Új távlatokat nyithat az időskori és neurológiai betegségek kezelésében Losonczy Attila és kutatócsoportjának legújabb felfedezése. A New York-i Columbia Egyetem Zuckerman Intézet, a Rózsa Balázs által vezetett BrainVisionCenter, valamint a HUN-REN Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet 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. A tanulmány a rangos Nature című folyóiratban jelent meg.

Az emlékek felidézése az agysejtek közötti kapcsolatok, az úgynevezett szinapszisok erősségének változásán alapul. Bár ezt az elméletet már csaknem ötven éve ismerjük, 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 meghatározásához és a jövőbeni terápiákhoz mélyebb ismeretekre van szükség a memória rögzülésének és kialakulásának mechanizmusairól” – hangsúlyozta a munka társadalmi hasznosulását a Columbia Egyetem Zuckerman Intézetének vezető kutatója, Losonczy Attila. Ezen mechanizmusok feltárása kulcsfontosságú a Roska Botond és Rózsa Balázs által alapított BrainVisionCenter számára, a terápiás és diagnosztikai küldetés a tervek szerint részben az intézetben fog megvalósulni.

A hippokampusz az agy egyik legtöbbet vizsgált területe, de az elmúlt évtizedek kutatásai főként EEG vizsgálatokra és agyszelet preparátumokra támaszkodtak. Ezen módszerek bár szükségesek, korlátozott lehetőségeket nyújtanak, mivel nem teszik lehetővé az agyi folyamatok valós idejű és nagy felbontású vizsgálatát élő állatokban. Pedig a neurális hálózatok valós idejű megfigyelése elengedhetetlen az agyműködés mélyebb megértéséhez, amihez olyan technológiák kellenek, amelyek gyorsan és pontosan képesek pásztázni a sejteket és szinapszisokat nagyobb térfogatú mintákban.

„A jelenlegi tanulási- és memóriamodellek, azon alapulnak, hogy a szinapszisok, vagyis a sejtek közötti kapcsolatok erőssége megváltozik az agyban a tanulás, az emlékek rögzülése során. Bár a szinaptikus plaszticitás működésének korábbi bizonyítékai viszonylag egyszerű állatokkal, például tengeri csigákkal végzett kísérletekből, vagy mesterséges körülmények között, például laboratóriumban növesztett agysejtekkel végzett kutatásokból származtak, az elmúlt 50 évben ez a memória modell rendkívül sikeres lett, és a mesterséges intelligencia gyors fejlődése is erre épül. Nem meglepő ugyanakkor, hogy korábban élő állatos vizsgálatokra nem volt példa, hiszen hatalmas technikai kihívást jelentett ez a kutatóknak” – magyarázta Losonczy Attila.

A kutatócsoport Nature-ben közölt munkája ebben hozott nagy áttörést. Céljuk az volt, hogy kidolgozzanak egy módszertant, amellyel a tanulásért és memóriáért felelős idegsejtek hosszú távú szinaptikus plaszticitása, vagyis a szinapszisok erősségének változása (amely akár órákig, napokig is tarthat), valós időben, élő rágcsálómodellekben is mérhetővé válik. Az áttörés elérésében kulcsszerepet játszott a HUN-REN KOKI Rózsa Balázs által vezetett kutatócsoportjának segítségével kifejlesztett, és a BrainVisionCenterben is alkalmazott, speciális kétfoton lézerpásztázó mikroszkóptechnológia. A 3D-s valós idejű képstabilizációval felszerelt rendszer képes az agy folyamatos mozgását kompenzálni, lehetővé téve az agy apró elemi komponenseinek, mint a sejtek és sejtnyúlványok, vizsgálatát.

“Az in-vivo kísérletekben a zsigeri mozgások (szívverés, lélegzés), illetve az akaratlagos mozgás akár több tíz mikrométernyi elmozdulást is okozhatnak, amely lényegesen nagyobb, mint maguk a mérendő struktúrák. Ez viszont ellehetetleníti a nagy térbeli és időbeli felbontással történő méréseket, hiszen a mérendő biológiai képletek (sejttestek, sejtnyúlványok, dendritek, dendrittüskék) folyamatosan kitérnek a lézerpásztázás alól. Az általunk használt femtoszekundumos [ez a másodperc ezermilliárdodrészének egymilliomod része, ennyi idő alatt a fény 0,3 mikrométert halad, ami nagyjából egy baktérium méretének felel meg] lézerpásztázó eljárás valós időben és 3D-ben kompenzál a mozgásra” – magyarázta el az új módszer hasznosságát Rózsa Balázs, a BrainVisionCenter igazgatója, a HUN-REN KOKI vezető kutatója, a publikáció kollaborációs partnere.

