Hogyan működnek a tanulás során összerendezetten az agykéreg alatti, úgynevezett neuromodulátoros rendszerek? Ezt a kérdést szeretné megválaszolni Hangya Balázs, az MTA Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézetben működő Lendület Rendszer-neurobiológia Kutatócsoport vezetője, aki az Európai Kutatási Tanács (ERC) Starting Grant pályázatán 1,5 millió eurós támogatást nyert kutatási projektjére.
A kutatások távlatilag hozzájárulhatnak az Alzheimer- és a Parkinson-kórban jelentkező kognitív zavarok megértéséhez.
„Egy ilyen pályázat megnyerésének egyik leglényegesebb előfeltétele, hogy a kutató valóban fontos, jó és izgalmas kérdést tegyen fel, hogy olyan aktuális problémával foglalkozzon, ami jelenlegi tudásunk és eszköztárunk segítségével megválaszolható” – vélekedik Hangya Balázs. Kutatásai távlatilag nagyon ígéretesek a kognitív funkciók sérülésével járó olyan neurodegeneratív betegségek szempontjából, mint amilyen az Alzheimer- vagy a Parkinson-kór. „E betegek ellátása rendkívül nagy terhet ró mind az egészségügyre, mind az érintett családokra. Az Alzheimer-kórban szenvedő betegek számát például világszerte 35-40 millióra becsülik, kezelésük éves közköltsége 600 milliárd dollárra tehető” – mutatott rá a kutató.
Hangya Balázs meggyőződése szerint a sikerben közrejátszott a Magyar Tudományos Akadémia Lendület-pályázatán való sikeres szereplése is, amelynek nyomán 2015-ben az MTA KOKI-ban önálló kutatócsoportot alapíthatott.
„A kutatói karriernek ebben a szakaszában, amikor az ember épp csak megalapítja saját laboratóriumát, s még nem bizonyította széleskörűen, hogy képes az önálló témavezetésre, egy ilyen pályázat, mint a Lendület, jó tanúsítvány, hogy a kutató képes független források megszerzésére” – mondta.
Megismerni a kéreg alatti rendszerek „vezérlését”
A kutatás elsősorban a tanulás folyamatát vizsgálja, így kerülnek képbe a kognitív funkciók sérülésével járó betegségek. „A tanulás folyamatában, ami új információk megjegyzését jelenti, illetve a memóriában, azaz az adatok tárolásában és előhívásában az agykérgen kívül a kéreg alatti területek is részt vesznek. Közülük is a legfontosabbak azok a régiók, amelyek különböző neuromodulátoros vegyületekkel működnek, olyan molekulákat, modulátorokat használva a kommunikációra, amelyek hatása nem sorolható egyértelműen sem a gátló, sem a serkentő csoportokhoz. Működésük sokkal bonyolultabb, összetettebb, egyszerre több időskálán valósul meg” – magyarázta a kutató.
A neuromodulátoros rendszerek közül az ismertebbek közé tartozik a dopaminerg, a kolinerg, a szerotonerg és a noradrenerg rendszer. Emellett létezik több kevésbé ismert neuromodulátoros rendszer is, amelyek funkcióját, jelentőségét még nem térképezték fel kellőképpen a neurobiológusok. Hangya Balázs munkatársaival első lépésként a klasszikus neuromodulátoros rendszerek közül kettőre fókuszál: a kolinerg rendszerre, amelynek fontos szerepe van a tanulásban, a figyelemben, illetve a dopaminerg rendszerre, amely a jutalmazási rendszer fontos eleme, s ezáltal részt vesz a tanultak megerősítésében. A kutatók azt vizsgálják, hogy működésük miként rendeződik össze a tanulás folyamatában, hosszabb távon pedig Hangya Balázs szeretné kiterjeszteni a kísérleteket más neuromodulátoros rendszerekre, mindenekelőtt a szerotonerg és a noradrenerg rendszerre.
