A memóriazavarok kezelésének új lehetőségeihez vezethet el minket egy innovatív 3D-lézerpásztázó mikroszkóp, amelyet magyar és amerikai kutatók közösen fejlesztettek ki. Ez a forradalmi eszköz új perspektívát nyújt a neurobiológiai folyamatok megértésében

Egy magyar kutató által kifejlesztett különleges mikroszkóp lehetővé tette, hogy az emberi hajszálnál százszor vékonyabb struktúrákban megfigyeljük az emlékek keletkezésének folyamatát. Ez a forradalmi felfedezés új perspektívákat kínálhat az időskori és neurológiai betegségek kezelésében, és jelentős lépést jelent a tudományos megértésünk fejlődésében.

A New York-i Columbia Egyetem Zuckerman Intézet, a BrainVisionCenter (BVC), valamint a HUN-REN Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet (KOKI) közös kutatása forradalmi eredményt hozott: a magyar fejlesztésű 3D-lézerpásztázó mikroszkóp segítségével elsőként sikerült élő állatban másodpercek töredéke alatt, az emberi hajszálnál százszor vékonyabb struktúrákban megfigyelni az emlékek megszületését - írták a Magyar Kutatási Hálózat (HUN-REN) MTI-hez eljuttatott szerdai közleményében. A tanulmány a Nature című folyóirat tavaly decemberi számában jelent meg.

Az emlékek felidézése az agysejtek közötti kapcsolatok, az úgynevezett szinapszisok erősségének változásán alapul. Bár ez az elmélet már csaknem ötven éve ismert, a tudósoknak egészen mostanáig nem sikerült közvetlenül megfigyelniük ezeket a szinaptikus változásokat élő rágcsálómodellben. Az utóbbi években a mikroszkópos technológiák fejlődése lehetővé tette, hogy a kutatók valós időben tanulmányozhassák az élő, viselkedő állatok agysejtjeinek aktivitását is.

"A pontos genetikai és molekuláris célpontok azonosítása, valamint a jövőbeli terápiák kidolgozása érdekében elengedhetetlen, hogy mélyebb megértéssel rendelkezzünk a memória rögzítésének és kialakulásának mechanizmusairól" - emelte ki a közleményében Losonczy Attila, a Columbia Egyetem Zuckerman Intézetének vezető kutatója. A beszámoló alapján a mechanizmusok feltárására irányuló terápiás és diagnosztikai kezdeményezés a tervek szerint részben a Rózsa Balázs és Roska Botond által alapított BVC keretein belül valósul majd meg.

A hippokampusz az agy egyik legizgalmasabb és legjobban kutatott területe, ám az elmúlt évtizedekben végzett kutatások főként EEG vizsgálatokra és agyszelet preparátumokra épültek. Ezek a módszerek, bár nélkülözhetetlenek, számos korlátot jelentenek, mivel nem képesek lehetővé tenni az agyi folyamatok valós idejű, nagy felbontású vizsgálatát élő állatokban. A neurális hálózatok valós idejű monitorozása azonban elengedhetetlen a komplex agyműködések mélyreható megértéséhez. Ehhez olyan innovatív technológiákra van szükség, amelyek gyorsan és precízen képesek feltérképezni a sejteket és szinapszisokat, lehetővé téve ezzel a nagyobb térfogatú minták részletes elemzését.

Losonczy Attila és kutatócsoportja jelentős áttörést ért el a Nature folyóiratban közzétett tanulmányukkal. Kutatásuk célja az volt, hogy kifejlesszenek egy olyan módszertant, mely lehetővé teszi a tanulásért és memóriáért felelős idegsejtek hosszú távú szinaptikus plaszticitásának valós idejű mérését élő rágcsálómodellekben. Ez a plaszticitás a szinapszisok erősségének változását jelenti, amely akár órákon vagy napokon keresztül is fennállhat.

Az áttörés elérésében döntő szerepet játszott a HUN-REN KOKI Rózsa Balázs vezetésével működő kutatócsoport innovatív munkája, amelynek eredményeként kifejlesztették a BVC-ben is alkalmazott, speciális kétfoton lézerpásztázó mikroszkóp technológiát. Ez a rendszer a 3D-s valós idejű képstabilizációs képességének köszönhetően hatékonyan kompenzálja az agy folyamatos mozgását, így lehetővé téve az agy apró elemi összetevőinek, mint a sejtek és sejtnyúlványok, alapos vizsgálatát.

Az élő állatmodellek kísérletei során a zsigeri mozgások, mint például a szívverés és a légzés, valamint az akaratlagos mozgás akár több tíz mikrométeres elmozdulásokat is eredményezhetnek. Ez a mérték azonban jóval meghaladja a ténylegesen vizsgált struktúrák méretét. Ennek következményeként a nagy térbeli és időbeli felbontással végzett mérések során komoly nehézségek lépnek fel, mivel a célzott biológiai elemek — például sejttestek és sejtnyúlványok — folyamatosan elkerülik a lézerpásztázás hatókörét.

"Az általunk kifejlesztett femtoszekundumos lézerpásztázó eljárás, amely a másodperc milliárdod részének egymilliomod részét jelenti – ez idő alatt a fény körülbelül 0,3 mikrométert tesz meg, ami nagyjából megfelel egy baktérium méretének – képes valós időben és háromdimenziós formában kompenzálni a mozgásokat" – fejtette ki Rózsa Balázs, a BVC igazgatója és a projekt egyik kollaborációs partnere, az új módszer előnyeit.

A berendezés rendkívüli képességgel bír, hiszen képes észlelni az emberi hajszál vastagságának századrészét kitevő apró struktúrákban zajló összes aktivitást. Ráadásul olyan gyorsasággal működik, hogy azonnal reagál a szinapszisok erősségének pillanatszerű változásaira, amelyek másodpercek századrésze alatt zajlanak. A mikroszkóprendszer, a különleges feszültségszenzorokkal kombinálva, áttörést hozott: először sikerült élő, viselkedő állatok agyában a feszültségjelek mérésére egyetlen szinapszis szintjén. Ez a fejlesztés új távlatokat nyit az idegtudományban, és korábban elképzelhetetlen lehetőségeket kínál az agyi aktivitás megértésében.

A kutatócsoport számára az egyik legmeglepőbb felfedezés az volt, hogy a megfigyelt hippokampális neuronok szinapszisai, amelyek az agy temporális lebenyében találhatók és kulcsszerepet játszanak a tanulás, memória és térbeli tájékozódás folyamatában, nem mutattak egységes viselkedést a dendritek, vagyis a neuronok faágszerű nyúlványai mentén. A piramis alakú sejtek csúcsához közeli ágak szinapszisainak aktivitása és erőssége a kísérletek során folyamatosan változott, míg a sejtek alapzónájához közel elhelyezkedő szinapszisok stabilitása megmaradt.

"Még mindig nem tisztázott számunkra, hogy miért működik így ez a folyamat, és miért játszhat kulcsszerepet ez a mechanizmus" - mondta Losonczy Attila. "Tisztában vagyunk azzal, hogy az emlékek különböző szinteken épülnek fel, kezdve a szinapszisoktól egészen az egyes neuronokig és idegi hálózatokig, és most azt tapasztaljuk, hogy akár a sejtek belső szerkezetében is formálódhatnak" - tette hozzá.

Mindez megnyitja az utat további kísérletekhez, amiben megpróbálják megérteni, hogyha a szinapszis erőssége megváltozik, mik azok a molekuláris, biokémiai genetikai változások, amelyek ezt az erősséget megtartják, illetve a sejtszinten stabilizálják - áll a közleményben.