A berendezés képes az emberi hajszál vastagságának századrészét kitevő struktúrákban megfigyelni az összes aktivitást, és elég gyors ahhoz, hogy elkapja a szinapszisok erősségének változásait, amelyek másodpercek századrésze alatt történnek. A mikroszkóprendszert az úgynevezett feszültségszenzorokkal együtt alkalmazva sikerült, ami korábban megoldhatatlannak tűnt: élő, viselkedő állat agyában feszültségjeleket mérni egyetlen szinapszis szintjén.

A kutatócsoport egyik legnagyobb meglepetése az volt, hogy a megfigyelt hippokampális neuronok [ezek az agy temporális lebenyében helyezkednek el, a tanulásban, a memóriában és a térbeli tájékozódásban játszanak kulcsszerepet] szinapszisai nem viselkedtek egyformán az idegsejtek faágszerűen szétágazó nyúlványai, az úgynevezett dendritek mentén. A piramis alakú sejtek csúcsa közelében lévő ágak szinapszisainak aktivitása és erőssége változott a kísérletek során, míg a sejtek bázisa közelében lévőké nem. „Még mindig nem világos, miért van ez így, miért lehet ez a mechanizmus fontos” – fejtette ki Losonczy Attila. „Tudjuk, hogy az emlékek több szinten szerveződnek, a szinapszisoktól az egyes neuronokig és idegi áramkörökig, és most azt látjuk, hogy akár sejten belüli szinten is szerveződhetnek.”

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.
Losonczy Attila csapatának nem ez az első tudományos áttörése, amelyet magyar fejlesztéseknek köszönhetően ért el. 2020-ban a Neuron folyóiratban jelent meg forradalmi tanulmányuk az agy memóriaközpontjában működő gátló idegsejtek működéséről. Ezt követte 2022-ben egy újabb publikáció a Nature-ben, amely bemutatta, hogy az agy egyik fontos memóriaközpontjában az idegsejtek kisebb csoportokba szerveződve, együtt tanulnak.

Publikáció:

DOI: 10.1038/s41586-024-08325-9

A BrainVisionCenter Kutatóintézet és Kompetenciaközpont (BVC) a HUN-REN Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézettel (HUN-REN KOKI) együttműködve egy egerek számára optimalizált virtuális valóság (VR) szemüveget fejlesztett ki, amely új távlatokat nyit az agyműködés kutatásában és a látást helyreállító agy-számítógép interfészek fejlesztésében. A Moculus nevű eszköz élethűen szimulálja a természetes látást a kísérleti állatok számára, és akár százszorosára gyorsíthatja a tanulási folyamatokat. Ez az innováció szorosan illeszkedik a Roska Botond és Rózsa Balázs által alapított BVC küldetéséhez, amely a látás helyreállítását célzó terápiák és a központi idegrendszeri betegségek kezelésének fejlesztésére összpontosít. A fejlesztés mögött Judák Linda, Szalay Gergely, Dobos Gergely és Rózsa Balázs állnak, akik az egér látókéreg gyors tanulás során tapasztalt plaszticitását vizsgálták. Kutatásuk jelentőségét jól mutatja, hogy tanulmányukat a világ egyik legnevesebb tudományos folyóirata, a Nature Methods publikálta.

A viselkedés és érzékelés agykérgi reprezentációja a tudomány egyik kiemelt kutatási területe, hiszen ez alapozza meg az agyi mechanizmusok mélyebb feltárását, valamint az ehhez kapcsolódó terápiás lehetőségek felfedezését és kidolgozását. Ezeknek a jelenségeknek egyedi sejtek szintjén történő megértéséhez a legmegfelelőbb módszer, ha az egerek agyműködését gyors 3D-s képalkotással vizsgáljuk. Az ilyen vizsgálatok során azonban különösen fontos, hogy az egér feje teljesen stabil maradjon, hiszen a mozgás ronthatja az eredmények pontosságát. Ezt a kutatók jellemzően az egér fejének rögzítése mellett, virtuális valóság rendszerek alkalmazásával oldják meg.

