Az agy működésének sejtszintű megértése az idegtudomány egyik legösszetettebb kihívása. A BrainVisionCenter kutatói olyan korszerű képalkotó és fotostimulációs módszerekkel dolgoznak, amelyek segítségével az idegsejtek aktivitása nemcsak megfigyelhető, hanem térben és időben egyre nagyobb részletességgel vizsgálható.
Az Élet és Tudomány 2026/32. számában megjelent Láthatóvá tenni az agy működését című cikk közérthetően mutatja be a BVC-ben alkalmazott 3D kétfoton mikroszkópia lehetőségeit, valamint azokat a legújabb kutatási eredményeket, amelyek új megvilágításba helyezik a dendritek szerepét a tanulásban, a memória kialakulásában és az információfeldolgozásban.
Örömmel osztjuk meg olvasóinkkal Hajdú László írását, amely az alapkutatástól az orvosi vonatkozásokig ad betekintést abba, hogyan válhat az agy működése egyre pontosabban láthatóvá és érthetővé.
Eredeti megjelenés: Élet és Tudomány, 2026/32
Szerző: Hajdú László
Az alábbiakban az eredeti cikket közöljük.
Nyúlványok és funkciók
Láthatóvá tenni az agy működését
Az agy működésének megértése a modern természettudomány egyik legnagyobb kihívása. Olyan, mintha egy hatalmas város forgalmát szeretnénk megérteni: nem elég tudni, hol vannak az utak és a csomópontok, azt is látni kell, merre halad az információ, mikor alakulnak ki fontos kapcsolódási pontok, és mely folyamatok befolyásolják az egész rendszer működését. Az agy esetében ezek az „utak” és „csomópontok” az idegsejtek és kapcsolataik, a „forgalom” pedig az idegi aktivitás.
A kutatók számára sokáig az jelentette a legnagyobb nehézséget, hogy az agyat ne csupán szerkezetében, hanem működés közben, sejtszintű részletességgel is vizsgálni tudják. Ebben hoztak áttörést a kétfoton mikroszkópián alapuló képalkotó eljárások. Ezek a módszerek lehetővé teszik, hogy az idegsejtek aktivitását élő szövetben, nagy térbeli felbontással és viszonylag mély agyi rétegekben is megfigyeljük. A BrainVisionCenter Nonprofit Kutatóintézet és Kompetenciaközpont (BVC) kutatóinak munkája ezen a területen nemzetközi szinten is kiemelkedő: céljuk, hogy az agy működését ne csak megfigyelhetővé, hanem bizonyos mértékig célzottan befolyásolhatóvá is tegyék.
Feszültség- és kalciumjelek
A BVC-ben alkalmazott egyik legfontosabb technológia a 3D kétfoton lézermikroszkópia. A módszer lényege, hogy a kutatók nem csupán egy síkban, hanem térben, három dimenzióban tudják követni az idegsejtek aktivitását. Ez azért különösen fontos, mert az agyban az információ nem egyetlen síkban áramlik, hanem bonyolult, térbeli hálózatokban. A 3D képalkotás így sokkal teljesebb képet ad arról, hogyan működnek együtt az idegsejtek és azok különböző részei.
Az idegsejtek hosszú nyúlványaik és elágazásaik révén rendkívül összetett hálózatokat alkotnak. Az idegsejtek közötti kommunikáció jelentős része ezeken a nyúlványokon keresztül zajlik, ezért az agyműködés megértéséhez nem elegendő kizárólag a sejttestek vizsgálata. A legújabb kutatások egyre inkább azt mutatják, hogy az idegsejtek nyúlványai maguk is aktív szerepet játszhatnak az információ feldolgozásában, vagyis nem csupán továbbítják, hanem alakítják is a beérkező jeleket.
