Csillagászati sebességre kapcsolt az agykutatás

Forradalom zajlik az agykutatásban: már az utóbbi évtizedben is sokkal többet tudtunk meg központi vezérlőnk működéséről, és a távlatok beláthatatlanok. Az alvás, a tanulás és a felejtés, az álmok, a kreativitás titkairól, mechanizmusáról is kérdeztük az MTA doktorát.

Magyar Narancs: Ez a tudományterület, az agykutatás egyfajta forradalmat él át az ezredforduló óta.

AL: Pontosítanék: az idegtudományban az utóbbi évtized az, amikor az igazi technológiai robbanás bekövetkezett, és a kutatómunka csillagászati sebességre kapcsolt. Ekkor ugyanis közel egy időben számos olyan technikai újítás történt, amelyek megsokszorozták a lehetőségeket. Olyan kérdéseket tudunk feltenni most, amelyeknek megválaszolásáról csak álmodoztunk akár 15 évvel ezelőtt is.

MN: Ebben, gondolom, fontos szerepet játszott a molekuláris biológia eszköztárának bővülése.

Acsády László agykutató (MTA KOKI)

AL: Igen, az egyik forradalom molekuláris biológiai eredetű: annak módszereit, az egyes gének, egyes fehérjék módosítását az idegtudomány egy az egyben átvette és hasznosítja. Képesek lettünk egyes fehérjék szerepét vizsgálni egy konkrét idegrendszeri területen, egy konkrét kérdésben. Viszonylag rövid idő alatt ki és be tudjuk ezeket kapcsolni, módosítani tudjuk őket, és közben nem kell foglalkozni azzal a rengeteg kompenzációs mechanizmussal, amivel az összes korábbi módszer terhelt volt. Szintén a molekuláris biológia fejlődéséhez kapcsolódik a fény által aktiválható molekulák használata az idegtudományokban. Ezek lehetővé teszik, hogy adott hullámhosszú fénnyel történő megvilágítással milliszekundumnyi, azaz ezred másodpercnyi pontossággal tudjam szabályozni konkrét idegsejt-csoportok aktivitását.

MN: Vagyis ezek ki- és bekapcsolását?

AL: Ki tudom kapcsolni, be tudom kapcsolni, gátolhatom, vagy adott mintázattal tudom serkenteni. Az idegtudomány egyik legnagyobb kerékkötője éppen az volt, hogy míg csak az agyunkban sokkal többféle sejttípus van, mint a testünk összes többi részében együttvéve, eddig nem lehetett őket külön vizsgálni. Nem tudtuk, mi az egyik, mi a másik feladata – volt egy egyszerű elektródunk, azt beleszúrtuk az agyba, s az ott lévő mind a 25-féle sejtet egyszerre stimuláltuk. Az új módszerekkel immár lehetséges, hogy csak az A típust serkentjük, a B típusú idegsejteket elhallgattatjuk, s megnézzük, ennek milyen hatása van az agyműködésre.

MN: Ez már szinte a sci-fiket idéző mozzanat: ha jól tudom, vírus segítségével visznek be idegen gént, s ez alakítja ki azután a fényre érzékeny sejteket.

AL: Igen, így történik. Természetesen olyan legyengített vírusokat használunk, melyek konkrét fertőzést, betegséget nem okoznak a kísérleti állatban – ezeket vektornak vagy plazmidoknak hívjuk. A fényérzékeny molekula inaktív módon bele van csomagolva ebbe a vírusba, amit egy üvegkapilláris segítségével beadunk az egér általunk vizsgált idegrendszeri területére. Ezt felveszik a sejtek, és csak azokban az idegsejtekben válik aktívvá a fényérzékeny molekula, amelyek számunkra érdekesek.

A komplex metodikai forradalom másik vetülete a képalkotás. Itt az ún. szuperrezolúciós mikroszkópok felfedezése jelentett óriási áttörést – egyetlen vizsgálatban végre tudok hajtani annyi mérést, mint elektronmikroszkóppal több hónap alatt.

MN: A kutatásaik szempontjából szerencsés, hogy számos a párhuzam az egér és az ember agyműködésében. Ennek nyilván evolúciós természetű oka van…

AL: Ez így van. Az emlősöknek négy nagy ága van, és viszonylag szerencsénk, hogy az egér a mi águnkon található. Ebben az értelemben egy egér sokkal közelebb áll hozzánk, mint egy macska vagy egy kutya – az elefántról vagy a cetekről nem is beszélve, amelyek az emlősfejlődés más és más útjait járták be. A másik ágakon is kialakultak elképesztően magas intelligenciafokok, de elképzelhető, hogy teljesen más agyszerveződéssel.