Az elmúlt 20-30 évben agykutatók, gyógyszergyárak és vállalatok számos virtuális valóság eszközt fejlesztettek a kísérleti állatok látásának vizsgálatára. Ezek az eszközök azonban általában kétdimenziós projekciókat használtak a virtuális tér megjelenítésére, feltételezve, hogy a kísérleti állatok, az emberekhez hasonlóan, képesek a kétdimenziós képekből, mint például egy tévéképernyő sík képéből, rekonstruálni a körülöttük lévő 3D-s valóságot. A HUN-REN KOKI, a BVC, az Institute of Molecular and Clinical Ophthalmology Basel és a Pázmány Péter Egyetem kutatói azonban kimutatták, hogy ez a feltételezés hibás. Rágcsálók esetében a kétdimenziós vetítések nem nyújtanak valósághű élményt, ami torzíthatja az eredményeket. Ezt egy egyszerű, de szemléletes példával igazolták Dobos Gergelyék: az egerek gond nélkül áthaladtak a hagyományos VR kijelzőkön bemutatott virtuális szakadékon. Ezzel szemben azonnal megtorpantak, sőt, hátrafelé menekültek, ha a szakadékot a Moculus rendszerrel mutatták be nekik.

„A projekt tehát bebizonyította, hogy az egerek csak akkor érzékelik három dimenzióban a világot, ha a virtuális valóságot az ő látásukhoz igazítva, valósághűen vetítik számukra. Az egerek ugyanis nem rendelkeznek elegendő absztrakt vizuális gondolkodási kapacitással, mint az emberek, ezért számukra elengedhetetlen, hogy a látottak hűen tükrözzék a valóságot” – fejtette ki dr. Szalay Gergely, a HUN REN KOKI és a BVC vezető kutatója.

A Moculus VR rendszer egy speciális futópadból tartalmaz, amely rögzíti és továbbítja az egér mozgásának adatait, két képernyőből, valamint egy hozzájuk illeszkedő optikai leképezőrendszerből áll. Ez utóbbi biztosítja az egerek számára szükséges, 180 foknál is szélesebb látómezőt, amely lehetővé teszi, hogy természetes módon lépjenek interakcióba a virtuális környezettel. Eközben a kutatók a kétfoton mikroszkóp segítségével feltérképezhetik az egér agyi aktivitásmintázatait, melyek tanulmányozása lehetőséget ad arra, hogy jobban megértsük, hogyan tanulnak az állatok, és milyen idegi mechanizmusok szabályozzák a döntéshozatalt. E kutatások nemcsak az alapvető agyműködés megértésében nyújtanak segítséget, hanem hozzájárulhatnak a neurológiai rendellenességek, például látáskárosodás terápiás megoldásainak fejlesztéséhez.

„A rágcsálók vizuális tanulási képességei meglepően fejlettek. A korábbi elképzelésekkel szemben akár egyetlen nap, sőt néha mindössze 30 perc alatt is képesek új vizuális információk elsajátítására. Azaz a rágcsálók több mint 100-szor gyorsabban tanulnak a Moculussal, mint a korábbi virtuális valóság rendszerekkel, amelyekkel történő tanítás 5-9 napot igényelt. A hosszú betanításból adódó nehézségek, műtermékek csökkentésével pedig a Moculus forradalmasítja a vizuális tanulási mechanizmusok kutatását, hiszen akár egyetlen rövid tréning során lehetővé tesz felfedezéseket” – ismerteti az eredményeket dr. Judák Linda, a HUN REN KOKI és a BVC vezető kutatója. Az eszköz egyik legnagyobb előnye, hogy képes az összetett, a tanuláshoz kapcsolt agyi aktivitásmintázatok, köztük a már a vizuális ingerek megjelenése előtt felbukkanó úgynevezett anticipációs jelek azonosítására is.
Dr. Judák Linda ehhez azt is hozzátette, hogy a kutatások során azt tapasztalták, a neuronok fokozatosan kapcsolódnak be a tanulási folyamatba, és aktivitásuk különösen a viselkedési döntések előtti kritikus időszakban erősödik meg. Az eszköz segítségével a vizuális tanulás során létrejövő új, eddig ismeretlen idegrendszeri hálózati mechanizmusokat is felfedeztek.

