Az agynak még a szabad szemmel kivehető részei is komplikált szervezettséget mutatnak, de a mikrostruktúra bonyolultsága még ezt is felülmúlja. A szabad szemmel is látható barázdák sejtek millióit rejtik, melyek maguk is elképesztően összetettek. A sejteket fehérjék sokasága építi fel, és ámulatba ejtő szervezettséggel találkozhatunk ezen a molekuláris szinten is. A legújabb technológiai fejlesztéseknek köszönhetően már erről a szerveződési szintről is egyre többet tudnak meg a kutatók.
Megérteni a mikrovilágot
Az agy összetettsége már az első anatómusok számára is nyilvánvaló volt, noha ők még az agy kamráit tartották funkcionális szempontból fontosabbnak. Ettől függetlenül már az ókorban is nagyságrendileg 10 különböző részét különítették el az agynak, az idő múlásával pedig a megkülönböztetett struktúrák száma is nőtt. A reneszánszban az egyre kisebb egységek száma egyre gyarapodott, és hamarosan a megjelent a mikroszkóp is, amivel már egy teljesen új világ tárult az anatómusok szeme elé.
A mikrovilág, a sejtszintű szerveződés feltárásáig azonban rögös út vezetett. Számos technológiai áttörés kellett ahhoz, hogy a XIX. században a kutatók már magabiztosan elkülöníthessenek néhány mikrométeres (1 mikrométer = 0.001 milliméter) struktúrákat is a mikroszkóppal. Az állati sejtek átlagos mérete néhány 10 mikrométer, tehát a kutatók ekkor már nem csak a sejteket magukat, hanem az őket felépítő sejtszervecskéket is megfigyelhették. Az idegszövettel kapcsolatban a legnagyobb kérdés azonban az volt, hogy vajon a mikroszkóp alatt látható kusza szövevény egyetlen összefüggő hálózatot alkot, vagy az idegszövet is különálló sejtekre osztható, mint minden más szövet. A kérdést Camillo Golgi festési eljárása segítségével sikerült eldönteni. Az „reazione nera” vagyis a „fekete reakció” megfestette az idegsejteket, pontosabban csak néhányat a sokaságból. Golgi eljárásának köszönhetően tisztán kivehetővé váltak az idegsejtek, így hamarosan általánosan elfogadottá vált, hogy az idegrendszer is sejtes felépítésű.
Az idegrendszer sejtszintű komplexitása ugyan még máig sem ismert minden részletében, de azt mondhatjuk, hogy a főbb szabályszerűségek már látszanak. Tudjuk, hogy az idegsejtek hálózatokba szerveződnek, nyúlványokon keresztül tartják egymással a kapcsolatot és már csak a kapcsolatrendszer kisebb részleteit fedi homály. Időközben azonban újabb szerveződési szintre bukkantak a biológusok. A sejtek maguk is összetett rendszerek, bonyolult szerves molekulák, főleg fehérjék alkotják. A fehérjék számtalan különböző feladatot látnak el a sejtben és a feladatuknak megfelelő sajátos elhelyezkedést, szerveződést mutatnak. Manapság ezt a bámulatos rendszert igyekeznek jobban megérteni a kutatók a mikroszkópjaik segítségével.
Bepillantás a nanovilágba
A neurobiológusok manapság már az egyes fehérjék szintjén, a nanométeres tartományban vizsgálódnak (1 nanométer = 0.001 mikrométer = 0.000001 milliméter). Ezt természetesen újabb technológiai áttörések tették lehetővé, melyek a korábbiakhoz hasonlóan a festési és a képalkotó eljárásokat érintették.
A modern festési eljárások a fluoreszcencia jelensége köré szerveződnek. A fluoreszcencia lényege, hogy az anyag a megvilágító fény energiáját elnyeli, majd maga sugározza ki, látható fény formájában. A sejteket felépítő anyagok általában nem fluoreszcensek, így például emberi szövetek vizsgálata során a fluoreszcencia csak a festéktől származhat. A fluoreszcens festékek anyagukat tekintve sokfélék lehetnek. Vannak úgynevezett nanopartikulák, amelyek többnyire valamilyen kristályt takarnak (pl. ólom-szulfid vagy akár gyémánt). Ezek egyelőre nem igazán elterjedtek a neurobiológiában, de a folyamatos technológiai fejlődésnek köszönhetően egyre több vizsgálatban használják őket. Szerves festékek is léteznek, melyek nagy előnye, hogy kémiai úton szabályozható a fluoreszcenciájuk, vagyis viszonylag pontosan szabályozható, hogy mikor képesek fényt visszasugározni és mikor nem. Ez a tulajdonságuk központi jelentőségű a képalkotás szempontjából, ahogy azt hamarosan látni fogjuk. A kalcium-imaging, vagyis a kalciumos képalkotás is használ szerves festékeket, ez az eljárás pedig az utóbbi évek egyik legfontosabb fejleménye az idegtudományban, hiszen lehetőséget ad az idegsejtek elektromos tevékenységének valós idejű vizualizációjára. A legfontosabb fluoreszcens festékek viszont maguk is fehérjék. A zöld fluoreszcens fehérje például az orvosi képalkotás üdvöskéje lett az ezredforduló után.
