Agykutatás az őrült génsebész előtt

„A biológiai tudományok előtt álló végső kihívás, hogy megértsük a tudat és az elmeműködések biológiai alapjait – azokat a folyamatokat, amelyek lehetővé teszik az érzékelést, a cselekvést, a tanulást és az emlékezést” – írja Az idegtudományok alapjai című könyvében a memóriakutatásaiért 2000-ben Nobel-díjjal kitüntetett, jelenleg kognitív serkentőket fejlesztő Eric Kandel. Az elmúlt évezred végén meghirdetett „Az agy évtizede” során sok apróbb-nagyobb részletet tudtunk meg legrejtélyesebb szervünk működéséről, az új évezred pedig az „Az elme évtizedé”-vel kezdődött. Ennek célja, hogy kiderüljön, az összetevők hogyan integrálódnak egésszé. A kutatók agyfejlődést irányító karmester-génekről, neuronhálózatokról, integrátor agyterületekről beszélnek, ennek ellenére alig tudunk valamit arról, hogy ezek miként hozzák létre a viselkedést, a gondolkodást, az érzelmeket vagy a tudatot.

Az egér nyelvgénje

„Nem ismerjük, milyen módon történik a beszédértés és a beszéd végrehajtása, milyen számításokat végez eközben az agy, holott elsősorban a nyelvkészség tett bennünket emberré. A nyelv bonyolult szintaxis és szimbolikus referencia együttese, azaz bonyolult mondatokat képezünk és általában önkényes megfeleltetést hozunk létre a szavak és a szavak által jelölt dolgok között. Egyébként a genetikai kód esetén is önkényes, ahogy egy-egy triplet meghatároz egy aminosavat” – asszociál az elméleti evolúcióbiológus Szathmáry Eörs. „Vagy itt van a bonyolult gondolkodás kérdése: miként történik az, hogy kapunk egy rejtvényt, órákig gondolkodunk rajta, majd hirtelen beugrik a megoldás; hogyan kódolja az agy a szimbólumokat – ezekkel kapcsolatban mind csak sötétben tapogatózunk” – folytatja az ELTE tanára. „Tudjuk viszont, hogy durván 100 ezer éve alakult ki a nyelvkészség egy nagy evolúciós átmenet során, aminek az alapja egy viszonylag kis genetikai módosulás lehetett: megváltozott néhány szabályozó gén, ami radikális változást eredményezett az általuk szabályozott gének működésében, a fenotípusban. Bámulatos, hogy a gének indirekt hatása az agyra – van összesen 30 ezer gén és több milliárd neuron – olyan erős, hogy bármelyik kognitív képességünk esetén elég jól mérhető öröklékenységet találunk.”

A gének és az agyműködés közötti összefüggés komplexitásának érzékeltetésére jó példa a „nyelvgén” működése. 2001-ben Cecilia Lai és munkatársai egy súlyos nyelvi zavarban szenvedő családot vizsgálva fedezték fel a FOXP2 gént. A családtagoknak motoros és beszédértési problémáik egyaránt voltak, más tüneteik azonban nem. A kutatók számára meglepetést okozott, hogy azóta sokféle gerinces állat genomjában megtalálták a FOXP2-t, azaz úgy tűnik, a speciálisan emberi készség alapja egy univerzális kommunikációs gén. Polly Campbell és munkatársai megvizsgálták, hol fejeződik ki a nyelvgén az egéragyban. A gén nagy mennyiségben íródik át a kisagyban és a limbikus rendszerben, azonban egyáltalán nem az arc- és gégeizmok kontrolljáért felelős területeken. A talamuszban erős a nyelvgén aktivitása, ami az érző és mozgató funkciók integrálásában játszott szerepére utal. „Habár a FOXP2-t nyelvgénnek nevezték el, ezek az eredmények arra hívják fel a figyelmet, a viselkedés jóval bonyolultabb annál, hogy egyetlen gén működésével kössünk össze egy komplex magatartást” – kommentálja Cambellék vizsgálatát a Scientific American júliusi számának cikke.

