A járás létrehozása a szárazföldi állatok idegrendszerének egyik legalapvetőbb feladata. A járás lényegében a földet érintő végtagok ritmikus mozgása, ami elmozdítja a testet. Az efféle ritmikus mozgások szabályozása viszonylag egyszerű, legalábbis elméletben. Egy új vizsgálat azonban arra mutat rá, hogy a járás szabályozása másképp zajlik, mint ahogy azt a legelfogadottabb elmélet felvázolta. Az eredmények fontosak lesznek az újabb kutatások tervezésében és talán gerincvelő sérüléséből adódó bénulás áthidalásában is.

A járás fontosságát furcsának tűnhet hangsúlyozni, hiszen mindenki számára nyilvánvaló a jelentősége. A járás segítségével jutnak az állatok egyik helyről a másikra, ami gyakran az életben maradásuk kulcsa. A járáshoz természetesen elengedhetetlen az emlősök körében a csontváz és az izmok rendszere. Persze az izmok mozgatása már az idegrendszer feladata. A járáshoz az izmok megfelelő sorrendben történő összehúzása szükséges és ez az, amit az idegrendszer vezényel. Az már a XIX. században kiderült, hogy a járáshoz szükséges izommunka szabályozása gerincvelői szinten valósul meg: az agyvelőről leválasztott gerincvelő ingerlésével is kiválthatónak bizonyult a járás.

Mi történik a gerincvelőben a járás alatt?

A mozgás szabályozása az idegrendszer egyszerűbben vizsgálható feladatai közé tartozik. Ez azért van így, mert a mozgás esetében legalább a kimenet egyértelmű. Bizonyos izmok összehúzása, más izmok elernyesztése hozza létre a mozdulatokat, az izmokat beidegző idegsejtek aktivitása pedig viszonylag könnyen megfigyelhető. Összehasonlításképp az emlékezeti folyamatok vizsgálata során valamilyen viselkedésből lehet csupán következtetni a kimenetre. Például az állat elkerül egy területet, amiben korábban kellemetlenség érte, vagy egy ember gombnyomással jelzi, hogy ismerős számára egy korábban bemutatott kép. A mozgás vizsgálata során tehát legalább ismert az idegrendszer által produkált konkrét kimenet, így egy fokkal könnyebb következtetni azokra a folyamatokra, amelyek ezt létrehozhatják.

Ettől függetlenül még nem teljesen ismert az a gerincvelői hálózat, amely létrehozza a járást. Vannak viszont olyan modellek, amelyek ezeket a hálózatokat igyekeznek leírni és ezek közül az egyik nagy népszerűségnek örvend a területen. A járás lényege leegyszerűsítve, hogy a végtagok hajlítóizmai összehúzásakor a feszítőizmokat el kell ernyeszteni és fordítva. Ehhez a mozgató idegsejtek szintjén arra van szükség, hogy a hajlítóizmokat beidegző idegsejtek aktiválódásakor a másik sejtcsoportnak el kell csendesednie. A hálózat szintjén ez úgy valósítható meg, ha a két sejtcsoport között negatív visszacsatolás van, vagyis az egyik sejtcsoport aktivációjakor a másik sejtcsoport legátlódik. Az aktív sejtcsoport aztán “kimerül”, elcsöndesedik és így beindulhat a másik sejtcsoport aktivitása. Ez a modell képes arra, hogy reprodukálja a mozgató idegsejtekben kialakuló aktivitásmintázatot, ám eddig még nem sikerült feltárni olyan sejteket a gerincvelőben, melyek valóban képesek lennének efféle ritmusgenerálásra.

Alternálás helyett rotáció?

Egy dán kutatócsoport a járás idegrendszeri alapjait vizsgálta, méghozzá teknősök (vörösfülű ékszerteknős – Trachemys scripta elegans) segítségével. A teknős esetében a gerincvelő stabil, nem mozdul el a végtagok mozgatása közben, ez leegyszerűsíti a neurális aktivitás vizsgálatát. A kutatók elektródákat ültettek a gerincvelő keresztcsonti szakaszába, ahol a hátsó végtagok mozgásának szabályozását végző sejthálózat található. Több száz sejt aktivitását rögzítették a hátsó végtagok mozgatása során, azonban nem találtak olyan idegsejteket a gerincvelőben, melyek követték volna a mozgató idegsejtekben kialakuló aktivitás ritmusát. Ehelyett azt figyelték meg, hogy a sejtek egymáshoz képest eltolódva tüzelnek, mintha körbe-körbe járna az aktivitás a hálózatban. Az eredmények tehát nem támogatták az alternálást feltételező klasszikus modellt. Ez a modell olyan gerincvelői sejtek létezését feltételezi, melyek a mozgató idegsejtekkel közel azonos időben aktiválódnak. Ehelyett rotációs aktivitást találtak, amelynek az a lényege, hogy a sejtről sejtre vándorló aktivitás hozza létre a mozgató idegsejtek ritmikus aktivitását.