A fluoreszcens festékek ugyan jól kivehetők a mikroszkópos képeken, a fontos részletek feltárásához azonban a megfelelő helyre kell juttatni őket. Erre két stratégia használatos az idegtudományban. Az első, hogy olyan molekulákra helyezik a fluoreszcens festéket, ami nagy specificitással kötődik a célponthoz. Ilyenek például az antitestek, amiket az immunrendszer hoz létre egy specifikus molekularészlet felismerésére. Ezzel a megközelítéssel az a legfőbb probléma, hogy az antitest és a fluoreszcens festék molekulája többnyire már túlságosan nagy méretű ahhoz, hogy élő állatokban ne zavarják meg a normális életfolyamatokat, illetve, hogy például az idegsejtek nyúlványaiban rejlő fehérjestruktúrákat feltárják. A másik megközelítés az, hogy a fluoreszcens fehérje genetikai kódját juttatják be génmanipulációval az kísérleti állatba. Ezzel a módszerrel akár élő állatokban is megfigyelhető a jelölt fehérjék elhelyezkedése.
Mikroszkópos technikák
Ha a festék a megfelelő helyen van, már csak meg kell figyelni az általa kibocsájtott fényt. Ez persze nem is olyan egyszerű. Ernst Abbe, német fizikus, már a XIX. században felvázolta, hogy a fény terjedésének sajátosságai miatt az optikai mikroszkópokkal legfeljebb maximum fél mikrométeres pontokat lehet elkülöníteni egymástól. Abbe megállapítása ma is igaz, azonban azóta számos olyan eljárást fejlesztettek ki, amikkel lehetővé vált ennél is nagyobb felbontású képek készítése is. Ezeket összefoglaló néven szuperfelbontású technikáknak nevezik.
Ezek egy része azon alapul, hogy a festék maga csak néhány pillanatra válik fluoreszcenssé, tehát a korábban említett, kémiailag szabályozható szerves festékek szükségesek hozzá. A festék ritkás felvillanásaiból a fény szóródása alapján akár 15 nanométer pontossággal is kiszámítható a felvillanás helye. Ezt a módszert molekula lokalizációs mikroszkópiának nevezik (single molecule localization microscopy). Más eljárások azon alapulnak, hogy a megvilágítás, vagyis a gerjesztés helyét határozzák meg nagy pontossággal. Ennek egy módja a stimulált emisszió depléció, melynek lényege, hogy a gerjesztő megvilágítást egy másik sugárral együtt alkalmazzák, ami viszont kioltja a fluoreszcenciát, így végeredményben csak egy apró pontban éri olyan megvilágítás a szövetet, ami valóban fénykibocsájtást idézhet elő az ott lévő festékmolekulákból. Ezzel a módszerrel nagyjából 50 nm-es felbontás érthető el.
Új eszközök, új megfigyelések
Ezeket a módszerek egylőre főleg szövettani mintákon használják, de már vannak próbálkozások az élő szövetek vizsgálatára is. Nemrég például az ecetmuslica (Drosophila melanogaster) idegsejtjeinek nanotartományba eső szerveződését vizsgálták a kutatók, egy új képalkotó módszer és egy már elterjedten használt stratégia ötvözésével.
Az új eljárásoknak köszönhetően sikerült például feltárni a szinapszisok szerveződésének egy eddig ismeretlen elemét, a nanooszlopokat. A nanooszlopok a szinapszis két oldalán lévő idegsejt között húzódnak, és vélhetőleg fontos szerepük van a szinaptikus jelátvitel szabályozásában, ami pedig alapvető jelentőségű folyamat az idegrendszer működésében. A jelátvivők ürülését szabályozó fehérjék működéséről is újabb részletek derültek ki a szuperfelbontású technikáknak hála. Az új ismereteket a szakértők szerint a gyógyszerfejlesztésben is fel lehet majd használni. Végül még említésre méltó, hogy az idegsejtek nyúlványainak sejtváza dinamikusan szabályozza a nyúlvány átmérőjét, ezzel befolyásolva az ingerület terjedésének sebességét, illetve a nagyobb méretű szállítmányok (pl. sejtszervecskék) áthaladását. A szuperfelbontású technikáktól újabb fontos ismereteket várhatunk a jövőben, a mikrovilág után remélhetőleg a nanovilágot is meghódítja a tudomány.
Ez a cikkem az Élet és Tudomány 2021/17. számában, az Agyi aktualitások rovatban jelent meg.