Sőt, a másik szélsőségre, a poligénes meghatározottságra is akad friss példa: a Nature július 1-jén jelentette meg az International Schizophrenia Consortiumba tömörült 26 intézet kutatóinak eredményét, akik hétezer személy genomját megvizsgálva a skizofrénia és a bipoláris zavar hátterében mintegy 30 ezer lehetséges allélt találtak. A kutatók egyrészt meglepődtek azon, hogy ilyen nagy a két betegség kockázatát meghatározó génváltozatok száma, azaz messze még a genetikai gyorstesztek ideje, másrészt azt az eredményt sem várták, hogy a két említett betegség mögött ugyanaz a genetikai mintázat áll.

Régóta vizsgálják az IQ örökölhetőségét is; jelenleg azt mondják, fele-fele arányban határozza meg a környezet, illetve a hátterében felelősnek talált több száz gén.

Azon a kérdésen túl, hogy milyen gének, milyen arányban határoznak meg egy-egy kognitív tulajdonságot, azt is nagy intenzitással keresik a különböző fMRI-s vizsgálatok, hogy az illető képesség hol székel az agyban. Az intelligenciával kapcsolatos legújabb megállapítás: mindenhol. Holland kutatók tanulmányozták, milyen összefüggést mutat az IQ és a szinapszisok hálózata, és rájöttek, hogy a legintelligensebbeknek nem több az összeköttetés az agyukban, hanem jobban szervezett, hatékonyabb a szinapszisok hálózata (//Journal of Neuroscience//). Kanadai kutatók azt találták, hogy a magas intelligenciával rendelkezőknél az integrációban szerepet játszó multimodális asszociációs agyterületek vastagabbak (Sherif Karama, Intelligence, 2009. március).

A hálózatok kutatása fontos irány az idegtudományban. A július elején hazánkban megrendezett 28. Nemzetközi Epilepszia Kongresszuson is azt hangsúlyozták, hogy a rendellenesség kialakulásában nem a szűken körülírt sejtcsoportok, hanem az ideghálózatok játszanak szerepet. „Az epilepszia némely igen súlyos formája a manapság nagy intenzitással kutatott hippokampuszból ered” – mondja Szabadics János molekuláris biológus, aki a Magyar Tudományos Akadémia Lendület Programja és a Wellcome Trust segítségével most alakít kutatócsoportot a Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézetben. Az USA-ból hazatért, "agyvisszaszívott" tudós hozzáteszi: "a hippokampusz azon idegsejthálózatai, amelyek felelősek az epilepsziás kisülések elindításáért, normál esetben fontos szerepet játszanak bizonyos tanulási és tájékozódási folyamatokban, azonban nem ismerjük e folyamatok alapvető sejtes mechanizmusait. Ezen agyterület szinaptikus hálózatainak feltérképezésén fogunk dolgozni patch clamp technikával, és remélhetőleg hozzájárulunk annak megismeréséhez, mi vezet az epilepszia kialakulásához. A módszer lehetővé teszi akár egyetlen ioncsatorna működésének mérését és akár kis neuronhálózatok pontosabb megismerését is."

A kongresszus másik fő témája a bioritmusok és az epilepszia kapcsolata volt. „Vannak epilepsziával élő betegek, akiknek a rohamai kizárólag alvás közben jelentkeznek, s ezért nehezen felismerhetők. Más betegeknél az alvás kimaradása okozhat epilepsziás rosszulléteket” – indokolta a témaválasztást Jerney Judit, a Magyar Epilepszia Liga elnöke.

Visszatekert idő

„Ma sem tudjuk, mire jó az alvás és az álmodás – mondja Détári László, az ELTE Neurobiológiai Tanszékének vezetője –, de óriási változások mutatkoznak abban, ahogyan az alvás alatti agyműködést értelmezzük. A közelmúltban az is kiderült, hogy nemcsak a gyors szemmozgásos alvásban van álom, hanem a mély álomban is, ám ezek mások: racionálisabbak és irányíthatóbbak.”

