely bár ismert, de igen nehezen kivitelezhető technika. Nagy ügyességet igényel, és laborunkban Mohammad valósította meg először. További kihívás volt a [Ca2+] tranziens méréseket összekapcsolni a farmakológiával, mert az ismetelt 2foton lézeres mérésekre (szkennelésekre) az axonon lévő boutonok kifejezetten érzékenyek, nagyon könnyű őket tönkretenni.
A bírálati folyamatban Andival kaptunk egy közös kihívást is. Azt kérték tőlünk, hogy bizonyítsuk be, a tomográfiához alkalmazott fixálás (a szövet kémiai reagenssel történő kezelése) és a beágyazás megőrzi-e a szinaptikus hólyagok natív (természetes) eloszlását. A választ úgy tudtuk megadni, hogy kombináltuk a tomográfiás előkészítést a natív szerkezetet bizonyítottan megőrző nagy nyomású fagyasztással. A kapott eredmény alapján arra a következtetésre jutottunk, hogy az általunk használt immerziós fixálási eljárás is megőrzi a szinaptikus hólyagok eredeti eloszlását.
- A kérdéshez nem kell nagy fantázia, a válaszhoz annál inkább. Hogyan folytatjátok tovább a vizsgálatokat, milyen kísérletek következnek?
LA
- Mohammad és Zoli egy izgalmas együttműködés keretében a Nobel díjas Erwin Neherrel fogják tovább boncolgatni a cikkben leírt kapcsolatokban a priming-ban megfigyelt különbségek hátterét.
Más téren is maradunk a szinapszisoknál. Szeretnénk jobban megismerni további kulcsfontosságú pre- és posztszinaptikus molekulák intraszinaptikus elrendeződését nanométeres precízitással. Ehhez főként a szuperrezolúciós STED mikroszkópiás eljárást alkalmazzuk majd.
Terveink között szerepel az is, hogy vizsgálatainkat egészséges és patológiás humán szövetre is kiterjesszük.
HN
- Mivel a cikkben nem került sor arra, hogy feltárjuk, milyen eddig meg ismeretlen molekuláris mechanizmus szabályozza a vezikulák érési folyamatában felismert különbségeket, én ebben az irányban folytatom.