A jelenlegi tudományos irodalom szerint a látókéreg idegsejtjeinek aktivitása tanulás hatására körülbelül 10%-kal emelkedik. Sőt, a legfrissebb kutatások meglepő eredményekkel szolgálnak: néhány esetben 0%-os aktivitásváltozást vagy akár aktivitáscsökkenést is tapasztaltak. Fontos kiemelni, hogy ezen korábbi vizsgálatokban az egerek tanítása 5-9 napig tartott, ami elegendő időt adott a memória-konszolidációs folyamatoknak az agyi aktivitási mintázatok átrendezésére. A Moculus által biztosított ultra gyors tanulási lehetőség révén először sikerült olyan pillanatképet rögzíteni az agyműködésről, amikor ezen átrendeződési folyamatok még nem indultak el, tehát közvetlenül meg tudták figyelni a tanulás hatását. Az eredmények alapján a látókéreg működése jelentősen eltér az eddig tankönyvinek tekintett adatoktól. Az agy képes szinte az összes idegsejtet rövid időre aktiválni a látókéregben a vizuális feladatok teljesítése érdekében, így maximalizálva számítási kapacitását a vizuális komponensek gazdagabb reprezentációja érdekében.

A tanulás lényege abban rejlik, hogy ezek a gazdag neuronális reprezentációk versengenek egymással. A tanulási folyamat során az agyban egyfajta „versengési folyamat” zajlik a téridőbeli neuronális reprezentációk között, melynek célja, hogy a viselkedés szempontjából releváns információkat, mint a pozitív vagy negatív megerősítés, kódolják. Kimutatható, hogy az ezekből származó visszacsatolás az a kritikus információ, amely sejt szinten tanítja és átprogramozza a neuronhálózatok működését. Ez a folyamat határozza meg azt a „nyertes” reprezentációt, amely dominálja a kódolást, míg a többi információ kódolása visszatér az alap aktivitásra – ismertette a részleteket dr. Rózsa Balázs, a BVC igazgatója, a HUN-REN KOKI és a Pázmány Péter Katolikus Egyetem csoportvezetője.

Kiemelte, hogy a projekt legfontosabb eredménye az új eszköz, amely olyan téridőbeli agyi aktivitásmintázatokat generál, amelyek nagyságrendekkel pontosabban és mélyebben kódolják környezetünk adott látványelemeit. Ez lehetővé teszi, hogy a 3D akusztooptikai mikroszkópra épülő látáshelyreállító eszközök minden eddiginél precízebben aktiválják vissza az idegsejtek aktivitását, és így sokkal pontosabb mesterséges látást hozzanak létre.

“Három évvel ezelőtt, 2021 év végén, a BrainVisionCenter alapításakor Roska Botonddal a látáshelyreállítás alapkutatást, az ehhez szükséges speciális kutatóeszközök fejlesztését, valamint az agykérgi látáshelyreállításhoz kapcsolódó kutatásokat jelöltük meg fő küldetésként. A Moculus ezeknek a törekvéseknek az egyik fontos állomása, segítségével ugyanis a Botondék által fejlesztett géntechnológai eljárások agykérgi látáshelyreállításban betöltött szerepe minden eddig módszernél hatékonyabban tesztelhető.”- húzta alá az igazgató.

Az eszköz nagy érdeklődésre tart számot az idegtudományi kutatóeszközök területén, hasonló ugyanis jelenleg nem elérhető a piacon. Óriási előnye többek között az is, hogy kompakt, moduláris kialakítása lehetővé teszi, hogy bármilyen elektrofiziológiai vagy képalkotó eszközhöz (például kétfoton mikroszkóphoz) könnyen illeszthető legyen.

Publikáció:

Moculus: an immersive virtual reality system for mice incorporating stereo vision

DOI: 10.1038/s41592-024-02554-6

Rózsa Balázs, orvos, fizikus, a BrainVisionCenter Kutatóintézet és Kompetenciaközpont igazgatója, valamint a HUN-REN Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet kutatócsoportvezetője, 2024. decemberben elnyerte a civil szféra egyik legnagyobb elismerését, a Gábor Dénes-díjat. Munkássága alapvető szerepet játszott új, innovatív eszközök kifejlesztésében és azok világpiaci értékesítésében, valamint úttörő nemzetközi tudományos együttműködések kialakításában.

