A Losonczy Attila (UT Southwestern Medical Center) és a Rózsa Balázs (BrainVisionCenter; HUN-REN Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet) által vezetett kutatócsoportok olyan úttörő mérési eljárást fejlesztettek ki, amely lehetővé teszi az idegsejtek és sejtnyúlványaik elektromos aktivitásának nagy sebességű, feszültségszenzorokon alapuló, háromdimenziós optikai mérését, nagy térbeli felbontással és kiterjedt mérési térfogatokban, akár mozgó, viselkedő állatok agyában is – olvasható a BrainvisionCenter friss közleményében.

A korábbi elektródás eljárásokkal szemben az új optikai technológia amellett, hogy lehetővé teszi az egyes sejtek, sejtnyúlványok nagy térbeli pontosságú célzását és elektromos aktivitásának háromdimenzióban történő mérését, az elektromos aktivitást nem csupán perceken keresztül, hanem akár hónapokon át is kiváló minőségben tudja regisztrálni.

Az eljárás segítségével a kutatók régóta vitatott idegtudományi kérdésekre szolgáltattak közvetlen kísérleti bizonyítékokat, és új modellt javasoltak a memória és a tanulás sejtszintű működésére.

Többet tudnak a dendritek, mint gondoltuk

A kutatás azt vizsgálta, miként működnek élő egerekben az agy egyik fontos memóriaközpontja, a hippokampusz CA3 régiójának idegsejtjei és azok dendritjei (sejtnyúlványai). Az idegsejteket sokáig „viszonylag egyszerű” jelfeldolgozó egységekként képzelték el, az elmúlt másfél évtized egyik meghatározó felismerése azonban az volt, hogy a dendritek nem passzív vezetékek, hanem aktív, részben önálló információfeldolgozó egységek. A kutatók Science-ben megjelent közleménye ezt a szemléletet fejlesztette tovább.

A vizsgálatok bizonyították, hogy a dendritek egyszerre képesek önállóan működni és szorosan együttműködni a sejttesttel.

E kapcsolat a viselkedési helyzettől függően folyamatosan átrendeződik: a dendritek egyes helyzetekben szorosan kapcsolódnak a sejttest aktivitásához, máskor átmenetileg leválnak róla, és önállóan reprezentálják a térbeli helyzetet, a jutalom helyét vagy a környezet kontextusát. Ugyanazon idegsejt különböző dendritjei tehát eltérő információkat dolgozhatnak fel, időben dinamikusan változó szabályok szerint.

Az idegsejt így nem egyszerű kapcsolóként, hanem összetett „számítógépként” működik: dendritjei párhuzamosan őrizhetnek múltbeli emlékeket, dolgozhatják fel a jelenlegi környezet információit, és készíthetik elő a jövőbeli tanulási folyamatokat. A dendritek aktivitása gyakran már előre jelezte, hogy a sejttest néhány másodperccel később miként fog működni.

Mintha alprocesszorok hálózata lenne

A kutatás legfontosabb eredménye, hogy egyetlen CA3 piramissejt dendritfája párhuzamosan képes múltbeli, jelenlegi és várható jövőbeli reprezentációk feldolgozására és részleges megőrzésére. A neuron ezért nem pusztán egyetlen összegző egységként működik, hanem rugalmasan összekapcsolódó dendritikus „alprocesszorok” hálózataként – összegeznek a kutatók.

A nemzetközi kollaborációs projekt a magas szintű szoftverfejlesztés, az elektronikai és optikai mérnöki innováció, a lézerfizika, valamint a modern géntechnológia összekapcsolásával valósult meg, annak érdekében, hogy az alapkutatás transzlációs szempontból is jelentős kérdéseit új mélységben értsék meg.

Az alapkutatási jellegű eredmények hosszabb távon hozzájárulhatnak több neurológiai betegség pontosabb megértéséhez, diagnosztikájához és kezeléséhez. Mivel az Alzheimer-kór korai szakaszában gyakran érintett a hippokampusz működése, a dendritikus információfeldolgozás feltérképezése új terápiás célpontokat tárhat fel a memóriaromlás lassítására, vagy a tanulási folyamatok támogatására. A vizsgált CA3 régió emellett számos epilepsziás folyamat kialakulásában és terjedésében is fontos szerepet játszik, így a felfedezés lehetőséget teremthet a kóros hálózati aktivitás célzottabb befolyásolására is.

Az eredmények az orvostudományon kívül a mesterséges intelligencia kutatásában is inspirációt nyújthatnak olyan új modellek fejlesztéséhez, amelyek nem egyetlen központi feldolgozóegységre, hanem párhuzamosan működő, dinamikusan összekapcsolódó alrendszerekre épülnek.

A kutatás részleteit bemutató tanulmányokat a Science júliusi, valamint a vezető idegtudományi szaklap, a Neuron áprilisi számában publikálták.

(Forrás: MTI, fotók: Unsplash, illusztráció)