Villámot szóró interneuronok

A népszerűség, ismertség már régen is fontos volt sokak számára, az internet megjelenése óta pedig mintha az emberi létezés egyik alapfeltételének számítana. Ha nem vagy fent az interneten, nem is létezel, viccelődnek néhányan. Az ismertséget lájkokkal mérik, ami csak idő kérdése, mikor kerül nyolcadik alapmennyiségként a Mértékegységek Nemzetközi Rendszerébe (SI), a népszerűségnek azonban vannak más mutatói is. 

Itt van például Einstein, a világ egyik legismertebb és legelismertebb tudósa. Nem csak a relativitáselméletet társítják viszonylag sokan a nevéhez, hanem a róla szóló történetek, adomák, nevezetes fotók is hozzájárulnak az ismertségéhez. Ki látott már Marie Curie – őt is illik ismerni – idézetet bevásárlóközpont üzletének falán? Einstein idézetet azonban magam is olvastam már: „Mindenki tudja, hogy bizonyos dolgokat nem lehet megvalósítani, mígnem jön valaki, aki erről nem tud, és megvalósítja. “

Amióta világ a világ, mindig voltak, akik nem azzal törődtek, mi az éppen általános vélekedés, és ha szükségük volt valamire, ami még nem volt, kitalálták, megalkották. Az  olyan egyszerű dolgok is, mint az emelő, csiga, vagy a már bonyolultabb távcső, mikroszkóp, ingaóra – és ha már Einsteint említettük -a  hűtőszekrény is emlékeztethet arra, mennyit köszönhetünk azoknak, akik a bevált, kitaposott utak helyett újakat kerestek és találtak.

Ma is vannak, a számtalan kísérleti eszközt gyártó cég ellenére is, akik maguk állnak neki kísérleti eszközeik megalkotásának, mivel ők tudják a legjobban, mire van szükségük. Így tesznek Rózsa Balázsék is. Sokszor nem sikerül elsőre, gyorsan se megy mindig, de végül meglesz, amit akarnak. 

Egy „lehetetlen” projektbe kezdtek még úgy 2016 körül. 

Rózsa Balázs erre így emlékszik: „Akkor még, ha síkban történő (2D) mérésekkel, klasszikus lézer pásztázó mikroszkópiával el is kaptak a kutatók egy-egy felvillanást a memóriaközpont sejtjeiben, ezek a villámlások túl gyorsak voltak a kereskedelmi forgalomban kapható mikroszkópok számára. 

Kettős célom volt azzal, hogy megszerveztem a Háromdimenziós neuronhálózat és dendritikus aktivitás kutatócsoportot. Az egyik, hogy az addigi módszerek sebességéhez képest több nagyságrenddel gyorsabban, és térben is tudjuk mérni az „aktivitásvillám” teljes, faágszerű szerkezetét, a másik, hogy Magyarországon elsőként, ezeket a két-foton méréseket in vivo körülmények között, azaz élő állaton is képesek legyünk elvégezni. Már akkor feltételezhető volt ugyanis, hogy az élő állatok agya teljesen máshogy működik, amikor komplex, regeneratív, tehát a nyúlványokon terjedő aktivitás mintázatról van szó, mint amit addig in vitro, agyszelet preparátumokon lehetett kimutatni. 

A célkitűzés megvalósításához egy multidiszciplináris, sokféle háttérrel rendelkező, biológusokból, mérnökökből, fizikusokból, matematikusokból álló csapatra volt szükség.”

Emellett pedig nagyon sok munkára és számtalan fejlesztésre is. A feladatok mennyiségét és sokféleségét az is jelzi, hogy öten is - Judák Linda, Chiovini Balázs, Juhász Gábor, Roska Botond, Rózsa Balázs - egyenrangú szerzőtársként szerepelnek a 2022 novemberében megjelent Nature Communications közleményben.

Közülük Judák Linda vállalkozott arra, hogy megismertet minket az idáig vezető hosszú út néhány fontos eseményével.

- Alapkérdésünk az volt, hogyan képesek a hippokampusz sejtjei és azok nyúlványai integrálni a ráérkező információt, és hogyan megy végbe a rövidtávú memória sejtszintű kódolása.

- Ennek az „aprócska” kérdésnek a megválaszolásával igen sokan igen sok időt eltöltöttek már!

