Mitől különleges az emberi agy, mitől egyedi? Egyáltalán egyedi?

Úgy látjuk a legújabb eredmények fényében, hogy az emberi agykéreg egyedi. Egész a közelmúltig úgy gondolták, hogy nincs különbség az emberi agy, illetve a rágcsáló – a tudományos világban modellállatként használt egér vagy patkány – agykérge között, pusztán csak a méret.

Az emberi agy durván ezerszer akkora, mint egy patkány agya. Egész a közelmúltig úgy gondolták, hogy pusztán az idegsejtek száma, illetve a köztük lévő kapcsolatok, a szinapszisok számában van különbség.

A legújabb eredmények viszont arra utalnak, hogy vannak olyan egyedi tulajdonságok – áramköri-, illetve sejttulajdonságok – az emberi agykéregben, amik talán lehetővé teszik, hogy az ember, a fajunk ennyire kiemelkedik szellemi képességek tekintetében az élővilágból.

Mik ezek pontosan? Miben különbözünk?

Még csak most kezdjük el megérteni, a felszínt kaparászni, és a kép teljessé tételéhez többek között a mi kutatócsoportunk eredménye is hozzájárul.

2008-ban publikálta Tamás Gábor és kutatócsoportja először azt a megfigyelést, hogy a neocortexben, az emberi agykéregben vannak olyan szuper erős, szuper hatékony kapcsolatok az idegsejtek között, olyan szinapszisok, amik lehetővé teszik, hogy egy piramissejt akciós potenciálja egy egész sor további idegsejtet képes aktiválni.

Tehát egyetlen akciós potenciál, egyetlen egy aktivitáscsomag képes beindítani egy egész idegsejthálózatot.

Ezt egészen eddig csak az emberi agykéregben sikerült kimutatni, megfigyelni.

A mi csoportunk ebből a megfigyelésből indult ki, és azt találtuk, hogy ezek a szuper erős, szuper hatékony szinapszisok nagyon könnyen változtathatók, plasztikusak, nagyon könnyen lehet ezeknek a hatékonyságát, az erejét változtatni tanulás hatására.

Ez nem egy új jelenség, minden állatban – a gerincteleneket is beleértve – létezik egy idegrendszeri plaszticitásnak nevezett jelenség. Az idegsejtek közötti kapcsolat nem állandó, nem előre huzalozott erősségű, hanem tanulás hatására változik, erősödik vagy gyengül. Viszont úgy találtuk, hogy ezek a humán, az emberre jellemző szuper hatékony szinapszisok extrém plasztikusak, extrém könnyen lehet ezeknek az erősségét változtatni.

Hogy egy picit az állatokra visszatérjünk: ők gondolkodnak? Gondolkodnak például a kutyák?

Mindenképpen gondolkodnak. Ebben nem vagyunk egyediek az élővilágban. Csányi Vilmos indította el azt a kutyaviselkedéses kutatást, amelynek az eredményei elég egyértelműen abba az irányba mutatnak, hogy gondolkodnak. A madarakról például tudjuk azt, hogy tudnak számolni, tudnak előre tervezni – ami előre gondolkodás –, bizonyos állatoknak van jövőképük, előre tudnak tervezni.

Az agyunk is az evolúció során alakult ki. Azt lehet tudni, hogy miért éppen itt állt meg a fejlődése, vagy egyáltalán megállt-e a fejlődése? Miért nem lett mondjuk nagyobb?

Mindenféle élettani okai vannak annak, hogy az elérte az optimális méretét. A szülés során már így is elég nehéz világra hozni az újszülött csecsemőt, képzeljük el, hogy mi lenne, ha mondjuk kétszer ekkora lenne a feje, illetve kétszer ekkora lenne az agya. Lehetetlen lenne a szülés folyamata.

Úgy gondoljuk, hogy az evolúció mikrohálózati szinten tekert egy kicsit az idegrendszeri felépítésen. Az a kis evolúciós változtatás, hogy lehetővé tette ezeknek a szuper erős szinapszisoknak a létrejöttét az emberi agykéregben, elősegítette az emberi szellemi kapacitás kibontakozását.

Az emberi agy nem méretben növekedett, hanem mikrohálózati szinten történtek bizonyos változtatások.

A technikai fejlődés – például az MRI felhasználása – nagyon sokat segít az Önök kutatásaiban is. Hova fejlődhet tovább az agykutatás? Mi lehet a következő terület vagy mi lehet a következő rész, amit vizsgálnak?

