A kísérleti állatok viselkedése központi jelentőségű az idegtudományban, hiszen az idegrendszer legfontosabb feladata a viselkedés létrehozása. A viselkedés mérésére rendelkezésre álló módszerek azonban vagy csak a viselkedés egy apró szeletéről szolgálnak információval, vagy túl elnagyoltan írják le a magatartást. Egy új technika ezt a hiányosságot igyekszik pótolni az idegtudomány módszertani arzenáljában, és az első eredmények igen bíztatóak.

Viselkedés az idegtudományban

Az idegrendszer nélkülözhetetlen az összehangolt mozgás létrehozásához a többsejtű állatoknál, talán nem is túlzás azt állítani, hogy ez az idegrendszer legalapvetőbb feladata. A csalánozók helyváltoztató mozgása például az ernyőjük összehúzásán múlik, amelyet az tesz lehetővé, hogy az ernyő falában lévő izmokat az idegrendszer egyidejűleg kényszeríti összehúzódásra. Talán a zsákállatok szemléltetik legjobban az idegrendszer létének okát. Ezek az állatok a lárvaként kezdik az életüket, ekkor még szabadon úszva keresnek maguknak egy megfelelő helyet, ehhez pedig szükségük van a test középvonalában elhelyezkedő idegrendszerükre. A felnőtté válás során azonban az idegrendszerük felszívódik, mivel a kifejlett állat helyhez kötött életmódot folytat a tenger fenekén.

Az idegrendszer legfőbb feladata tehát a test mozgatása, vagyis a viselkedés létrehozása. Az idegrendszer működése így tulajdonképpen a viselkedés tükrében értelmezhető, vagyis központi jelentőségű az agykutatásban. A viselkedés vizsgálata sokszor valamilyen konkrét feladat segítségével történik. Az emlékezeti folyamatok vizsgálatához például félelmi kondicionálást használnak a kutatók. A rágcsálók ekkor egy ketrecben rendre áramütést kapnak, egy idő után pedig már rögtön a ketrecbe helyezésükkor megdermednek az állatok, a kutatók a megdermedés időtartamából következtetnek az emlék élénkségére. Az efféle teszteken azonban csak a teljes viselkedés egy apró részlete vizsgálható, ami nem feltétlenül gond, hiszen, ha jól van megtervezve egy kísérlet, akkor ez éppen elég, de vannak olyan esetek is, amikor fontos lenne általános képet kapni a viselkedésről. Ilyen eset például a gyógyszerhatások vizsgálata, hiszen ilyenkor minden apró változás egy fontos mellékhatásra utalhat.

Az utóbbi időben számos módszer jelent meg, amelyek a kísérleti állatok viselkedésének feladattól független követését tették lehetővé. Ezeknek a lényege az, hogy a kísérleti állatokat szabadon hagyják egy ketrecben, és közben egy videokamerával rögzítik a mozdulataikat. A felvételeket ráadásul olyan algoritmusok elemzik, melyek képesek automatikusan azonosítani a kísérleti állatot a képeken és kiszámolni, hogy például mekkora utat, és milyen gyorsan járt be az állat a megfigyelés alatt. Ez a módszer is sokféle gyógyszer hatásának egyértelmű azonosítását teszi lehetővé, de a szakértők szerint azért hagy még kívánnivalót maga után.

MoSeq: a magatartás szekvenálása

Az állatok háborítatlan viselkedésének videokamerás megfigyelését fejlesztette tovább az amerikai Harvard Egyetem egyik kutatócsoportja. Először 2015-ben publikálták módszerüket, amit MoSeq-nek neveznek. A név a „motion sequencing” kifejezésből adódik, amely a mozdulatok egymásutániságának feltérképezésére utal. Ez a módszer is a kísérleti állatok viselkedésének rögzítéséből indul ki, a fejlesztés lényege a felvételek elemző algoritmusban van. Egy ún. autoregresszív rejtett Markov modell dolgozza fel az adatokat, amely nagyjából fél másodperces szakaszokra bontja a felvételeket, olyan szakaszokra, melyek viszonylag sokszor ismétlődnek. A kutatók meglátása szerint ez a módszer tulajdonképpen feleleveníti az etológia egyik alapgondolatát, miszerint az állati viselkedés viselkedéselemekből épül fel. A MoSeq éppen az ilyen viselkedéselemeket fedezi fel a nagy mennyiségű adatban, aztán pedig ezen kategóriák segítségével írja le az állat viselkedését, vagyis jelöli, hogy a felvételen mikor milyen viselkedéselemet produkál a kísérleti állat. A kutatók legújabb vizsgálatukban egy tekintélyes adatbázist hoztak létre a MoSeq által analizált felvételekből, hogy megtudják alkalmas-e a módszer a pszichoaktív, vagyis a viselkedést jelentősen befolyásoló vegyületek hatásainak pontos felmérésére.

