Az optogenetika egyértelműen az utóbbi évek legizgalmasabb módszertani áttörése az idegtudományban. A technika lehetővé teszi, hogy az idegkutatók páratlan térbeli és időbeli pontossággal, lézerek segítségével mesterségesen befolyásolják különböző idegsejtcsoportok működését. Már most is számos fontos eredmény köthető az optogenetikához és rengeteg munkacsoport dolgozik további vizsgálatokon. Egy új eredmény azonban fokozott elővigyázatosságra inti a kutatókat: úgy tűnik, a lézerek nem csak a szándékolt módon képesek befolyásolni az idegsejtek működését, hanem az agyszövet hevítése révén is.

mouse_optog — Egy egér, fején kék fényt kibocsájtó optikai szállal (Forrás: Olena Bulako).

Mi is az az optogenetika?

Az idegsejtek működésének lényege, hogy a sejt belseje és a külső tér ioneloszlása között állandó különbséget tartanak fenn, amely pillanatszerűen kiegyenlítődhet különböző ingerek hatására, ioncsatornák megnyílása által. Ez a jelenség az akciós potenciál, a jel, ami idegsejtről idegsejtre haladva valamiképp létrehozza az érzékelést, emlékezetet, érzelmeket és minden más agyműködéshez köthető jelenséget. Az optogenetika tulajdonképpen az ioneloszlás mesterséges megváltoztatását teszi lehetővé, méghozzá adott hullámhosszú fény hatására megnyíló ioncsatornák segítségével, vagyis végsősoron a „jelképzés” valószínűségét és sűrűségét növeli vagy éppen csökkenti, az ioncsatornák természetétől függően.

Ezek az ioncsatornák eredetileg különböző baktériumoktól származó fehérjék, a bakteriális opszinok. Sokféle feladatot láthatnak el, például az anyagcserében játszhatnak alapvető szerepet, vagy mondjuk elősegíthetik, hogy az élőlény a megfelelő vízmélységben maradjon. Ami mindegyikben közös, hogy egy bizonyos hullámhosszú fény olyan szerkezeti változást idéz elő bennük, ami a részüket képző ioncsatornát kinyitja, amin így a koncentrációkülönbségnek megfelelően haladhatnak át az ionok. Bizonyos géntechnológiai módszerek lehetővé teszik, hogy az opszinokat kódoló géneket akár emlősállatokba juttassák, ahol aztán a génkifejeződés mechanizmusai révén létrejönnek a fényérzékeny ioncsatornák és a sejtmembránba kerülnek. Ha egy adott sejtcsoport rendelkezik olyan génekkel, amelyeket csak ezek a sejtek fejeznek ki nagy mennyiségben (például egy ingerületátvivő előállításához szükséges enzim, amelyet csak egy adott sejtcsoport fejez ki), akkor ennek közvetlen közelébe illesztve a fényérzékeny ioncsatorna génjét, csak ezek fogják kifejezni az opszinokat és a megvilágítás csak ezekre az idegsejtekre fog hatni.

A fényérzékeny ioncsatornák természetes változatosságából adódóan többféleképp befolyásolható az idegsejtek működése. Például a nátriumcsatornát tartalmazó opszinok serkentik az idegsejteket, vagyis fokozzák az akciós potenciál létrehozásának valószínűségét, növelik az egységnyi idő alatt létrehozott akciós potenciálok számát, a tüzelési frekvenciát. Ezzel szemben a kloridionokat áteresztő csatornák épp az ellenkező hatást váltják ki, vagyis gátolják az akciós potenciál kialakulását, csökkentik a tüzelési frekvenciát. A módszer tehát azért lett az idegtudomány egyik legfontosabb eszköze, mert jól körülhatárolt idegsejtcsoportok működésének pontos befolyásolását teszi lehetővé, amivel miáltal alaposabban megismerhetjük a sejtek funkcióit is.

optog — Az opszinok két képviselője: balra (ChR) egy nátriumcsatornát tartalmazó, kék fényre érzékeny, jobbra (HR) egy kloridcsatornát tartalmazó, narancssárga fényre érzékeny opszin (Forrás: Fenno, Yizhar és Deisseroth, 2011 – *Annual Review of Neuroscience*).

Már a módszer megjelenésekor felmerült, hogy az ingerléshez alkalmazott lézerek felmelegíthetik az agyszövetet, aminek akár az idegsejtek működésére is hatása lehet, de ezt a hatást többnyire elhanyagolhatónak gondolták a szakemberek. A Kaliforniai Egyetem kutatócsoportjának új kísérletsorozata szerint azonban az átlagos intenzitású lézer már jelentősen befolyásolhatja a neurális tevékenységet, sőt hatása akár a viselkedésben is megnyilvánulhat.