MN: Az egyik tavalyi kutatási beszámolójuk egy olyan idegpálya felfedezéséről szól, ami az agytörzsből indul ki, gátló jellegű, s egyfajta bambulási állapotot vált ki. Mire következtethet a kutató abból, hogy néha mintha kikapcsolnánk – talán ilyenkor rögzülnek a korábban tanult információk?

AL: Valóban ez volt maga a felfedezés, de mint rendes kutató el kell választanom a konkrét eredményt és az ahhoz kapcsolható interpretációt. Az agytörzs ősi, minden gerincesben létező idegrendszeri terület, amely sok minden más mellett alapvetően befolyásolja az alvási-ébrenléti ciklusunkat, a motivációinkat, a figyelmünket. Nagyon sokféle pálya köti össze az agytörzset a magasabb rendű idegrendszeri területekkel, és egészen eddig az idegtudósok úgy vélték, hogy ezek mind serkentő jellegűek. Nekünk ezekkel a molekuláris biológiai módszerekkel sikerült felfedeznünk egy olyan új pályát, ami gátló jellegű. A fény által aktivált molekulák révén sikerült igazolnunk, hogy ha ezeket a rostokat működésbe hozzuk, akkor a kísérleti egér különleges állapotba kerül. Úgy tűnik, hogy valamennyire elveszti a kapcsolatát a környezettel, nem képes végrehajtani azokat a műveleteket, amelyeket addig csinált. Az emberi agyat vizsgálva ugyanez a pálya kimutatható, tehát ez nem pusztán az egerekre jellemző különlegesség, nálunk pontosan ugyanolyan szerveződéssel, az idegrendszernek ugyanazon területén – a talamuszban – létezik ez a pálya. Annak az idegrendszeri területnek, ahol mi vizsgálódtunk és ahová ez a gátló pálya befut, a korábbi emberi adatok alapján komoly szerepe van abban, hogy értelmezzük és tudatosítani tudjuk a beérkező információkat. Az általunk megtalált pálya aktiválása ezen értelmezés szerint meggátolta a mindenkori folyamatos kapcsolattartást a környezettel. Egy másik, szintén verifikálandó interpretáció szerint ez a pálya arra jó, hogy ha csinálunk valamit, ám akár belső késztetésből, akár külső inger miatt szeretnénk abbahagyni és más dolgot kezdeni, akkor kell, hogy legyen valahol egy stop szignál – ezt most hagyd abba, és csinálj valami mást! Tulajdonképpen az agyunknak is váltania kell az egyik programról a másikra. És ez nem triviális kérdés.

Agytörzsi eredetű gátló rostok a talamuszban

MN: Önt és kollégáit, meg persze a laikusokat is erősen foglalkoztatja, hogy mi történik, amikor alszunk, amikor kikapcsol az agyunk, s mi, amikor álmodunk. Miért van erre szükség? Miért kapcsol ki rendszeresen az agyunk? Talán ilyenkor kell feltöltődnie?

AL: Igen, ez a százéves, egymillió dolláros kérdés, amire továbbra sincs egyetlen megnyugtató, pontos válasz, csak sok jó közelítés. Két egymást nem feltétlenül kizáró iskola létezik e tárgyban. Az egyik, ahogy ön is mondta, úgy fogalmaz, hogy szükség lehet egyfajta feltöltődésre. Elképzelhető, hogy az idegsejtek működése közben valamiféle salakanyag szaporodik fel, amit el kell távolítani. Esetleg valamit elhasználnak az idegsejtek, amit pótolni kell. És hasonlóan ahhoz, ahogy az izmaink elfáradnak, elképzelhető, hogy az agyunk is elfárad, ezért pihentetni kell. Az a ravasz az alvás kérdésében, hogy ugyan a négy fal között biztonságban aludhatunk, de az evolúció során az alvás képessége a szabad természetben fejlődött ki, ahol ez igen kockázatos dolog. Olyan állapotba kerülni, amikor a közelgő veszélyt rosszabbul érzékelem – ez evolúciós értelemben nagyon káros lehet. Tehát komoly oka kell lennie annak, hogy mégiscsak kialakult az alvás. Azon elmélet megerősítéseként, mely szerint bizonyos anyagokat el kell távolítani az agyból, néhány éve született egy átütő felfedezés.

Eszerint az alvás során az idegsejtek között az egyik fontos idegrendszeri sejttípus, a gliasejtek közreműködésével csatornák nyílnak meg – afféle csőrendszer lép működésbe, s ennek révén szinte nagytakarítás történik. Az idegrendszerben lévő folyadék átöblíti az agyunkat, s eközben a salakanyagok sokkal nagyobb sebességgel távoznak, mint az ébrenlétben. Ez a fajta agymosás kifejezetten pozitív, elvégre a legsúlyosabb, mindenki által rettegett idegrendszeri betegségeket, a Parkinson- és az Alzheimer-kórt éppen az váltja ki, hogy a salakanyagok plakkok formájában lerakódnak az idegrendszerben, ami demenciához és súlyos motoros problémákhoz vezet.