Ebből a szempontból különösen fontosak a feszültség- és kalciumjelek. A feszültségjelek az idegsejtek gyors elektromos aktivitását mutatják meg, vagyis azt, hogy a sejt mikor kap vagy továbbít információt. A kalciumjelek ezzel szemben lassabb, de rendkívül fontos biokémiai folyamatokról árulkodnak: például arról, hogy egy adott idegsejt vagy annak egyik nyúlványa mennyire aktív, hogyan változik a kapcsolaterősség más sejtekhez képest, és milyen folyamatok alapozhatják meg a tanulást vagy az emlékezést. Ha ezeket a jeleket nemcsak a sejttestben, hanem az idegsejtek elágazásaiban is mérni tudjuk, akkor sokkal árnyaltabb képet kapunk arról, hogyan dolgozza fel az agy az információt.
A kutatásokban a képalkotás mellett a célzott fotostimuláció is központi szerepet kap. Ez azt jelenti, hogy a kutatók fény segítségével nemcsak megfigyelni, hanem meghatározott idegsejteket vagy idegsejtcsoportokat aktiválni is tudnak. Ennek segítségével oksági kérdések vizsgálhatók: nemcsak azt lehet megfigyelni, hogy egy idegsejtcsoport aktív-e egy döntés, tanulási folyamat vagy érzékelési feladat során, hanem azt is, hogy mi történik, ha ezt a sejtpopulációt célzottan befolyásoljuk. A laboratórium kutatásai többek között a jutalmazás, a büntetés, a döntéshozatal és a tanulás idegrendszeri folyamatait vizsgálják.
A dendritek mint processzorok
Egy most júliusban a Science-ben megjelent publikációban ezeket az eszközöket felhasználva értek el fontos eredményeket. A kutatás azt vizsgálta, miként működnek élő, viselkedő egerekben az agy egyik fontos memóriaközpontja, a hippokampusz CA3-régiójának idegsejtjei és azok dendritjei, vagyis sejtnyúlványai.
A vizsgálatok bizonyították, hogy a dendritek egyszerre képesek önállóan működni és szorosan együttműködni a sejttesttel. E kapcsolat a viselkedési helyzettől függően folyamatosan átrendeződik: a dendritek egyes helyzetekben szorosan kapcsolódnak a sejttest aktivitásához, máskor átmenetileg leválnak róla, és önállóan reprezentálják a térbeli helyzetet, a jutalom helyét vagy a környezet kontextusát. Ugyanazon idegsejt különböző dendritjei tehát eltérő információkat dolgozhatnak fel, ráadásul időben dinamikusan változó szabályok szerint.
Az idegsejt így nem egyszerű kapcsolóként, hanem összetett „számítógépként” működik: dendritjei párhuzamosan őrizhetnek múltbeli emlékeket, dolgozhatják fel a jelenlegi környezet információit, és készíthetik elő a jövőbeli tanulási folyamatokat. A dendritek aktivitása gyakran már előre jelezte, hogy a sejttest néhány másodperccel később miként fog működni. Képletesen fogalmazva: a sejtnyúlványok már azelőtt „tudják”, milyen válasz fog kialakulni, hogy azt maga az idegsejt ténylegesen megjelenítené.
Kiderült, hogy a tanulás során a sejttest és a dendritek eltérő időbeli mintázat szerint alkalmazkodnak. Amikor a jutalom helye megváltozott, maga az idegsejt gyorsan átállt az új helyzet kódolására, miközben számos dendrit még hosszabb ideig megőrizte a korábbi reprezentációt, vagyis egyfajta átmeneti memóriaként működött. Új környezetbe helyezve az állatokat ugyanakkor az új térbeli reprezentáció gyakran először a távolabbi dendritekben jelent meg, és csak később terjedt tovább a sejttest felé. Ez arra utal, hogy a tanulás első lépései bizonyos helyzetekben már a dendritek szintjén megkezdődhetnek.