„Jelentős lépés volt az up and down váltakozás felfedezése: a mély alvás közben az agykérgi neuronok időnként hiperpolarizálódnak, inaktiválódnak, máskor az éber állapothoz hasonló mértékben aktiválódnak. Ezeknek az állapotoknak a váltakozása az EEG-ben nagy, lassú hullámokként jelenik meg. Azt még nem tudjuk, mire jó ez a lassú kérgi ritmus – folytatja az alváskutató –, de alvásdepriváció után a hullámok mérete, gyakorisága jelentősen megnő, vagyis kapcsolatban vannak az alvás funkciójával, ezért jó lenne megérteni, hogyan keletkeznek.” Détári László sejtszinten kutatja a biológiai óra működését, kidolgozta az egysejt-aktivitás mérésének és az EEG összekapcsolásának módszerét. Megállapította: valahányszor az EEG-ben megjelennek a nagy, lassú hullámok, lecsökken a biológiai óra aktivitása, vagyis a szabályozott folyamat visszahat az órára, ami őt szabályozza. „Ez olyan, mintha a családtagok, akiknek az életére hat a falióra, amikor elmennek előtte, vissza is tekernék az óra mutatóit, azaz visszahatnának az időre” – teszi hozzá a neurobiológus.

Viszonylag stresszmentesen meg lehet oldani, hogy egy patkányt ne hagyjunk aludni (forgó korongra tesszük, amely ha a patkány elalszik, vízbe kerül, ezért az állat felébred). Húsz nap múlva az állat, amelytől megvonták az alvást, meghal. Úgy tűnik, az energiaháztartás borul fel az alvásmegvonás miatt. Megnő a testhőmérséklet szetpontja: a kísérleti állat nagyobb hőmérsékletet szeretne elérni, de nem sikerül neki. Elkezd többet enni, de megnő a hőleadása, lehűl, és ismeretlen okból meghal.

„Azt mi is tapasztaljuk, hogy kialvatlan állapotban fázékonyak vagyunk, és jól ismert tény, hogy az alvás- és a táplálkozásszabályozás összefügg, azonban míg más homeosztatikus szabályozás során mindig szerepel egy hibajel, például leesik a vércukorszint, olyasmit nem érzünk, hogy nem megfelelő a memórianyomok rögzítése vagy csökkenteni kéne agyunk energiafelhasználását, és ezért aludnánk el. Az agy energiafogyasztása különben is minimális mértékben csökken alvás alatt, általában az összes energiafogyasztás ötödét teszi ki, és intenzív gondolkodás alatt sem nő számottevően – a csokievésnek vizsgaidőszakban más funkciója van tehát: a jutalmazás” – magyarázza az ELTE tanára, és hozzáfűzi: érdekes fejlemény az idegkutatásban, hogy különböző hormonok új szerepkörben tűntek fel. A kolecisztokinin (CCK) az agyban az éberség csökkenésével járó jóllakottság-szindrómát váltja ki, közreműködik a fájdalomérzékenység szabályozásában, segíti az opiáttolerancia kialakulását, az oxitocin pedig (amely a CCK-val ellentétben gátolja az opiáttolerancia létrejöttét) az idegtudományok társadalmi vetületeivel foglalkozók számára vált izgalmassá: kiderült, hogy neuropeptidként részt vesz az emberek közötti kötődés és bizalom kialakításában.

Elrontott büntetés-érzékenység

A Journal of Neuroscience január 7-i számában közölt tanulmány szerint például az oxitocin fontos az ismerősök arcának felismeréséhez. A kísérlet azon résztvevői, akik orrspray formában oxitocint kaptak, jobb eredményeket mutattak arcfelismerési tesztekben, miközben a hormon nem befolyásolta az élettelen tárgyakkal kapcsolatos memóriát.

Az orgazmus során is felszabaduló „szeretethormon” csökkenti a szorongást, így többen azt remélik, használható lesz majd az autizmus kezelésében, mivel hatására javul az érzelmek értelmezése. A szorongás, a depresszió és a poszttraumás stressz (PTSD) kezelésében egyre nagyobb sikerrel alkalmazott MDMA (3,4 metiléndioxi-N-metil-amfetamin, az illegális kereskedelemben ecstasy) is részben az oxitocin szintjének növelésével hat. Az MDMA másrészt növeli a ventromediális prefrontális kortex aktivitását és csökkenti az amigdala működését. Az amigdalában így csökken a félelemérzet, a ventromediális prefrontális kortex pedig fel tudja dolgozni az érzelmeket és tágabb perspektívába helyezi az eseményeket – világít rá a szer hatásmechanizmusára a Journal of Psychopharmacology legutóbbi számában a PTSD-ben szenvedő betegek gyógyításával foglalkozó két norvég pszichiáter, Teri Krebs és Pål-Ørjan Johansen. Hangsúlyozzák: a szorongáscsökkentő és antidepresszáns szereket pszichoterápiával együtt kell alkalmazni, csak ekkor segítjük elő a páciensnél az emocionális tanulást.