Egy másik irányzat teljesen eltérő módon próbál közelíteni: eszerint az idegrendszer számára szükséges, hogy a nappal begyűjtött információkat az alvó periódusban tartós memórianyom formájában raktározni tudja. Úgy kell elképzelni, hogy ha mondjuk, végigsétálok az utcán, akkor az idegsejtjeim adott sorrendben aktivitásba kerülnek az agy adott területén, és kódolják, hogy én hol vagyok, és mi történik velem. A jelenlegi eredmények szerint alvás során az történik, hogy hiába nem vagyok az utcán – hiszen az ágyban fekszem –, s hiába nem vagyok a tudatomnál, az eseményt követő alvás során ez az idegrendszeri aktivitás újra, ugyanilyen sorrendben lejátszódik. Egy kicsit más idődimenzióban, tehát feltehetőleg összenyomva, tömörítve, de ha az adott sejtek adott sorrendben voltak aktívak, akkor ezek kapcsolnak be alvás közben is. Eközben az ezen idegsejtek közötti kapcsolatok olyan mértékben megerősödnek, hogy ez a memórianyom később előhívható lesz – akár másnap, de ha nagyon fontos, akkor negyven év múlva is.

MN: Ebben a folyamatban lehet szerepe annak, hogy álmodunk?

AL: Valóban vita folyik, s eközben rengeteg érv merül fel az álom szerepe körül. Az olvasónak talán logikusnak tűnne az, hogy ez az alvási mechanizmus együtt jár az álommal, de álmomban sosem azt álmodom, ami megtörtént velem, azaz itt nem működik az emlék-visszaidézés logikája. Amíg pihenünk, két alvásfázis váltogatja egymást, közülük az egyik típus az álomlátó alvás, a másik az úgynevezett mélyalvás. Most már azt is tudjuk, hogy a mélyalvási fázisban is vannak álomszerű mozzanatok, de ez nem az a vad, színes összevisszaság, amit az álomlátó fázisban látunk. Ilyenkor mintha töprengenénk. Ha ilyenkor ébresztik fel a vizsgálati alanyokat, akkor az éberhez sokkal hasonlóbb állapotról és gondolatokkal teli álomról számolnak be. Sokáig úgy véltük, hogy a memórianyomok rögzítéséről többnyire a mélyalvás gondoskodik, az álomlátó alvás jóval kevésbé. Idén került nyilvánosságra egy olyan forradalmi jelentőségű kutatás eredménye, melynek során a fény által aktivált molekulák segítségével az álomlátó alvást tudták közvetlenül befolyásolni, s arra jutottak, hogy az álomlátó alvásnak is fontos szerepe van az emlékek rögzülésében. Egy azonban biztos. Sok embertársunk szedi az antidepresszánsokat, és ezek teljesen eltörlik az álomlátó alvást – mégsem lépnek fel náluk komoly memóriaproblémák, különben már rég kivonták volna e szereket a forgalomból. Ebből pedig mégis úgy tűnhet, hogy a mélyalvás szerepe döntő a memórianyomok kialakításában.

MN: Miközben egyre többet tudunk az emberi agyról, rohamosan fejlődnek a számítógépek – mennyire jó metafora a mind tökéletesebb komputer, a mesterséges intelligencia az emberi agyra?

AL: Sok párhuzam és sok különbség van a kettő között. És kétségtelen, hogy a mesterséges intelligenciával kapcsolatos kutatások is óriási ütemben fejlődnek. Az egyik legjobban kitapintható találkozási pont az úgynevezett BMI (brain-machine interface), azaz az agy és a gép találkozása. Olyan módon próbálunk segíteni idegrendszeri sérülteken, hogy mérjük az agyműködésüket, összekapcsoljuk őket egy komputerrel, és az valamilyen műveletet hajt végre, amire a páciensek önmagában már nem volnának képesek. A nyári foci-vb megnyitóján a kezdőrúgást egy ilyen alapon működő berendezés segítségével végezték el, ami egy olyan személyhez kapcsolódott, akinek le voltak bénulva az alsó végtagjai. Ennek ellenére felállt, és belerúgott a labdába. Mindez úgy történhetett meg, hogy megmérték egy adott agyterületen az idegsejtek aktivitását, az alanynak végig kellett gondolnia, mit fog csinálni, és eme bizonyos agy-gép interfész segítségével a gondolat lefordítódott egy robotikus végtagmozgató szerkezet mozgására, amivel a kezdőrúgást végre lehetett hajtani. Az, aki kifejlesztette, még arra is figyelemmel volt, hogy hiába próbálgatnánk a berendezést egy üres laborban, hiszen a tömött Maracana-stadion légkörét is figyelembe kell venni, elvégre itt 80 ezer ember drukkol és üvölt. Márpedig a hangzavartól az ő agya is teljesen máshogy fog működni, mert ezt az élményt feldolgozza. Ráadásul a számítógépnek is tanulnia kell az emberi agyat, és az agynak is a számítógép reakcióit. Ezt úgy oldották meg, hogy amíg készültek a megnyitóra, a fülében üvöltött egy valódi meccsen felvett szurkolói hangzavar.

