Ajánlj témát!

Miről szeretnél olvasni nálunk? Ha nem árulod el, csak találgatunk. Írjatok arról, hogy...

Kik vagyunk mi?

Az Akciós Potenciál egy agykutatással illetve más biológiai témákkal foglalkozó fiatalokból álló baráti, munkatársi közösség. Azért indítottuk a blogot, hogy az általunk űzött tudományágak új eredményeit közérthető módon, érdekesen mutassuk be az érdeklődöknek. Nem törekszünk tudományos igényű részletességre, de nem is elégszünk meg annyival, hogy "brit tudósok kimutatták..."

Utolsó kommentek

Szerzők

RSS feed

Rovatok

Címkék

creative commons

Creative Commons License
Terjeszd, használd, hivatkozd

Egyéb

Távirányított idegsejtek

A vizsgált rendszer feletti minél teljesebb kontroll a kutatók kívánságlistájának örök dobogós helyezettje. Ennek érdekében számtalan, a maga korában sci-fi-be illő eszköz született a tudomány történetében. Elég csak például a genetikai módosításokra gondolni, amikkel az adott kísérleti rendszer egy-egy specifikus tulajdonsága vált nagyon jól kézben tarthatóvá. Az agykutatásban - és különösen a neuronális hálózatok működésének tanulmányozásában - az egyik ilyen kontrollálandó paraméter az idegsejtek ingerelhetősége. Ennek befolyásolására számtalan eszközt fejlesztettek ki, de az ember persze mindig szebbet, jobbat akar. Miért ne lehetne például távolról ki-bekapcsolgatni adott neuronokat? Nos, lehet. Sőt, egyre növekszik a rendelkezésre álló módszerek száma. Nemrégen már bemutattunk egy technikát, ami lehetővé tette, hogy kék, illetve sárga fénnyel aktiváljuk vagy gátoljuk az idegsejteket. Az élet azonban azóta sem állt meg, máris két újabb módszer került be az eszköztárba.

A már korábban bemutatott módszer lényege az volt, hogy két rodopszin fehérjét, a channelrhodopsin-2-t és a halorhodopsint juttatták be mesterségesen a kísérleti állatok genetikai állományába. A channelrhodopsin-2 egy Na+ iont áteresztő ioncsatorna, ami kék fény hatására nyílik ki. A beáramló Na+ ionok pedig tüzelésre serkentik az idegsejtet. A halorhodopsin szintén egy ioncsatorna, ami azonban sárga fénnyel aktiválható és nem Na+, hanem Cl- ionokat enged át, amik pedig lecsendesítik a sejtet. Kék és sárga fénnyel megvilágítva az ezen csatornákat kifejező sejteket tehát valóban ki-be lehet kapcsolgatni őket. A rendkívül ötletes megoldás ellenére, mint minden módszernek, természetesen ennek is megvannak a maga hátrányai. Az egyik, hogy szükség van hozzá egy genetikai beavatkozásra, hiszen így juttatják be az említett rodopszin fehérjéket. A másik hátrány, hogy fénnyel aktiválja a csatornákat. A fény ugyan egy rendkívül sok jó tulajdonsággal bíró eszköz (mind térbelileg, mind időben nagyon pontosan lehet adagolni, nem roncsolja a szöveteket, stb.), és emiatt igen széleskörűen alkalmazzák, azonban nem képes elérni a mélyebben fekvő agyterületeket. A most bemutatandó két módszer ezeket a hátrányokat küszöböli ki.

Nézzük előbb az utóbbit. Ha a fény valamiért nem tetszik nekünk, milyen más módon tudnánk aktiválni bizonyos ioncsatornákat? Természetesen specifikus molekulákkal. Az ioncsatornák egy jelentős része ugyanis a hozzájuk specifikusan kötődő vegyületek (ligandok) hatására nyílik meg. Egy kismolekulát pedig akármilyen mélyre be lehet juttatni az agyba. Akár úgy, hogy megvárjuk, amíg bediffundál, akár úgy, hogy egyből a kívánt helyre injektáljuk. Most már csak egy jó ioncsatorna-ligand kombót kell találnunk ehhez. Nem használhatunk persze széleskörűen előforduló ioncsatornát, mert akkor a ligand bejuttatása sok más folyamatot is beindítana, nem csak azt, amire mi kíváncsiak vagyunk. A Nature Methods szaklapban publikált módszer szerint a patkány vanilloid receptor azonban felhasználható erre a célra. Ezt ültették be egérbe, pontosabban az egér agyának meghatározott típusú idegsejtjeibe. Ezután a receptor egy ligandját, a kapszaicint (ez egyébként a csípős paprika erejét adó vegyület) adagolták, és nem csak izolált agyszeletben, de mint a mellékelt videó is mutatja, élő állatban is képesek voltak a megcélzott neuron populációt (esetünkben a köröző mozgást kiváltó idegsejteket) aktiválni.