A lézer közvetett hatása

A kutatók olyan egerek agyába ültették be a fényszálakat, amelyek nem fejeztek ki bakteriális opszinokat, vagyis elméletileg a fényingerlés nem befolyásolhatta volna agyuk idegsejtjeinek működését. A fényszál mellett egy elektródákat is beültettek, amik a fényszálhoz közeli idegsejtek aktivitását monitorozták. A kutatók a csíkolt test háti részét vizsgálták, ugyanis az itt lévő közepes méretű tüskés neuronok aktivitásának egyoldali (féltekei) gátlása könnyen megfigyelhető viselkedéses jelenséget produkál: a szabad mozgás közben az adott oldalra irányuló fordulások túlsúlyát okozza.

Az első vizsgálat eredményei szerint a lézer jelentősen lecsökkentette a tüskés neuronok tüzelési rátáját, tehát mégis hatással volt az idegrendszer működésére. Ez azonban még nem bizonyítja minden kétséget kizáróan a hőközlés révén bekövetkező hatást, ugyanis elképzelhető (noha igen valószínűtlen), hogy a lézer a retina fényérzékeny sejtjeit ingerli és ez a hatás jelenik meg végső soron a csíkolt testben is. A kutatók ezért agyszeletekben is elvégezték a vizsgálatot, ahol ez a lehetőség már nem merül fel, de így is hasonló eredményt kaptak, vagyis a tüskés idegsejtek tüzelési frekvenciájának lecsökkenését tapasztalták.

A kutatók ezután a hőmérséklet megemelkedésének tényét akarták alátámasztani, ezért a lézer mellé hőmérőt ültettek a kísérleti egerek agyába. A fényingerlés valóban felmelegítette az agyszövetet, méghozzá átlagosan 2 °C-kal, ráadásul a hőmérsékletváltozás időbeli lefutása majdnem tökéletesen átfedett a tüzelési frekvencia változásának görbéjével is. Hogy az agyszövet felmelegedése és a tüzelési frekvencia lecsökkenése közti kapcsolat meglétét is minden kétséget kizáróan alátámasszák, a kutatók egy vizet tartalmazó rézszál segítségével melegítették a csíkolt testet. Az elektródák által regisztrált jel szerint a tüskés neuronok aktivitása, a lézeres megvilágításnál tapasztalthoz hasonlóan lecsökkent.

A következő lépésben a kutatók a hőmérséklet megnövekedése által kifejtett hatás mechanizmusát akarták pontosabban körvonalazni. A sejtek membránjának egy darabját mikropipetta hegyébe szívva, megfigyelték hogyan változik a melegítés hatására az ionok eloszlása a membrán két oldalán. Az adatok alapján sikerült azonosítani a hatás kiváltóját, egy a sejt belsejébe káliumionokat eresztő ioncsatornát. A méréseket olyan közegben is megismételték, melyben a káliumionokat céziumionokra cserélték. Ebben az esetben a melegítés hatására nem alakult ki ionkoncentráció változás, feltehetőleg azért, mert a nagyobb méretű céziumionok nem képesek áthaladni a káliumcsatornákon.

Így tehát kiderült, hogy a fényingerléshez használt lézerek képesek akár 2 °C-kal felmelegíteni az agyszövetet, ami hatással lehet az idegsejtek működésére is, méghozzá befelé-irányító káliumcsatornák nyitása révén. Az utolsó megválaszolandó kérdés az volt, hogy mindez kihathat-e a viselkedésre? Úgy tűnik, hogy igen: a csíkolt test egyoldali fényingerlése éber, szabadon mozgó állatokban megnövelte a megvilágított félteke oldalára indított fordulások számát.

expsum — Az eredmények dióhéjban: a fényingerlés által kiváltott felmelegedés hatással lehet az idegsejtek működésére és ez a hatás akár a viselkedés szintjén is megnyilvánulhat (Forrás: Pinto és Lammel, 2019 – *Nature Neuroscience*).

Hogyan tovább?

Ez az alapos kísérletsorozat tehát rávilágított arra, hogy a fényingerlés valóban képes a szövet melegítése révén befolyásolni az idegi tevékenységet. Ez természetesen nem előnyös a kísérletezők számára, hiszen így nem feltétlenül csak a célzott idegsejtek befolyásolásának hatásait figyelik meg egy-egy kísérlet során, ami megnehezíti az értelmezést. Mindez persze nem jelenti azt, hogy az idegtudomány aktuális nagyágyúját félre kellene dobni, pusztán csak körültekintőbb módon kell bevetni a jövőben, külön figyelmet szentelve a hőközlés hatásainak.

Ez az írás az Élet és Tudomány 2019/37. számában jelent meg.