Niall Firth
Stefan Siebert és Charles David
Előben rögzítették egy állat testének minden idegsejtjének tüzelését. Az áttörés egy hidra – egy apró, átlátszó, a medúzákkal rokon élőlény – idegrendszerének rángatózás és mozgás közbeni leképezésével betekintést nyújtott abba, hogy az ilyen egyszerű állatok hogyan irányítják viselkedésüket.
A hasonló technikák egy nap talán segítenek majd abban, hogy mélyebben megértsük, hogyan működik a saját agyunk. “Ez nemcsak az emberi agy, hanem általában az idegtudomány számára is fontos lehet” – mondja Rafael Yuste a New York-i Columbia Egyetemről.
Agy helyett a hidra rendelkezik a természet legalapvetőbb idegrendszerével, egy ideghálózattal, amelyben az idegsejtek szétterülnek az egész testében. Ennek ellenére a kutatók még mindig szinte semmit sem tudnak arról, hogy a hidra néhány ezer idegsejtje hogyan hat egymásra a viselkedés kialakításában.
Hirdetés
Hogy ezt kiderítsék, Yuste és kollégája, Christophe Dupre genetikailag úgy módosították a hidrát, hogy neuronjaik kalcium jelenlétében világítsanak. Mivel a kalciumionok koncentrációja megemelkedik, amikor az idegsejtek aktívak és jelet adnak le, Yuste és Dupre képes volt a viselkedést a neuronok világító áramköreinek aktivitásával összefüggésbe hozni.
Egy áramkör például, amely a hidra gyomorszerű üregében látszólag az emésztésben vesz részt, aktívvá vált, amikor az állat kinyitotta a száját, hogy táplálkozzon. Ez az áramkör lehet a mi bélrendszerünk őse – sugallja a páros.
Neurális kód
Egy másik áramkör akkor lép működésbe, amikor a hidra gömbölyűre húzza össze a testét, hogy elrejtőzzön a ragadozók elől. Egy harmadik, úgy tűnik, érzékeli a fényt, és segíthet abban, hogy az állat tudja, mikor kell enni – annak ellenére, hogy vakok, a hidrának fényre van szüksége a vadászathoz, és ezt inkább reggel teszi.
A csapat megállapította, hogy egyetlen neuron sem volt tagja egynél több áramkörnek. Ez arra utal, hogy az állat minden egyes reflexhez külön hálózatokat fejlesztett ki – ez egy primitív elrendezés, sokkal kevésbé összetett, mint a mi összekapcsolt idegrendszerünk.
A hidra mindazonáltal az első lépés a neurális kód feltörése felé – a mód, ahogyan az idegi aktivitás meghatározza a viselkedést – mondja Yuste. “A hidrának van a legegyszerűbb “agya” a Föld történetében, így talán van esélyünk arra, hogy először azokat értsük meg, majd ezeket a tanulságokat alkalmazzuk a bonyolultabb agyakra” – mondja.
Yuste reméli, hogy az áramkörök működésének valós idejű meglátása új ismeretekhez vezethet az emberi agyról, és többet tudhatunk meg például az olyan mentális betegségekről, mint a skizofrénia. “Addig nem tudjuk gyógyítani a betegeket, amíg nem tudjuk, hogyan működik a rendszer” – mondja.
Yuste egyike volt annak a több idegtudósnak, köztük George Churchnek a Harvard Egyetemen, akik 2012-ben elindították az Agytevékenység-térkép projektet. Ez egy felhívás volt az idegtudósok számára, amely arra szólította fel őket, hogy rögzítsék az emberi agy minden egyes neuronjának aktivitását. A projekt az Obama elnök kormánya által 2013-ban indított, egymilliárd dolláros BRAIN kezdeményezés központi elemét képezi.
Aha pillanat
A hidra most az első állat, amelynek az egész testére elkészült egy ilyen térkép, bár a zebrahalak egész agyának aktivitását is feltérképezték már hasonló módon. A munka “félelmetes mérföldkő, amit érdemes megünnepelni” – mondja Church. De ennek rágcsálókra vagy főemlősökre való kiterjesztése nagy kihívás lesz, mondja.