Az agykutatás manapság az egyik leggyorsabban fejlődő tudományterület, és megjósolni is nehéz, hogy tíz-húsz év múlva milyen módszerek, milyen eredmények fognak születni. Tíz-húsz évvel ezelőtt is elképzelhetetlen volt néhány mai mérési technika.

Például az, hogy fénnyel tudunk egy idegsejtet ingerelni vagy éppen gátolni az egész agyban, és nézni azt, hogy ennek az egy idegsejt működésének a befolyásolása milyen hatással van a viselkedő állatra.

Beláthatatlan lehetőségek vannak még, a fejlődéssel egyre inkább új kutatási területek nyílnak meg.

Ön szerint, lehetséges lesz a jövőben egy olyan hazugságvizsgálat kidolgozása, amely az agy reakcióira épül?

Mindenképpen. Úgy tudom, hogy most is próbálkoznak ilyennel: az agyhullámok vizsgálatával próbálnak ilyen új típusú hazugságvizsgáló készülékeket létrehozni. Ez szerintem még csak a felszínnek a kaparászása itt is. Elképesztő lehetőségek vannak: akár képalkotási, akár elektrofiziológiai módszerekkel is lehetséges lesz megjósolni azt, hogy mire gondolhat az ember, milyen memórianyomok aktiválódnak az agyában. Messze vagyunk még ettől, de előbb-utóbb lehetővé válnak ezek a kutatási témák.

Ezt úgy kell elképzelnünk a gyakorlatban, hogy ha például egy bűnözőnek megmutatják a tetthely fényképét, akkor tudják mérni, hogy az agya felismeri-e azt vagy sem?

A mai technikával még ezt nem tudják mérni. De néhány éven, esetleg néhány évtizeden belül ez mindenképpen lehetővé válik. Véleménye szerint súlyos etikai kérdéseket kell tisztázni, mielőtt ezt a gyakorlatba át lehet majd ültetni.

Az Önök csoportját egy külföldi professzor vezeti Szegeden. Mennyire nemzetköziek ezek a kutatások? Mennyire tudnak együttműködni más intézményekkel?

A kutatócsoportunk vezetője Karri Lamsa – aki finn származású – Oxfordból jött Szegedre a Nemzeti agykutatási program által nyújtott támogatás segítségével. Kifejezetten azért jött Szegedre, mert itt elérhetők az emberi agyból származó minták. Tehát itt magas szinten tudja művelni ezt a kutatási területet.

Az agykutatás semmiképpen nem egy zárt kutatási terület. Itt több tudományterület, illetve több nemzetközi kutatócsoport együttműködéséből születhetnek a nagy eredmények.

A mi csoportunk másfél éve indult teljesen a nulláról, tehát üres szobával kezdtük az egész pályázat megvalósítását. Ezért a társszerzők között még csak a mi szegedi csoportunk tagjai vannak, tehát mindenképpen tervezzük további együttműködések kiépítését is.

Magyar kutatók leleményessége segített a különbség megmérésében

A technika fejlődése és a magyar kutatók leleményessége tette lehetővé azt, hogy sikerült megmérni, mennyivel erősebb az ingerületátvitel az emberi neuronok között, mint ugyanez a rágcsálók esetében. A tudósok a Nemzeti Agykutatási Program keretében dolgoztak az MTA Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézetével együttműködve. Molnár Gábort, a Szegedi Tudományegyetem agykutatóját kérdeztük.

Mik ezek a bizonyos extrém hatékony szuper plasztikus szinapszisok?

Nagyon hangzatos ezt így mondani. Igazából arról van szó, hogy  a szinapszisok és az idegrendszer elemei ugyanúgy megtalálhatók emberben és állatban egyaránt. Nagyon hasonló struktúrák vannak, ám azt vettük észre – és ez a mi eredményünk –, hogy ezek nem ugyanúgy működnek.

Van egy – mondhatni – óriási különbség a kettő között. Míg az állatokban egy ilyen szinapszis nagyon kicsi ingerületátvitelre képes, addig - mi úgy mértük, hogy - az emberben akár négyszeres mértékű ingerületátvitelre képes.