 - Valóban hatalmas kérdés, ráadásul sokáig csak agyszeleteken, in vitro lehetett vizsgálódni. Kezdetben Chiovini Balázs és Pálfi Dénes végezték ezeket a kísérletsorozatokat, és ebből született meg 2014-es Neuron cikkünk, ami most megjelent publikációnk alapját képezi. Ezen cikk megjelenése után lett önálló csoport a Rózsa labor addig csak hippokampusz-csapatnak vagy SPW*-csapatnak hívott laborrésze. (*SPW ill. SPW-R, sharp waves and ripples (éleshullámok és fodrozódások): az emlősök hippokampuszában az idegsejtek szigorúan szinkronizált aktivitása által létrehozott oszcillációs minták)

- Mi a feladatotok?

Amellett, hogy a hippokampális éleshullámok alatt megjelenő szomatikus és dendritikus jelenségekkel foglalkozunk, részt veszünk a mikroszkóp, valamint az in vitro és in vivo technikák fejlesztésében is. Ez utóbbiba tartozik például a serkentő és gátló idegi jelátvivőanyagokat, más néven neurotranszmittereket hordozó kémiai „ketrecmolekulák” fejlesztése.

Az pedig kezdettől elvárás volt, hogy kiterjesszük a hippokampális kutatásokat in vivo kísérletekre is. 

- Hihetetlenül sok és sokféle feladat! Kik kezdték az in vivo fejlesztéseket?

- Mivel ekkorra már tekintélyes in vivo tapasztalattal bírtam, Juhász Gáborral együtt mi indítottunk el. Én a mélyagyi adapter (deep brain adapter) finomításán dolgoztam, Gábor az ipszilaterálisan (azonos oldali) elhelyezkedő, LFP* elektródák gyártását tökéletesítette. (*LFP (local field potencial) helyi mezőpotenciál, az ideghálózatokban az információ dinamikus áramlására jellemző agyi aktivitás mérőszáma.) 

Így valósult meg nagy álmunk, azonos oldalról képalkotás és LFP elvezetés. Ez igen nagy előrelépés volt, hiszen eddig az irodalomban ilyet még nem mutattak! 

Katona Gergely és Szalay Gergely eközben a 3D két-foton mikroszkóp fejlesztésén dolgozott, így a méréseket egyre jobb technikai támogatással, több eredményt kapva végezhettük. Volt már 2D és 3D két-foton mikroszkópunk, és Ócsai Katalin munkájának eredményeként mozgáskorrekciót is tudtunk alkalmazni. 

- A nagyszámú kísérletben az állatokat injektálni, műteni, tréningezni kellett, a méréseket elvégezni és kiértékelni. Ez kire-kikre hárult?

- A három első szerzőre! Az eredmények analízisének alapjait Chiovini Balázzsal és Juhász Gáborral együtt dolgoztuk ki. A populációs aktivitás kiértékelését én végeztem, az egy-sejt aktivitásmintázatainak analízisét Balázs. Sajnos az egyedi események kiértékelését nem lehetett automatizálni, ebben Szmola Benedek segített.

-  Nem adták könnyen azt az elsőszerzőséget! Mi lett az eredmény, a válasz?

- Bár már in vivo is mértünk, továbbra sem tudtuk meg, hogyan képes a parvalabumint kifejező (PV) interneuron a nyúlványaira érkező sokféle információt összegezni. Ráadásul in vitro kísérletekben is mértünk meglepő és érdekes eseményeket. 

- Éspedig?

- Az egyik érdekesség az volt, hogy míg a PV idegsejtek apikális nyúlványai az SPW-R alatt aktívak voltak, a bazális nyúlványok nem, így ezeken nem tudtunk mérni. Azt gondoltuk, ennek oka maga a preparátum, de feltételezésünket bizonyítani kellett. 

Az is kérdés maradt, hogy a PV neuronok képesek-e egyáltalán regeneratív aktivitás létrehozására, vagyis, hogy kialakulhatnak-e kalcium csúcsok (spike) a nyúlványokon. Ehhez in vivo mérésekre volt szükség, melyekkel sikerült is bizonyítani, hogy a PV idegsejtek nyúlványai igenis képesek „aktív” állapotba kerülni. 

- Hogyan tudtátok ezt technikailag megoldani?

- Azon túlmenően, hogy alkalmazkodnunk kellett a folyamatosan fejlődő 3D két-foton mikroszkópos eljárások napi szintű változtatásaihoz, fejlesztenünk kellett az in vivo műtéti és mérései technikánkat is.

- Pontosan mi is volt itt a feladat?

-  A mélyen elhelyezkedő hippokampális PV interneuronok vékony nyúlványait nagy térfogatban mérni, és megoldani, hogy a szimultán LFP elvezetés minél közelebb legyen a kalcium aktivitás rögzítésének helyéhez.