A virtuális valóságban végzett navigáció során hasonló térbeli hangolású dendritek az úgynevezett éleshullám-fodrozódások – az idegsejthálózat rendkívül gyors, összehangolt aktivitási eseményei – alatt is koordináltak maradtak. Ez kapcsolatot teremt az éber állapotban zajló térbeli információfeldolgozás és az emléknyomok későbbi, offline újraaktiválása között. A megfigyelés arra utal, hogy az ébren együttműködő dendritek a nyugalmi vagy alvási állapotokhoz kapcsolódó memória-visszajátszás során is összehangoltan működhetnek.
Orvosi vonatkozások
Az eredmények alapvetően bővítik az agyműködésről alkotott képünket, és hosszabb távon az orvostudomány számára is új kutatási irányokat nyithatnak. Az Alzheimer-kór korai szakaszában gyakran érintett a hippokampusz működése, ezért a dendritikus információfeldolgozás jobb megértése új terápiás célpontokat tárhat fel a memóriaromlás lassítására vagy a tanulási folyamatok támogatására. A vizsgált CA3-régió emellett számos epilepsziás folyamat kialakulásában és terjedésében is fontos szerepet játszik. Annak feltárása, hogy a dendritek miként kapcsolódnak egymáshoz és a sejttesthez, hosszabb távon lehetőséget teremthet a kóros hálózati aktivitás célzottabb befolyásolására.
Az eredmények a memóriazavarok és a demenciák kutatásához is új támpontokat adhatnak, közelebb vihetnek ugyanis annak megértéséhez, hogy miért romlik a tanulási képesség, a térbeli tájékozódás vagy az emlékek kialakítása és felidézése. Egy, az orvostudománytól látszólag távolabb eső területen, a mesterséges intelligencia kutatásában pedig inspirációt nyújthatnak olyan új modellek fejlesztéséhez, amelyek nem egyetlen központi feldolgozóegységre, hanem párhuzamosan működő, dinamikusan összekapcsolódó alrendszerekre épülnek.
Ezekben a kutatásokban tehát szorosan összekapcsolják az agykutatást, a mérnöki fejlesztést és az orvostudományt. A mikroszkópia, a lézertechnika, az optika, az adatelemzés, a sejtkultúrás vizsgálatok és az állatkísérletes modellek együttesen járulnak hozzá ahhoz, hogy az agy működése egyre pontosabban vizsgálható legyen. A cél nem pusztán az, hogy részletesebb képeket készítsünk az idegsejtekről, hanem az, hogy ezekből a képekből új biológiai felismerések, terápiás eljárások alapjai szülessenek.
Hajdú László
Egy nemzetközi szintű tudományos központ
A BVC Roska Botond és Rózsa Balázs kezdeményezésére jött létre. Az intézetben folyó munkának már több mint 50 nemzetközi szabadalom, valamint számos rangos tudományos közlemény jelzi. Az itt fejlesztett és alkalmazott kétfoton lézerpásztázó mikroszkópok a sejtszintű agyi képalkotás kiemelkedő eszközei. Ezekkel a berendezésekkel az agyi folyamatok működés közben, nagy tér- és időbeli felbontással vizsgálhatók.
A technológia különösen fontos a látáskutatásban, a látáshelyreállítással kapcsolatos fejlesztésekben, valamint más neurológiai betegségek mechanizmusainak feltárásában. Az eszközöket természetesen világszerte használják, így erős nemzetközi kapcsolatok alakultak ki. Ezek révén szorosan kapcsolódik a világ vezető kutatóhelyeihez, miközben Magyarországon is fontos szerepet vállal a fiatal kutatók képzésében, a tudományos utánpótlás támogatásában és a tudományos ismeretterjesztésben.
A kutatóintézet rendszeresen fogad diákokat, részt vesz tudománynépszerűsítő programokban, és célja, hogy a legmodernebb idegtudományi eredményeket érthető és hiteles módon tegye hozzáférhetővé a szélesebb közönség számára.