Dale Purves, az észak-karolinai Duke Institute for Brain Sciences idegkutatója kételkedik abban, hogy az állat hasznosnak bizonyul-e majd önmagunk megértésében. “Fel kell tennünk a kérdést: vajon ez az állat csatlakozik-e a gyümölcslégyhez, a féreghez és az egérhez, mint modellorganizmus, amelyet az idegrendszer jobb megértése érdekében vizsgálhatunk?” – mondja. “A válaszom sajnos nem.”
De Yuste most hét másik csapattal dolgozik együtt a hidra idegi kódjának megfejtésén. Szeretnének olyan teljes képet kapni arról, hogyan tüzelnek az idegsejtjei, hogy egy számítási modell segítségével meg tudják jósolni a viselkedését pusztán az idegi aktivitásából.
“Egyik álmunk az, hogy az idegtudományban eljutunk arra a pontra, ahová a genetika jutott, amikor megfejtették a DNS kettős spirálját” – mondja Yuste. Bár egyesek szerint az agy ehhez túl bonyolult, Yuste optimista. “Remélem, hogy még a mi életünkben megtörténik, és ez egy aha-pillanat lesz, amikor a kirakós játék összeáll” – mondja.
Journal reference: Current Biology, DOI: 10.1016/j.cub.2017.02.049
Bővebben: “Az agy rövid története”
Agyunk a fejlődés kanyargós útját követte olyan élőlényeken keresztül, amelyek jóval előttünk úsztak, kúsztak és jártak a földön. Íme néhány ilyen állat, és hogy hogyan segítettek abban, hogy azzá váljunk, amik vagyunk.
Hydra
Egysejtű őseink kifinomult gépezetekkel rendelkeztek a környezet érzékelésére és az arra való reagálásra. Amint megjelentek az első többsejtű állatok, ezt a gépezetet adaptálták a sejtek közötti kommunikációra. Nagyon korán megjelentek azok a specializált sejtek, amelyek elektromos impulzusok és kémiai jelek segítségével tudtak üzeneteket továbbítani – az első idegsejtek.
Az első idegsejtek valószínűleg egy olyan élőlény testében, mint ez a hidra, diffúz hálózatban kapcsolódtak össze. Ez a fajta, ideghálónak nevezett struktúra még ma is látható a medúzák és tengeri anemonák remegő testében.
Urvák
Amikor az idegsejtek csoportjai elkezdtek csoportosulni, az információkat nem csupán továbbítani, hanem feldolgozni is tudták, ami lehetővé tette az állatok számára, hogy egyre kifinomultabb módon mozogjanak és reagáljanak a környezetre. A legjobban specializálódott neuroncsoportok – az első agyszerű struktúra – a száj és a kezdetleges szemek közelében alakultak ki.
Sok biológus szerint ez egy urbilateria néven ismert féregszerű élőlényben történt, amely a legtöbb élő állat, köztük a gerincesek, puhatestűek és rovarok őse.
Lámpás agy
A korai halakban specializáltabb agyi régiók alakultak ki, amelyek közül néhány az élő lámpáshalakra hasonlított. Aktívabb, úszós életmódjuk a párzásra, a táplálékkeresésre és a ragadozók elkerülésére irányuló agyépítő nyomást eredményezett.
Ezekből az alapvető struktúrákból sok ma is megtalálható az agyunkban: a látóideg, amely a mozgó tárgyak szemmel való követésében vesz részt; az amygdala, amely segít a félelmetes helyzetekre való reagálásban; a limbikus rendszer részei, amely a jutalom érzését adja, és segít az emlékek lerakásában; és a bazális ganglionok, amelyek a mozgásmintákat irányítják.