„Kérdés, hogy miért van ennyiféle rendszer, amelyek hasonló kognitív funkciókat vezérelnek? A neuromodulátoros rendszerek, ebben az esetben a kolinerg és a dopaminerg rendszer ugyanúgy hordoz információt a jutalomról, a büntetésről és az előrejelzésről. Ezek mind a tanulás szempontjából hatásos információk. Azt nem tudjuk még – pedig fontos lenne –, hogy ezek a hasonló információk hogyan vezetnek különböző folyamatokhoz a kolinerg, illetve a dopaminerg rendszer esetében. Ezt úgy lehet megállapítani, ha egyszerre vizsgáljuk a két rendszert: ez a pályázat újdonsága. Nem nagyon volt eddig példa arra, hogy ugyanabban a rendszerben, ugyanabban a »tanuló« egérben vizsgálják a két neuromodulátoros rendszert” – mondta a kutató.
Jutalmazás vagy büntetés? Hogyan tanul az egér?
„Különböző transzgenikus, azaz genetikailag módosított egértörzseket alkalmazunk, a kísérleteket az optogenetika módszerével végezzük. A génmódosítás lényege abban áll, hogy specifikus fehérjéket fejeztetünk ki a dopaminerg, illetve a kolinerg sejtekben. Ez ad a vizsgálatok során lehetőséget a sejtek azonosítására – elvezetjük és mérjük a sejtek aktivitását, miközben az egér a feladatokat végzi” – magyarázta Hangya Balázs.
Ismertetése szerint az egereket különféle feladatokra tanítják, amelyek során az állatoknak mindig valami újat kell elsajátítaniuk. Például bizonyos hangok a jutalmat, mások a büntetést jelzik. Időnként viszont bejátszanak egy-egy új hangot, amelyet korábban az egér soha nem hallott, s mivel semmit sem tud róla, meg kell tanulnia, hogy az új hang jutalmat vagy büntetést ígér.
Tetten érni az „agyban élő matematikust”
„Az agy alapvetően előrejelzésre tervezett eszköz, olyan matematikai értelemben vett automata, amelynek az a feladata, hogy minél nagyobb valószínűséggel jelezzen előre jövőbeli eseményeket. Ez a tanulás esetében halmozottan igaz, a dopaminerg sejtekről tudjuk, hogy nagyon jól válaszolnak úgynevezett prediktív ingerekre – olyan ingerekre, amelyek előre jelzik a jutalmat vagy annak hiányát. Sokszor viszont, amikor megjelenik a jutalom, amelyet az inger teljes biztonsággal előre jelzett, a dopaminerg sejtek már semmilyen reakciót nem mutatnak, hiszen az agy korábban tudta, hogy a jutalom elérhető-e, vagy sem. Emiatt a kísérlet jelentős részét építem matematikai modellezésre – mondta el a kutató. – A pályázat egyik megfogalmazott célja, hogy érjük tetten az agyban élő matematikust, amelynek elképzeléseink szerint sokkal szélesebb körű feladatai vannak, mint csupán a döntési bizonyosság előrejelzése, és vizsgáljuk meg, hogy hogyan mutatkozik ez meg a tanulásban, illetve miként írható le matematikai modellekkel a neuromodulátoros rendszerek viselkedése. Remélem, hogy az ötéves kutatási projekt végére fundamentálisan új információkhoz jutunk, látni fogjuk, hogy miként működik együtt, illetve szabályoz különböző folyamatokat a tanulás során a dopaminerg és a kolinerg rendszer. Tudjuk, hogy ezek különböző időskálán működnek, de azt is tudjuk, hogy sokszor nagyon hasonló információt hordoznak. Megválaszolandó kérdés még, hogy két különböző neuromodulátoros rendszer esetében miért jelenik meg az információ eltérő időskálán, és hogy vajon ugyanaz az információ jelenik-e meg, majd kerül továbbításra különböző agyterületek felé, vagy valójában eltérő információk hasonló lecsapódásáról van-e szó” – sorolta a még megoldásra váró kérdéseket Hangya Balázs.
Mit kell tudni az optogenetikáról?
Az idegtudományt forradalmasító optogenetika fényérzékeny fehérjéken alapul. A genetikailag módosított idegsejteket rövid lézerfényimpulzusokkal célzottan „kisütik” – ezzel a módszerrel az idegrendszer tetszőleges elemeit lehet bekapcsolni és kikapcsolni. Az így nyert megfigyelésekből pedig pontosan meg lehet állapítani az egyes agyterületek és sejttípusok szerepét különféle idegélettani folyamatokban.
Forrás: http://mta.hu/tudomany_hirei/ha-megertjuk-az-agyi-rendszerek-osszjatekat-kozelebb-kerulhetunk-az-alzheimer-kor-lekuzdesehez-106862