A kutatók több mint 700 egér viselkedését rögzítették 20 percen keresztül, miután azok valamilyen pszichoaktív szert vagy placebot kaptak. Az egerek egy része például haloperidolt kapott, ami egy antipszichotikum, vagyis az olyan pszichiátriai zavarok kezelésére használják, mint például a szkizofrénia. Más állatok metilfenidátot kaptak, ami egy stimuláns. Ezen gyógyszerek hatásai pusztán az állatok helyváltoztató mozgásának követésével is jól felismerhetők: a haloperidol hatására az egerek lassabban közlekednek és gyakrabban állnak meg, míg a metilfenidát hatására gyorsul a mozgás. A MoSeq által létrehozott adatsorokat nem lehet ilyen egyszerűen értelmezni, ám a rendszer ettől függetlenül könnyedén tudta egy kategóriába sorolni a viselkedés alapján azokat az állatokat, melyek haloperidolt vagy metilfenidátot kaptak. A MoSeq ezen felül arra is alkalmas volt, hogy a hasonló hatású anyagokat is elkülönítse egymástól az állatok viselkedése alapján, tehát a klórpromazin nevű antipszichotikumot például meg tudta különböztetni a haloperidoltól, ami a már pusztán a helyváltoztató mozgás elemzésével nem működött volna.

A MoSeq által létrehozott szekvenciákban a viselkedést különböző viselkedéselemekre bontva láthatjuk (a különböző színek, különböző viselkedéselemeket jeleznek, a jobb fölső sarokban a viselkedéselemek eloszlása látható) (Forrás: Kennedy, 2020 – Nature Neuroscience).

A kutatók egy olyan egértörzset is vizsgáltak, mely a CNTNAP2 gén mutáns változatát hordozzák. Ezek az állatok hiperaktívak, viselkedésük repetitív, vagyis sokszor ismételnek egy-egy mozdulatot. A MoSeq összesen 16 viselkedéselem esetében mutatott ki eltérést a mutáns egértörzs tagjainál a normális állatok viselkedéséhez képest. Ezután a kutatók azt is megvizsgálták, hogy milyen hatással vannak az állatokra a klinikai gyakorlatban a hiperaktivitás kezelésére használt gyógyszerek. Az eredményekből például kiderült, hogy a gyakrabban alkalmazott riszperidon nevű vegyület ugyan visszaállítja mind a 16 megváltozott gyakoriságú viselkedéselemet a normális szint közelébe, de számos másik viselkedéselemre is hatással van. Ezzel szemben a ritkábban használt szulpirid ugyanúgy normalizálja az állatok viselkedését a 16 kritikus elem mentén, ráadásul jóval kevesebb mellékhatással teszi ezt.

A MoSeq módszer tehát alkalmas arra, hogy a viselkedés alapján jól körülhatárolja még az egyébként hasonló hatású vegyületeket is. Ha megfelelően nagy adatbázist hoznak létre ilyen adatokból, az akár már arra is alkalmas lehet, hogy pusztán a viselkedéses hatások alapján pontos következtetéseket vonhassunk le egy új szer hatásmechanizmusával kapcsolatban. A szakértők abban bíznak, hogy a módszer forradalmasíthatja a pszichoaktív szerek kutatását, hiszen a segítségével jóval gyorsabban, jóval pontosabban lehet körvonalazni egy-egy új anyag viselkedésre gyakorolt hatásait. Az új publikációban arról is tanúbizonyságot tettek a kutatók, hogy a MoSeq akár a jelenlegi klinikai gyakorlat számára is hasznos információt nyújthat a meglévő gyógyszerekkel kapcsolatban, hiszen az eredmények alapján a riszperidontól talán jobb választás lehet a szulpirid bizonyos hiperaktivitással járó pszichiátriai zavarok esetén.

Az szintén bíztató, hogy a kutatók ezeket az eredményeket olyan felvételek segítségével érték el, amelyeken a kísérleti állatokat csupán 20 percen keresztül, egy üres ketrecben figyelték meg. Elképzelhető, hogy gazdagabb környezetben, vagy akár más egyedek társaságában, még pontosabb képet kaphatnak a kutatók az állatok magatartásáról és ezzel talán még jobban sikerülhet körvonalazni a pszichoaktív vegyületek hatásait. Az is fontos hozadéka a vizsgálatnak, hogy a nagy mennyiségű adatot szabadon hozzáférhetővé tették a kutatók, így ezt más kutatócsoportok is felhasználhatják. A MoSeq biztosan hozzá fog még járulni az idegtudomány további eredményeihez, és a publikáció arra is emlékeztet, hogy a viselkedés központi jelentőségű az agykutatásban.