A kétéltűek agya
Az első kétéltűek szárazföldre költözése és az emlősök evolúciója között valamikor létrejött a neokortex – az idegszövetek extra rétegei az agy felszínén. Az agynak ez a része később óriási mértékben kiterjedt, és felelős az emlősök – köztük mi is – összetettségéért és rugalmasságáért.
De hogy hogyan és mikor alakult ki először a neokortex, az továbbra is rejtély. Az élő kétéltűeknél nem láthatunk ezzel egyenértékű agyszerkezetet, és a fosszíliák sem segítenek sokat: a kétéltűek és hüllők agya nem tölti ki a teljes koponyaüregüket, így ezen állatok maradványai keveset árulnak el agyuk alakjáról.
Az emlősök agya
Az emlősök agya egyre nagyobb lett a testükhöz képest, ahogy a dinoszauruszok által uralt világban a túlélésért küzdöttek.
A cickányokhoz hasonló fosszilis emlősök CT-vizsgálatai kimutatták, hogy az első régió, amely felpumpálódott, a szaglógumó volt, ami arra utal, hogy az emlősök nagyban függtek a szaglásuktól. A neokortex azon régiói, amelyek a tapintási érzeteket – valószínűleg különösen a szőrzet borzolását – térképezik fel, szintén nagy lendületet kaptak, ami arra utal, hogy a tapintásérzék is létfontosságú volt. Ezek az eredmények szépen illeszkednek abba az elképzelésbe, hogy az első emlősök éjszakai életmódot folytattak, hogy elkerülhessék a dinoszauruszokat.
Szimpánzok agya
A dinoszauruszok pusztulása után a főemlősök ősei a fákra telepedtek. A rovarok üldözése a fák körül jó látást igényelt, ami a neokortex vizuális részének bővüléséhez vezetett. A főemlősök számára azonban a legnagyobb mentális kihívást a társas életük nyomon követése jelenthette, ami megmagyarázhatja a főemlősök neokortexének frontális régióinak hatalmas kiterjedését.
Ezek a frontális régiók is jobban összekapcsolódtak, mind önmagukban, mind az agy más, az érzékszervi bemenettel és a motoros kontrollal foglalkozó részeivel. Mindez felvértezte a főemlősöket arra, hogy több bejövő információt kezeljenek, és okosabb módszereket találjanak ki az ezek alapján történő cselekvésre. A főemlősök egyik vonala, az emberszabású majmok különösen agyasak lettek.
Az emberi agy
A kutatók korábban úgy gondolták, hogy a két lábra állás okozta, hogy az emberi agy mérete túlszárnyalta főemlős rokonainkat, az orángutánokat, gorillákat és csimpánzokat. A fosszilis felfedezések azonban azt mutatják, hogy több millió évvel azután, hogy a korai hominidák kétlábúvá váltak, még mindig kicsi volt az agyuk.
Agyunk csak mintegy 2,5 millió évvel ezelőtt kezdett nagyobb lenni. Még mindig nem tudjuk, hogy miért, de lehetséges, hogy egy mutáció gyengítette elődeink állkapocsizmait, és lehetővé tette, hogy koponyánk megnőjön.
Amikor elég okosak lettünk ahhoz, hogy eszközöket fejlesszünk ki és gazdagabb táplálékot találjunk, egy pozitív visszacsatolási hatás léphetett működésbe, ami további agynövekedéshez vezetett. A sok tápanyag elengedhetetlen a nagy agyhoz, és az okos állatok nagyobb eséllyel találják meg ezeket.
Az általános kép egy folyamatosan bővülő agyról szól, köszönhetően az étrend, a kultúra, a technológia, a nyelv és a gének közötti kölcsönhatásnak. Ez hozta létre a modern emberi agyat Afrikában mintegy 200 000 évvel ezelőttre.
Az elmúlt 15 000 évben azonban az emberi agy átlagos mérete a testünkhöz képest 3-4 százalékkal zsugorodott.
Az okokat megtudhatja, és többet olvashat az agy evolúciós útjáról az “Az agy rövid története”
Tovább ezekről a témákról:
- idegtudomány
- agyak
- mentális egészség