- Kérek egy kis magyarázatot ehhez a túlságosan is egyszerűen hangzó mondathoz!

- Nem egy pontból vezettünk el kalcium jeleket a PV neuronokból, hanem lemértük végig az egész nyúlványhálózatot. Ez több száz, esetenként ezer pont szimultán mérését jelenti. Emellett ezt az irgalmatlanul nagy adatbázist értelmezhető formába kellett rendezzük, hogy kiértékelhessük. Megoldottuk.

- Ezzel minden rendben is lett?

- Korántsem! Kezdetben sem mozgáskorrekció, sem automata kijelölő rendszer nem volt. Miután megtaláltuk az aktív sejteket, fel kellett térképezni a nyúlványhálózatát, majd a nyúlványai mentén kirakni a „mérőszalagokat”. Eközben a mérési frekvencia nem eshetett egy bizonyos szint alá. Ez egy meglehetősen időigényes feladat volt. Ráadásul, ha kiderült, hogy eközben a sejt és az azt körülvevő szövet elmozdult, kezdhettük az egészet előröl!
És el ne felejtsük, hogy az egész kísérlethez jól tréningezett állatokra volt szükség.

- Megérte ez a fáradságos, sok újrakezdést, kitartást, ügyességet és még ki tudja mi mindent kívánó munka?

-  Meg. Ha minden összeállt, az eredmény csodálatos volt! Elénk tárult a sejt teljes bazális nyúlványhálózata, és nézhettük, ahogy villámokat szór. Ezzel be is bizonyítottuk, hogy a hippokampális PV interneuronok bazális nyúlványai igenis aktívak lehetnek SPW-R alatt.

Még soha senki sem látta és mérte meg a hippokampális PV sejtek nyúlványszintű aktivitásmintázatait éber állatban! Láttuk, hová érkeznek az információcsomagok és hogyan terjednek szét a nyúlvány mentén. Széles spektrumú analízisünkkel sikerült a jeleket validálni és rendszerezni. Láttuk, hogy a nyúlványok jelei SPW-R függőek és az éleshullámok mentén jól kategorizálhatók. A hab a tortán az volt, hogy felfedeztünk egy addig még sehol be nem mutatott jelösszegező mechanizmust PV interneuronok vékony nyúlványain.

- Lelkesedésetek tökéletesen érthető és mindnyájan megérdemeltétek ezt a jutalmat, ahogy a gratulációt is a cikkhez. Mert nagyon jó dolog egy Nature Communications cikk akárhányadik szerzőjének is lenni, de egy kutató számára a felfedezés pillanata jelenti a legtöbbet.

Mi volt ez a váratlan felfedezés?

- Az irodalomból ismertük az úgynevezett „SPW-R dupleteket”. Már jelentőségüket is pedzegetni kezdték, de mi fel tudtuk tárni ezeknek az SWP-dupleteknek nyúlvány szintű mechanizmusait is!!

- Mi a szerepük és fontosságuk?

Ezek a dupletek egy időkaput képesek megnyitni, ami a különböző információcsomagok egymáshoz kötődését segíti. Sikerült kimutatnunk, hogy a PV interneuron nyúlványa képes információt kódolni, összegezni. Ez minden korábbi eredményt felülmúlt, hiszen eddig senki sem gondolta volna, hogy a PV neuronok hasonlóan bonyolult és fontos jelösszegező mechanizmusokat képesek nyúlványszinten produkálni, mint a piramissejtek.

- Egy ilyen jelentős felfedezés esetében a kézirat elfogadása remélhetőleg csak az elfogadás mikéntje volt kérdés!

-  A bírálatok ugyan nagyon kedvezőek voltak, a kézirat elfogadása mégis hosszú időt vett igénybe. Ezt a szerkesztő előre jelezte is, és a járványhelyzet okozta nehézségekkel magyarázta. A bírálókkal való levelezés-párbeszéd is elhúzódott, mert rengeteg feladatot kaptunk. Ezt utólag nem bánjuk, sőt, hálásak is vagyunk a tanácsokért, mert így érthetőbb és követhetőbb lett a kézirat.

- Megjelent a cikk, de a kutatás folyik tovább. Hogyan?

- Az a szándékunk, hogy éber, viselkedő állatokban végig követjük a teljes tanulási sor mentén megjelenő populációs és nyúlványszintű folyamatokat, és reméljük, az eredmények jelentősen hozzájárulnak majd memóriafolyamatok jobb megértéséhez.