Az MDMA-t a Parkinson-kór terápiájának kutatásában is használják, mivel segíti a dopamintermelő sejtek túlélését (Jack Lipton, University of Cincinnati). A Parkinson-kóros betegek alacsony agyi dopaminszintje akadályozza az emocionális tanulást, illetve azt, hogy az illető tanuljon a helyzetek pozitív, jutalmazó kimeneteléből – olvashatjuk a Brain című szaklapban májusban megjelent, magyar szerzőket is felvonultató közleményben. A dopamin agyi jutalmazó folyamatokban játszott szerepét és a depresszió megnövekedett előfordulását Parkinson-kórban eddig is ismertük, az viszont új megfigyelés, hogy bár a Parkinson-kóros betegek dopamin-agonistával történt kezelése a jutalom-érzékenységet helyreállítja, elrontja a páciensek büntetés-érzékenységét, azt, hogy tanulni tudjanak a helyzetek negatív kimeneteléből. Ez magyarázza, hogy a kezelt Parkinsonos betegek közül sokan szenvednek az impulzuskontroll zavarában, kóros szerencsejáték-, szex-, alkohol-, evés- vagy vásárlásfüggővé válnak.

Egy másik, a dopaminszint csökkenésével járó betegségnek, a figyelemhiányos hiperaktivitásnak (ADHD) is tünete a kockázatkereső viselkedés, ami öngyógyításként is felfogható, hiszen növeli a dopaminszintet – írja Katya Rubia a Philosophical Transactions of the Royal Society B című szaklap időpercepciónak szentelt különszámában. A londoni kutatónő és csapata ADHD-s gyerekek agyát vizsgálta fMRI-vel, és a frontális lebeny, a bazális ganglion és a kisagy csökkent aktivitását detektálta. Ezek a területek a felelősek az idő érzékeléséért, és Rubia bizonyítottnak veszi, hogy az ADHD fő tüneteiért a kóros időpercepció a felelős. Emiatt a betegek a rövid időtartamú inaktivitást is elviselhetetlen hosszúságú unalomként élik meg. Az időpercepció zavara egyébként sok pszichiátriai betegségre jellemző, mániában felgyorsul az idő, depresszióban lelassul, míg skizofréniában a figyelmi és memória-funkciókat is károsan befolyásolja a többséghez képest másként felfogott idő (Kwang-Hyuk Lee, Psychiatry Research).

Vadászat vagy pletyka?

A szkizofrénia kutatása az emberi agy evolúcióját vizsgálók számára fontos információkat nyújt – mondja Szathmáry Eörs. Már tíz éve felmerült, hogy a nyelv kialakulása és a skizofrénia valamiképpen összefügg, az ebben a betegségben szenvedők agyára kevésbé jellemző a féltekei lateralizáció. Ma már azt is tudjuk, hogy néhány szkizofréniára hajlamosító génvariáns pozitívan szelektálódik, azaz evolúciós előnyt jelent, valószínűleg azért, mert hatékonyabbá teszi az agyi metabolizmust (Khaitovich, Genome Biology). Ha ezekből a génekből csak kevés van jelen, akkor nem alakul ki a skizofrénia, de a metabolizmus jobb hatásfokú, és létrejön a hatékonyságot szintén növelő agyféltekei lateralizáció. A két agyfélteke így szimultán különböző feladatokat végezhet: a bal hemiszférium kontrollálja a nyelvhasználatot és a jobb kezet, osztályoz, a részletekre figyel, irányítja a rutin viselkedést, míg a jobb félteke az arcfelismerésre, az emóciók kezelésére specializálódik és reagál a váratlan, potenciálisan veszélyes környezeti ingerekre – globális rálátást hoz létre. Egy márciusban megjelent tanulmány (Bradley S. Peterson, Proceedings of the National Academy of Sciences) szerint azok, akiknél a jobb agyfélteke kérgi területei elvékonyodottak, hibásan reagálnak a szociális stimulusokra, ezért megnő a depresszióra való hajlamuk, a kifejlett depresszió pedig a bal kérgi területek vékonyodásával is jár.