A kutatók ezután megpróbálták modellezni azt a sejthálózatot, melynek elemei olyan aktivációs mintázatot mutatnak, mint amilyet a kísérletek során rögzítettek és mégis megfelelő kimenetet produkál a mozgató idegsejtekben. Azt találták, hogy közel véletlenszerű kapcsolatrendszer mellett is képes a megfelelő kimenet létrehozására a modell. A modell paramétereinek szisztematikus változtatása ráadásul úgy változtatta a kimenetet, ahogy az a valós hálózat esetében is elvárható. Például az erősebb izomösszehúzódásokhoz nagyobb frekvenciájú aktivitást kell létrehozni a mozgató idegsejtekben. A kutatók olyan egységeket is azonosítottak a modellben, melyek válaszkészségének változtatása felgyorsította, illetve lelassította a kimeneti ritmust. Ez a ritmus a járás sebességét befolyásolja.

Mit üzen az új modell?

Az új eredmények szerint tehát a gerincvelőben kialakuló aktivitást egy véletlenszerűen generált virtuális sejthálózat is képes létrehozni. Ez az eredmény azért meglepő, mert eddig az volt az általánosan elfogadott nézet, hogy a gerincvelői hálózatok jól meghatározott módon kapcsolódnak össze a fejlődés során. Az utóbbi negyed évszázad kutatásai öt sejtcsoportot különítettek el a gerincvelő hasi oldalán, melyeknek szerepe van a mozgatóidegsejtek működésének szabályozásában. Ez az öt csoport még további alkategóriákra osztható. A kutatók eddig azon igyekeztek, hogy ezekből a sejttípusokból építsenek olyan modelleket, melyek képesek létrehozni a járáshoz szükséges kimenetet. Azért is tűnt ez a megközelítés a helyes útnak, mert azt már több vizsgálat kimutatta, hogy az említett sejtcsoportok célzott elpusztítása jellegzetes járási nehézségeket okoz, például a testtartásban és a járási sebességben.

Amennyiben azonban a konkrét kapcsolatok nem alapvető jelentőségűek, ezzel a megközelítéssel nehezen fogják feltárni a gerincvelő működését az idegtudósok. Annál is inkább, mivel a sejtcsoportok irtását jellemzően a fejlődés korai szakaszában végzik el a kísérletek során és elképzelhető, hogy ez kompenzációs folyamatokat indít be a gerincvelőben, amik torzítják az adott sejtcsoport járásban betöltött szerepéről alkotott képet. Az új modell azonban egy sor tesztelhető állítást tesz a gerincvelői idegsejtek várható aktivitásáról. Már csak olyan módszerre lenne szükség, amivel ténylegesen elbírálhatók ezek az állítások.

A gerincvelői idegsejtek működésének vizsgálata továbbra sem egyszerű feladat. A klasszikus elektrofiziológiai módszerekkel nem azonosítható, hogy pontosan milyen genetikailag definiált sejtcsoporthoz tartoznak azok az idegsejtek, melyek aktivitását megfigyelik a kutatók. A modern géntechnológiai eljárások pedig egyelőre sajnos nem alkalmasak a gerincvelő hasi oldalán elhelyezkedő sejtek aktivitásának követésére (bár a háti oldalon található, érzékelő funkciókat ellátó hálózatok vizsgálata már lehetséges).

A mozgató hálózatok pontosabb megértésének gyakorlati jelentősége viszont óriási lenne. A gerincsérülések következtében kialakult bénulás gyógyításának kulcsa lehet a gerincvelői hálózatok működésének feltárása. Már most is nagy reményeket fűznek a szakértők egy módszerhez, melynek lényege a gerincvelői hálózatok ingerlése. Bár a módszer pontos működési mechanizmusát még nem teljesen értik a kutatók, elképzelhető, hogy a gerincvelői hálózatok megértése ennek a technológiának a fejlesztéséhez is hozzájárul majd.

Ez a cikkem az Élet és Tudomány Agyi aktualitások rovatában jelent meg.

Forrás

Neurons that control walking go round in circles (nature.com)