Rózsa Balázs párhuzamosan végzett el két egyetemet: 1999-ben summa cum laude orvosi diplomát szerzett a Semmelweis Egyetemen, majd 2001-ben fizikai diplomát az ELTE-n, és 2007-ben idegtudományokból summa cum laude PhD fokozatot. 2002 óta aktívan részt vesz a HUN-REN Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet kutatásaiban. 2005 és 2008 között a kétfoton mikroszkóp fejlesztő csapat tagja volt, majd 2008-tól a háromdimenziós kétfotonmikroszkóp fejlesztő csapat vezetője lett. 2005-ben megalapította a mikroszkópfejlesztéssel foglalkozó Femtonics Kft.-t. 2010-től a PPKE-n vezeti az ITK Multi-foton Kutatócsoportot, és a HUN-REN KOKI Kétfoton képalkotó központjában is dolgozik, ahol 2016-tól a Neuronhálózat és Dendritikus Aktivitás Kutatócsoport vezetője. Ugyanebben az évben az általa elnyert ERC grant volt az első magyar ERC pályázat, amely felkerült az ERC honlapjára kiemelt projektként.

2021-ben Roska Botonddal és a Magyar Állammal együttműködve megalapította a BrainVisionCenter Kutatóintézetet és Kompetenciaközpontot, amely jelentős mérföldkő a kutatói pályafutásában. Az intézmény küldetése új eljárások és berendezések kifejlesztése a központi idegrendszeri betegségek terápiájának és diagnosztikájának céljából.
Az intézetben új molekuláris biológiai módszerek és háromdimenziós lézermikroszkópos technológiák alkalmazásával vizsgálják a látáshelyreállító terápiák hatékonyságát. Emellett optogenetikai módszerekkel keresnek megoldásokat a központi idegrendszer számos betegségének, például a depresszió, a demencia és az epilepszia kezelésére. Legfontosabb küldetésük az új neurofotonikai eszközök és agyi interfészek kifejlesztése és optimalizálása. Konkrét céljaik között szerepel a részleges látáshelyreállítás olyan vaksági formák esetén, ahol a látóideg hiányzik vagy sérült.
Rózsa Balázs eddigi pályafutása során több tucat hazai és nemzetközi tudományos közleményt publikált neves folyóiratokban, mint a Science, Nature Methods, Nature, Nature Communications, és Neuron. Több mint 50 nemzetközi szabadalmi bejelentéssel rendelkezik, közel félszáz nemzetközi előadást tartott, és a Femtonics Kft. által fejlesztett mikroszkópjait világszerte több mint 150 neves laboratóriumban használják, például a Yale, Harvard, MIT és Columbia University intézeteiben. Tehetséges fiatalokból álló multidiszciplináris kutatócsapata intenzív kollaborációt folytat neves nemzetközi intézetekkel.

2024 decemberében két jelentős tanulmányt is publikáltak. Az egyik a Nature-ben jelent meg, amelyet Losonczy Attilával, a Columbiai Egyetem vezető kutatóprofesszorával és a HUN-REN KOKI kutatócsoportjával közösen készítettek. Ez a munka áttörést hozott azáltal, hogy először sikerült viselkedő állatok agyában térben regisztrálni a membránfeszültséget az idegsejtek nyúlványaiban. Az áttörés eléréséhez a 3D lézerpásztázó kétfotonmikroszkóp technológiájukat alkalmazták, amelyet 2024-ben innovációs díjjal is kitüntettek.

Ugyanebben a hónapban a Nature Methods-ban jelent meg egy másik tanulmányuk, amely az egér látókéreg gyors tanulás során tapasztalt plaszticitását vizsgálta. Ez a kutatás a Roska Botond által vezetett Institute of Molecular and Clinical Ophthalmology Basel-lel és a HUN-REN KOKI-val együttműködésben készült. A vizsgálatokhoz az általuk fejlesztett, egerek számára optimalizált virtuális valóság szemüveget, a Moculust használták. Az eszköz jelentőségét az mutatja, hogy míg az elmúlt 30 évben kifejlesztett VR eszközök által vetített valóságot a rágcsálómodellek nem tudták értelmezni, a Moculus által valósághűen vetített sztereó képeket azonnal fel tudták dolgozni. Ennek eredményeként az állatok több mint százszor gyorsabban tanultak, és agyműködésük is teljesen más mintázatot mutatott. Ez a kutatás új távlatokat nyitott az agyműködés megértésében, valamint a látást helyreállító agy-számítógép interfészek fejlesztésében.

A 2024 év végén, Rózsa Balázs által is elnyert Gábor Dénes-díj a magyar tudományos és mérnöki közösség egyik legnagyobb elismerése. 1989-ben alapították, és célja a műszaki-szellemi alkotások, a mérnöki munka és a technológiai fejlesztés kiemelkedő teljesítményeinek elismerése. Az elismerést az Országházban tartott ünnepségen adták át.

A díjról szóló éves kiadvány a hivatalos honlapról és digitálisan is letölthető és olvasható.