Maracana Stadion, Rio de Janeiro

MN: A kutatók is gondban lehetnek azzal, hogy megtalálják az érzelmek, érzések helyét. Tisztában vagyunk-e azzal, hogy az agy mely területei aktivizálódnak, ha félünk, haragszunk, szomorúak vagy vidámak vagyunk?

AL: Sok minden tisztázódott, és sok minden vár még felfedezésre. Számos érzelem sejtszintű mechanizmusa már tudott – azokról van szó, melyek köthetők a rágcsálók érzelmeihez, illetve agyműködéséhez. Viszonylag jól ismert annak az idegrendszeri háttere, miként alakul ki egy félelmetes tapasztalat élménynyoma, hogyan következnek be ennek nyomán a mindenki által ismert élettani változások – a szívritmus fokozódása, az izzadás, a szaporább légzés és a többi. Komoly kutatások folynak arról is, hogy a félelemmel kapcsolatos pszichiátriai kórképekre megtaláljuk a választ. A poszttraumatikus szindrómában szenvedő beteg egy sokkoló élmény után akár sok idő elteltével is, megmagyarázhatatlanul, ártatlan szituációkban is félni, reszketni, pánikolni kezd. Háborús veteránok, de erőszakos támadás vagy baleset túlélői is ilyen gondokkal küzdhetnek. A feladat az, hogy megtaláljuk, hogyan romlik el az eredeti normális félelmi memória működése. Számunkra rendkívül fontos az, hogy egy félelmetes szituációt megjegyezzünk, hogy legközelebb el tudjuk kerülni – kérdés, hogyan generalizálódik ez a félelem úgy, hogy azután már mindenre ez lesz a reakció. Hasonló probléma a pánikbetegségek kérdése, amikor szintén túlzott félelmek lépnek fel. Viszonylag jól ismert az az amygdala nevű idegrendszeri terület, ahol ezek az asszociációk kialakulnak, és ez nagyon hasonló szerveződésű az egérben és az emberben. Így remény van arra, hogy néhány éven belül találjanak egy olyan gyógyszer-kombinációt, amely hatékonyabban segíthet.

MN: Beszélhetünk-e kultúrákhoz, népekhez, populációkhoz köthető észjárásokról, gondolkodásformákról, tud-e erre valamilyen választ adni az idegtudomány? Mennyire vagyunk bezárva saját gondolati köreinkbe?

AL: Erről én inkább személyes véleményt mondanék, ami valamennyire maga is az idegtudományi ismereteken alapszik. A helyzet hasonló, mint ami a beszélgetés elején említett idegtudományi iskolák esetében: itt is beleszületek egy gondolkodásmódba, és ez valamilyen módon meg fogja határozni, hogyan kérdezek és hogyan gondolkozom a válaszokról. Úgy kell elképzelni, hogy amint egy emléknyom beég és az idegsejtek közötti kapcsolatok megváltoznak, hasonló módon, nagyobb léptékben a gondolkodásmódom sem más, mint ilyen módon rögzült idegrendszeri körök működése. Úgy tűnik, hogy az emberi agy egészen különleges módon, egész életében képes új és új gondolkodásmódok befogadására, ha én erre törekszem. Magyarul: nagyon fontos szinte személyesen mérlegelni azt, hogy az én gondolkodásmódom vajon bezárult-e vagy nyitott maradt más megközelítésekre. Az emberi idegrendszer a végletekig alakítható, ha az ember kellő mennyiségű inputot tesz bele. Alapvetően ettől is függ, hogy egy ember az élete során mennyi ideig tartja fenn a szellemi frissességét, és mikor kerül a teljes beszűkülés állapotába, amikor már ellátásra szorul. Ha élete végéig próbál újat tapasztalni, olvasni, tanulni, akkor ezzel fizikailag is gátolni lehet az idegrendszer öregedését. 

Barotányi Zoltán