Egy nemzetközi kutatócsoport minden eddiginél sokkal részletesebb felbontásban térképezte fel az emberi agyat. A 2017-ben indult, 375 millió dollárból megvalósított projekt keretében készült agyatlaszban több mint 3300 sejttípust azonosítottak, és az eredményeket 21 tanulmányban ismertették, amelyek nemrégiben jelentek meg a Science és több más folyóirat lapjain.
Ed Lein, a seattle-i Allen Agytudományi Intézet idegkutatója öt vizsgálatot vezetett a most publikáltak közül. Elmondása szerint az eredményeket új technológiák tették lehetővé, amelyekkel a kutatók több millió emberi agysejtet vizsgálhattak meg biopsziával gyűjtött vagy holttestekből származó szövetekből. „Ez tényleg megmutatja, hogy mit lehet ma megtenni. Teljesen új korszakot nyit a humán idegtudományban” – mondja a kutató.
Lein elmondása szerint az atlasz csak a kezdetet jelenti, ez az első változata, amelynek megalkotásakor ő és kollégái az emberi agyat alkotó 170 milliárd sejtnek csak egy apró töredékét vizsgálták meg.
A jövőbeni vizsgálatok minden bizonnyal még több sejttípust fognak feltárni.
Sejtszintű sokféleség
A biológusok először az 1800-as években vették észre, hogy az agy különböző típusú sejtekből áll. Az 1830-as években Jan Purkinje cseh kutató felfedezte, hogy egyes agysejtek figyelemre méltóan sűrűn elágazó nyúlványokkal rendelkeznek. A Purkinje-sejtek, ahogy ma ismerjük őket, nélkülözhetetlenek izommozgásaink finomhangolásához.
A későbbi generációk olyan technikákat fejlesztettek ki, amelyekkel más sejttípusok is láthatóvá váltak mikroszkóp alatt. A retinában például hengeres „csapokat” találtak a kutatók, amelyek a fényt detektálják. A 2000-es évek elejére a szakértők csak a retinában több mint 60 különböző neurontípust azonosítottak. Közben pedig elgondolkodtak azon, hogy vajon hányféle sejt rejtőzhet az agy mélyebb bugyraiban, amelyeket sokkal nehezebb tanulmányozni.
A National Institutes of Health finanszírozásával Lein és kollégái ezért láttak neki az agy feltérképezésének, azt vizsgálva, hogy az agysejtekben hogyan aktiválódnak a különböző gének. Az agyban legalább 16 ezer gén aktív, és ezek különböző kombinációkban kapcsolódnak be a különböző típusú sejtekben.
A kutatók több forrásból gyűjtöttek agyszövetet, többek között nemrég elhunyt és agyműtéten átesett emberekből. A friss agyszövet tanulmányozása során a tudósok üvegcsövekkel vizsgálták az egyes sejtek felszínét, hogy „lehallgassák” elektromos aktivitásukat, festékeket fecskendeztek be, hogy megismerjék szerkezetüket, végül pedig kiszívták a sejtmagokat a sejtekből, hogy közelebbről is megvizsgálják ezeket. Ahelyett, hogy ezeket az eljárásokat kézzel végezték volna el, a kutatók robotokat terveztek a minták hatékony feldolgozására.
Lein becslése szerint a robotok eddig több mint 10 millió emberi agysejtet vizsgáltak meg.
Az újonnan azonosított sejtek egy része az agykéreg rétegeiben, az agy külső felszínén található. Ez a régió alapvető fontosságú az olyan összetett mentális feladatokhoz, mint a nyelvhasználat és a jövőre vonatkozó tervek kigondolása. Az új vizsgálatok azonban azt mutatják, hogy az agy sokféleségének nagy része az agykérgen kívüli területeken nyilvánul meg. A projekt során feltárt sejttípusok nagy része az agy mélyebb régióiban volt jellemző, például a gerincvelőhöz vezető agytörzsben.
A kutatók számos új neurontípust találtak, olyan sejteket, amelyek elektromos jeleket és kémiai anyagokat használnak az információ feldolgozásához. A neuronok azonban az agy sejtjeinek csak mintegy felét teszik ki. A sejtek másik fele még ennél is titokzatosabb. Úgy tűnik például, hogy az úgynevezett asztrociták táplálják a neuronokat, hogy azok folyamatosan megfelelően működhessenek.
A mikroglia sejtjei immunsejtekként szolgálnak, megtámadják az idegenként azonosított betolakodókat, és metszegetik a neuronok egyes ágait, hogy javítsák a jelátvitelt.
A kutatók most e sejtek számos új típusát is azonosították.
A kapcsolatok fontossága
A szakértők a most használt módszerek némelyikét alkalmazták csimpánzok és más fajok agyának vizsgálatára is. A fajok közötti összehasonlítás célja annak feltárása volt, hogyan fejlődött ki az emberi agy, és miben tér el más főemlősök agyától. Korábbi vizsgálatok azt sugallták, hogy az emberi agy részben annak köszönheti különlegességét, hogy újfajta sejteket fejlesztett ki. A kutatók azonban meglepődve tapasztalták, hogy az emberi agyban található összes sejttípus megtalálható a csimpánzoknál és gorilláknál, vagyis a legközelebbi rokonainknál is.
Ezeken a sejteken belül a kutatók azonosítottak néhány száz olyan gént, amelyek az emberben aktívabbak vagy éppen kevésbé aktívak a többi főemlősre jellemzőhöz képest. Az ilyen gének közül számos közel található a gének aktivitását szabályozó genetikai kapcsolókhoz. Bakken és kollégái megállapították, hogy az emberekre jellemző gének egy része az idegsejtek közötti kapcsolatok, az úgynevezett szinapszisok kialakításában vesz részt.
„Valójában a kapcsolatok, vagyis ahogyan ezek a sejtek kommunikálnak egymással, az különböztet minket a csimpánzoktól”
– mondja Trygve Bakken, az Allen Brain Institute idegkutatója, aki a főemlősökkel kapcsolatos kutatásokon dolgozott.
Megan Carey, a portugáliai Champalimaud Center for the Unknown idegkutatója, aki nem vett részt az agyatlasz-projektben, azt mondja, hogy a kutatás elképesztő mennyiségű új adatot szolgáltat a kutatók számára, amelyeket a jövőbeni vizsgálatok során felhasználhatnak. „Szerintem ez egy óriási sikertörténet” – magyarázza Carey, aki ugyanakkor arra is figyelmeztetett, hogy az emberi agy működésének megértése nem egyszerűen abból fog állni, hogy minden egyes részt a legapróbb részletekig katalogizálnak. A neurológusoknak is hátra kell lépniük egyet, és az agyat önszabályozó rendszerként kell szemlélniük. „Ebben az adatsorban lesznek olyan válaszok, amelyek segítenek majd közelebb kerülni ehhez. Csak még nem tudjuk, hogy melyek azok” – mondja Carey.
Adam Hantman, az Észak-Karolinai Egyetem idegkutatója, aki szintén nem vett részt a vizsgálatban egyetért abban, hogy az atlasz nagy segítséget jelenthet bizonyos típusú kutatásokhoz, például az agy fejlődésének nyomon követéséhez. Megkérdőjelezi azonban, hogy a sejttípusok katalógusa hozzájárulhat-e az összetett viselkedések megfejtéséhez. Ahogy fogalmaz:
„Arra vagyunk kíváncsiak, hogy mit csinál az egész zenekar, és nem igazán érdekel bennünket, hogy mit művel egyetlen hegedűs egy adott pillanatban.”