Ezidáig emberi mikroszkopikus – tehát sejtszintű - idegrendszeri kutatásokat nem nagyon végeztek. Minden idegrendszeri kutatási eredményt az állatokból kaptuk: rágcsálókból, egerekből és patkányokból. Tehát minden jelenlegi neurobiológiai ismeretünket gyakorlatilag az állatok idegrendszeréből tanultuk.

Ez azért van, mert az emberi idegrendszert ilyen mikroszkopikus szinten nem volt lehetőség tanulmányozni működés közben. Nagyon sok sejt együttes működését lehetett volna például az FMRI-vel mérni.

A kutatásainkat a Szegedi Tudományegyetem Élettani, Szervezettani és Idegtudományi Tanszékén végeztük, és adódott egy olyan szerencsés helyzet, hogy a szegedi Idegsebészeti Klinikával, Barzó Pál professzorral összefogva hozzájuthattunk emberi mintákhoz.

Ezeket idegsebészeti műtétekkor nyerik ki, amit egyébként is ki kell venni. Ezeket egyébként megsemmisítenék, de mi ezt elhozzuk a laboratóriumunkba, és ugyanúgy méréseket végzünk rajtuk, ahogyan ezt tesszük az állati idegrendszeren is, elektormikroszkópos vagy elektorfiziológiai módszereket alkalmazunk.

A struktúrát már tudtuk körülbelül, tudtuk, hogy az emberi agy struktúrában nagyon hasonlít az állatokéhoz.

Mivel a patkány agy és az emberi agy közötti különbség szemmel látható, van egy méretbeli különbség, nyilván van sejtszámban is különbség.

A kérdés az volt, hogy az emberi agy csak egy megsokszorozódása egy patkány agystruktúrájának, vagy vannak benne funkcionális különbségek. Ez egy nagyon nagy kérdés volt. Most úgy tűnik, hogy az eredményeink alapján elmondhatjuk, hogy van különbség.

Ezek a szinapszisokon – az idegsejtek közötti kapcsolatokon – keresztül kommunikál az egyik idegsejt a másikkal. Az idegsejtek elektromos jelekkel kommunikálnak, egy nagyon rövid ideig tartó – egy milliszekundum hosszúságig tartó – elektromos jellel. Ezeket a jeleket továbbítják a szinapszisok.

Azt már láttuk egy korábbi tanulmányunkban, hogy ezek a szinapszisok erősek, a mostani tanulmányunkban – ami az eLife folyóiratban jelent meg – az az újdonság, hogy meg tudtuk mondani, hogy mi okozza ezt a funkcionális eltérést.

Ahhoz, hogy ezt elmondjam, kicsit bele kell mennem a szinapszis felépítésébe. Két sejt közötti kapcsolatban egy ingerületátvitel történik. Ezt az ingerületátvitelt a szinapszis előtti sejt okozza ezzel a rövid idegi tartó impulzussal, és ez a szinapszisban egy neurotranszmitter felszabadulást okoz. A neurotranszmitter az az ingerületátvivő anyag, ami a szinapszis utáni sejtre hat. Ez a transzmitter pici hólyagocskákba van belecsomagolva, úgy nevezett vezikulákba. Ezek a vezikulák benne csücsülnek a szinapszisban, a jelet küldő sejt felőli részben.

A mi méréseinkben azt mutattuk ki többféle módszerrel, hogy ezekből a vezikulákból van sokkal több az emberben, mint a patkányban.

A patkányban átlagosan egy darab ilyen vezikulában lévő transzmitter szabadul fel, addig az emberben négyszeres mennyiségű vezikula szabadul fel.

Ez az agy egészére jellemző vagy csak bizonyos területeire?

Abban a kérgi agyterületben, amiben a vizsgálatokat végeztük. Ha az agykéreg egészét vesszük – és nem a belső agyi struktúrákat figyeljük –, akkor alapvetően a patkányban ez az egy vezikulafelszabadulás a fő szabály, míg az emberben ugyanazokban a serkentő kapcsolatokban ez körülbelül négyszeres nagyságú.

Ha szemléltető példával szeretnék élni, akkor azt mondanám, hogy mintha a patkány-idegsejtek egymás között mintha rádióval beszélnének – a jelet küldő idegsejt egy rádió segítségével hallatja a hangját a jelet fogadó idegsejttel –, ezt a rádiót be tudja kapcsolni és akkor az halkan szól. Addig az emberi idegsejtek között ez a rádió bekapcsolható és hangosítható annyira, hogy akár üvölthet is a rádió.