Az idegrendszert neuronok sokasága építi fel, ám ezek a neuronok közel sem egyformák. Egy nemzetközi együttműködés a legkorszerűbb módszerek felhasználásával minden eddiginél nagyobb részletességgel mutatta meg ezt a lenyűgöző sokszínűséget.
Az Amerikai Egyesült Államok kormánya 2013-ban jelentette be a BRAIN Initiative (AGY kezdeményezés) névre keresztelt tudományos projektet. A projekt neve egy rövidítés, amely nagyjából a következőt jelenti: agykutatás innovatív neurotechnológiák fejlesztése révén (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies – BRAIN). A kezdeményezés keretein belül óriási összegekkel támogatnak számos izgalmas kutatást. A kezdeményezés egyik ága a BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN), amely több mint 20 kutatócsoport bevonásával törekszik az agyi idegsejtek diverzitásának feltárására.
A BICCN 2017-ben indult útjának, azzal a céllal, hogy feltárja az agy neuronjainak sokféleségét és ellátja a tudományos közösséget ezekkel az információkkal, hogy hozzájáruljanak a különféle sejtek funkciójának megértéséhez. A laborok egy olyan atlasz létrehozásával foglalatoskodnak, amely tartalmazza az egerek, emberek és más főemlősök agyában fellelhető összes idegsejttípus molekuláris és anatómiai ismertetőjegyeit. A projekt első gyümölcsét idén hozta meg, az egyik legrangosabb akadémiai folyóirat, a Science lapjain közöltek tizenkét tanulmányt.
Az agyi neuronok diverzitása
A kutatócsoportok a legmodernebb módszereket használták a vizsgálataikhoz. Két kutatócsoport is különféle agyterületekről vett mintákban határozta meg a jelenlévő mRNS-t sejtenként (single cell RNA sequencing). A különféle neuronok transzkriptomja (az mRNS tartalom) azt árulja el, hogy milyen gének fejeződnek ki a sejtekben, hiszen a DNS-ben kódolt információ elsőként mRNS-be íródik át (transzkripció). Az mRNS-ek segítségével fejeződnek ki a fehérjék (transzláció), amik a sejtben zajló folyamatok kivitelezői. Lényegében tehát az, hogy egy sejt miképpen működik az általa kifejezett fehérjéken múlik, erre pedig a transzkriptomból is lehet következtetni. A transzkrimptom alapján különíthetők el a sejttípusok.
Az egyik vizsgálat legfontosabb eredménye, hogy noha a különféle agyterületek között jelentős átfedés van a sejttípusokban, mégis vannak olyanok, amelyek csak egy-egy területen találhatók meg. Ez az eredmény magyarázhatja, hogy miért képesek bizonyos fertőzések vagy betegségek jól behatárolható területeken problémákat okozni. A másik vizsgálat arra hívja fel a figyelmet, hogy az agykéregben jelentős átfedés van a sejttípusok között és inkább ezek megoszlása az, ami változatos az egyes területeken. Az elsődleges látókéregben viszont kimagasló mennyiségű specifikus sejttípust találtak, ráadásul a serkentő és gátló neuronok aránya is jelentősen eltért más területekhez képest.
A harmadik kutatásban szintén emberi agyakból származó mintákat vizsgáltak, azonban a DNS-re helyezték a hangsúlyt. A kutatók a DNS szerkezetét és metiláltságát vizsgálták. A szerkezet alatt azt kell érteni, hogy mennyire feltekeredett állapotban vannak az egyes szakaszok. Ezt fehérjék (hiszton fehérjék) szabályozzák és meghatározza, hogy mekkora mértékben zajlik a gének átírása az adott szakaszon. A metiláltság a DNS bázisait érintő kémiai módosulás, amely szintén a génkifejeződést befolyásolja. A negyedik vizsgálat kifejezetten a DNS szerkezetére fókuszált, ez alapján igyekezett sejttípusokat azonosítani. Ezek a vizsgálatok kiegészítették a transzkriptommal kapcsolatos eredményeket.