Az elmeműködés evolúciójának titkairól más betegségek is segítenek lerántani a leplet. Simon Baron-Cohen cambridge-i kutató szerint az autizmus a normális férfiagy extrém formájának is felfogható, amelyben szélsőségesen fejlett a rendszerezési képesség és alulfejlett az empátiás készség. Hasonlóképpen az is elképzelhető, hogy a Williams-szindróma a normális női agy szélsőségekig vitt változata. A kórképben szenvedőknél hiányzik egy 25 gént hordozó DNS-darab (deléció következett be az ivarsejt meiózisa közben), a tünetek pedig főleg a szociális életet érintik: a williamses személyiség fokozottan társaságkedvelő, nagyon barátkozó, imád beszélgetni, hiányzik belőle a szociális helyzetekhez társuló félelem, nem érti az interakciók mögötti szándékokat. FMRI-s felvételek tanúsága szerint a Williams-szindrómások amigdalája, a félelem kezeléséért felelős agyterülete nem mutat aktivitást ijesztő, illetve aggódó arcok láttán (nem szociális helyzetekben, például ha kígyóval találkoznak, képesek félni). „Mivel nem értik a negatív érzéseket tükröző mimikát és testnyelvet, machiavelliánus intelligenciájuk alacsony, fokozott kapcsolódási vágyuk ellenére sem tudják elmélyíteni kapcsolataikat. A többiektől való félelem motiválja az alaposabb megértést – fejti ki David Dobbs tudományos szakíró a Williams-szindrómával kapcsolatos eredményeket tárgyaló cikkében, és utal Robin Dunbar evolúciós pszichológus elméletére is, aki szerint a nyelv nem azért jött létre, hogy biztosítsa a hatékonyabb vadászatot, hanem hogy lehetővé tegye a pletykát, a társadalmi viszonyokkal foglalkozó beszédet.

Tudat

A komplexitás hangsúlyozása mellett napjaink idegtudományában egyre több szó esik a komplementer elemek közötti egyensúlyról, a társadalmi és biológiai hatások, a kognitív és emocionális folyamatok, a jobb és bal agyfélteke, a ventrális és dorzális agyterület, a tudattalan és tudatos mentális folyamatok között szükséges harmóniáról.

A francia Stanislas Dehaene fMRI-s vizsgálatai feltárták, hogy a tudatalatti folyamatosan monitorozza a bel- és a külvilágot, és ha fontosnak ítél valamit, a talamuszon keresztül felhívja rá a tudat figyelmét (PLoS Biology). Az olyan racionálisnak tartott folyamatokban is, mint a gondolkodás vagy a nyelv, óriási a tudatalatti szerepe. Ap Dijksterhuis holland pszichológus szerint a sok információt igénylő bonyolult döntéseknél az emberek inkább a tudatalattira hagyatkoznak, ami a legtöbb szociális helyzetben is hatékonyabb. Colin Martindale már három évtizeddel ezelőtti EEG-s vizsgálataiban azt találta, hogy a kreatív gondolkodás inspirációs fázisában a tudatos agy kikapcsol, és az agyi elektromos mintázat a kreatív folyamatban hasonló az álom, a relaxáció és a meditáció során észlelthez. //Jordan Peterson// napjainkban jutott arra a következtetésre, hogy az igazán kreatív emberek jobban hozzáférnek tudatalattijukhoz. Raphaël Gaillard szintén EEG-vel kereste az agyban a tudatosság központját, és megállapította, hogy az nem egy helyhez kötődik, hanem egy speciális, szinkronizált agyi dinamikához (PLoS Biology).

A tudatkutatók számára az a nagy kérdés, hogy egyáltalán miért vagyunk tudatában a dolgoknak és saját magunknak, az agyon belüli fizikai, kémiai, biológiai folyamatok milyen módon hozzák létre a szubjektív tapasztalatot. A kérdés vizsgálatának egyik szaktekintélye, David Chalmers azt ajánlja, tekintsük a tudatos tapasztalatot olyan alapvető tulajdonságnak, amely semmi alapvetőbbre nem vezethető vissza. Emiatt valószínűleg új alaptörvényeket kell létrehozni, amelyekben központi szerepet játszhat az információ fogalma. Még az is elképzelhető, hogy a fizika elmélete és a tudatelmélet végül egyetlen átfogóbb információelméletté egységesíthető, aminek megdöbbentő következményei lehetnek a világmindenségről, valamint önmagunkról vallott nézeteink vonatkozásában – írja az ausztrál filozófus A tudatos tapasztalat rejtélye című cikkében. A megdöbbenésre máris lehetőséget nyújt az őssejt-guru Robert Lanza májusban publikált könyve, amely felvázolja a biocentrikus univerzum elméletét. Szerinte nem a fizika, hanem a biológia adja a kulcsot az egyesített elmélethez, mert a tudat hozza létre az időt, a teret és magát a világmindenséget is.

Neuroteológia

Az elmúlt években érdekes nevű új tudományágak is virágzásnak indultak. A neuroteológia a hit és a vallásos élmény idegrendszeri korrelátumait vizsgálja. Dimitrios Kapogiannis az USA Nemzeti Egészségügyi Intézetében (NIH) fMRI segítségével istenhívők agyát vizsgálva arra a következtetésre jutott, hogy imádkozás közben olyan agyterületeik aktívak, amelyek egyébként csak akkor, ha az illető személyekkel kommunikál vagy ilyen kommunikációt képzel el. Rick Strassman pszichiáter a DMT által kiváltott spirituális élményeket kutatja. A szerotoninszerű dimetiltriptamin sokféle növényben előfordul, és az egyetlen hallucinogén, amelyet az emberi szervezet is előállít; a szerepét egyelőre nem ismerjük. Strassman szerint elképzelhető, hogy a DMT a felelős a testen kívüli és a halál közeli élményekért, a misztikus víziókért. Csak az emberek egyharmadának vannak spontán misztikus élményei, azaz olyanok, amelyek kialakulására nem segítettek rá valamilyen technikával: éhezéssel, sokórás tánccal, szenzoros deprivációval, hallucinogének fogyasztásával. Az emberiség természetes misztikus kapacitása, elmélkedik Strassman, a DMT előállítását szabályozó gének módosításával fokozható. „Egy okos, gátlástalan génsebész az emberiséget akarata ellenére is misztikus látnokká változtathatja, csak olyan vírussal kell megfertőzzön minket, amely hordozza a megfelelő metiláló enzimek génjét.”

Idegtudósaink elmúlt évszázada

Az idén 100 éves a legidősebb Nobel-díjas, az első közülük, aki megérte ezt az életkort: Rita Levi-Montalcini, aki az idegi növekedési faktor (NGF) felfedezéséért kapta a díjat 1986-ban. A növekedési faktorok kutatása manapság is szolgál meglepetésekkel: mint a Journal of Neuroscience május 13-i száma írja, Javier Perez felfedezte, hogy a fibroblast növekedési faktor (FGF) fontos szerepet játszik az agy fejlődésében, illetve a szorongás kialakulásában is. A cikk beszámol arról, hogy az ingergazdag környezet az FGF mennyiségének növelésén keresztül csökkenti a szorongást, vagyis át kell értékelni a szorongó betegek eddigi szedatív terápiáját.

A másfél évtizede meghalt Szentágothai János neurobiológus idősebb korában a lélek, illetve a tudat létrejöttét vizsgálta barátjával, John Ecclesszel együtt, aki a szinapszisok és a neurotranszmisszió felfedezéséért 1963-ban kapott Nobel-díjat. A 87 éves Ádám György a pszichofiziológiai kutatásokat honosította meg a magyar agyélettan-kutatásban; A rejtőzködő elme című könyve a tudattalan működését mutatja be. Kortársa, Katona Ferenc (a Katona-módszer kidolgozója) a csecsemőkori idegrendszeri károsodások korai differenciál-diagnosztikájával és korai neuroterápiájával foglalkozik. Számos egyéb könyve mellett a fejlődésneurológus professzor megírta Az agykutatás történeté-t és Az agy kultúrtörténeté-t.