Az ötödik kutatás a különböző gátló idegsejtek elektrofiziológiai tulajdonságait vizsgálta. Ehhez a vizsgálathoz olyan szövetmintákat használtak, melyeket agyműtétek során kellett eltávolítani annak érdekében, hogy a sérült területekhez hozzáférjenek a sebészek. A minták tehát egészséges szövetek voltak, melyekből vékony metszeteket készítettek, majd számos sejtet vizsgáltak elektródák segítségével. Az elektródák segítségével mérhető a neuronok membránpotenciálja, ami a működésük talán legfontosabb mutatója: a membránpotenciál gyors megváltozása az akciós potenciál, a jel, amely a neurális hálózatokat működteti.
A hatodik vizsgálatban a kutatók (köztük a Szegedi Egyetem munkatársaival) egy specifikus sejtcsoport elektrofiziológiai tulajdonságait vetették össze a transzkriptomukkal embernél és egereknél. Amellett, hogy ezek az eredmények is további vizsgálatok értékes alapjául szolgálhatnak, az is kiderült, hogy a hasonló génkifejeződést mutató sejtek jelentősen eltérnek alakjukban és elektrofiziológiai tulajdonságaikban az emberek és egerek között. A hetedik vizsgálat az egyéni különbségeket feszegette. A kutatók 75 személytől származó mintát vizsgáltak, amiből kiderült, hogy ugyan minden személynél azonosíthatók a fő sejttípusok, ezek génkfifejeződésében jelentős különbségek vannak. A minták ebben az esetben is epilepsziás, illetve agydaganatos személyektől származtak.
A nyolcadik vizsgálat a halántéklebeny középső tekervényének sejttípusait hasonlította össze a főemlősök képviselőid között. A terület fontos szereppel bír a nyelvhasználatban. Azt találták, hogy a főbb sejttípusok nagyjából azonosak a fajoknál, a különbség inkább a sejttípusok arányában rejlik. Ugyanakkor találtak egy sor olyan gént, amelynek kifejeződése nagymértékben eltér az emberek és más főemlősök között. Ezeknek jellemzően a szinaptikus jelátvitelben van szerepe, ami arra utal, hogy az emberi evolúció során jelentősen megváltoztak a terület hálózatai, ez pedig talán a nyelv megjelenésében is szerepet játszott.
Az agy fejlődésének titkai
A fennmaradó négy kutatás az agy fejlődésére fókuszált. Az egyik fejlődő makákók agyából vett mintákon azonosította a sejtek transzkriptomját. Az adatok alapján az őssejtek működésbeli változásait igyekeztek feltárni, amelyek az agy fejlődésének fontos lépéseit határozzák meg. Az eredmények megmutatták, hogy hogyan változik az őssejtek génkifejezése miközben különböző sejttípusok jönnek létre belőlük, ami alapvető jelentőségű az agy fejlődésének megértése szempontjából.
Egy másik kutatás az emberi agy fejlődésére fókuszált az első trimeszterben és páratlan részletességgel tárta fel a transzkriptomikus változásokat. Egy tanulmány kifejezetten a talamuszra fókuszált, amely gyakorlatilag az agykéreg és más agyterületek között menedzseli a kommunikációt, vagyis minden magasabb rendű idegrendszeri folyamatban központi szerepet játszik. Az eredmények rávilágítottak egy humánspecifikus sejttípusra, amellyel eddig keveset foglalkoztak a tudósok, pedig talán szerepük van az emberi agy különleges jellemzőinek létrejöttében. Az utolsó vizsgálat a fogantatástól egészen a felnőttkorig igyekezett megállapítani a neuronok működésében bekövetkező változásokat. Ez volt talán a legnagyobb ívű vizsgálat, amely hatalmas mennyiségű hasznos információval szolgál a tudományos közösségnek, ráadásul még az autizmus spektrum zavar kialakulásának megértésével kapcsolatban is felvetődtek új lehetőségek.
A vizsgálatok tehát elképesztő mennyiségű adatot tettek hozzáférhetővé a tudósok számára, ami minden bizonnyal hozzá fog járulni az agyműködés rejtelmeinek feltárásához.
Ez a cikkem az Élet és Tudomány Agyi aktualitások rovatában jelent meg.