A kapszaicin kötődésének hatására kinyílik a Na+ ioncsatornát formáló receptor

Ennek a módszernek is megmaradt azonban az a hátránya, hogy az egész egy genetikai módosítással indul. A genetikai beavatkozások ugyan ma már szinte rutinszerűen hajthatóak végre, azonban több probléma is adódik velük. Más módszerekkel összevetve meglehetősen időigényesek, drágák, és nem utolsósorban komoly szakértelmet igényelnek, amik többnyire csak speciálisan erre szakosodott laboratóriumokban elérhetőek. Sokkal egyszerűbb lenne, ha a távirányítható sejteket egy normál, vad típusú állatban helyben ki lehetne alakítani. Erre kínál megoldást egy szintén a Nature Methods-ban leírt módszer. Ebben ha lehet még trükkösebben érik el a neuronok ingerelhetőségének módosítását, ugyanis nem egy új csatornát visznek be, hanem egy meglévőt módosítanak úgy, hogy ki-bekapcsolható legyen. Mindezt úgy érik el, hogy egy specifikus molekulát adnak a rendszerhez, ami kovalens kötéssel a csatornához kötődik. Nyújtott állapotában a molekula feje épp úgy helyezkedik el, hogy bedugaszolja a csatornát. Amikor azonban 380 nm-es, az ultraibolya tartomány határán lévő fénysugárral megvilágítják, akkor a molekula átrendeződik, "összehúzódik", és ezáltal kihúzza a dugót a csatornából.

  380 nm-es fénysugárzás hatására megszűnik a K+ ioncsatorna gátlása

Mivel a csatorna bedugaszolt állapotában a K+ ionok nem tudnak kijutni a membránon, ezáltal a sejt nem képes többé tüzelésre. A besugárzás hatására azonban visszanyeri normál funkcióját.

Ezek az eredmények természetesen messze vannak attól, amit a távirányítás szó sugall, nevezetesen az agyfunkciók - és különösen a magasabb rendű agytevékenységek - direkt befolyásolásától. Nem utolsósorban éppen azért, mert ma még meglehetősen korlátozottak abbéli ismereteink, hogyan jön létre egy komplex viselkedési forma egy adott agyterület aktiválását követően. Azonban éppen ez a terület, a neuronális hálózatok vizsgálata profitálhat majd ezen módszerekből azáltal, hogy egy-egy terület vagy adott sejttípusok ingerlését követően vizsgálja az erre kapott válaszokat.
Persze ki tudja, még az is lehet, hogy egyszer egy valódi kétirányú agyi interfésznek is alapjául szolgálnak majd ezek a technikák.

2008.05.04. 13:30 | psychenova | 10 komment

Címkék: receptor távirányítás genetikai manipuláció technikák ioncsatorna

A bejegyzés trackback címe:

http://akciospotencial.blog.hu/api/trackback/id/tr22452339

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben.

KGyST · http://repules.tumblr.com 2008.05.05. 19:54:54

Ezekkel a ketyerékkel milyen pontosan lehet matatni? Egy bizonyos idegsejtet már meg lehet célozni? Mert gondolom, szegény állat feje nincsen satuba fogva...

psychenova · http://akciospotencial.blog.hu 2008.05.05. 20:19:40

A kapszaicines megoldással nem túl pontosan. Ott csak egy adott területre lehet bejuttatni a kapszaicint, ami aztán szép lassan szétterjed.
A másik módszernél azonban akár egyetlen sejtet is célba lehet venni, köszönhetően annak, hogy a fénysugárt (ami egy lézer egyébként) nagyon pontosan lehet irányítani. Ha élő állaton végeznek ilyen kísérletet, ahhoz viszont csakugyan "satuba" kell fogni. Ez persze nem az a satu, amivel általában találkozik az ember, de végülis ugyanazt a célt szolgálja (plusz a precíz helymeghatározást). Persze ehhez előbb elaltatják az állatot.
A technikai fejlődés egyébként itt is, mint sok más területen abba az irányba halad, hogy minél természetesebb körülmények között lehessen végezni ezeket a megfigyeléseket, vagyis lehetőleg szabadon mozgó állatban. Sajnos azonban még nem tartunk ott, hogy ebben az esetben ez kivitelezhető lenne.

Ariel 2008.05.05. 22:06:29

A forgóegérhez erős hit is kell persze. Nekem egy szovjet vicc jut eszembe erről. A macska farkát erős mustárral("gorsíca" ?) kenik be, a macska eszeveszettül forogni kezd, hogy eltávolítsa azt. "Vot igyot" ...... dalolva, táncolva, önként.

Komolyra fordítva a szót, azért egy UV lézert nem szívesen engednék be a laboratóriumba.

kfgyk 2008.06.03. 20:45:32

feny (lezer) helyett nem lehetne mas, nagyobb athatolokepessegu hullamhosszon bizsergetni?
btw a kapszaicin az onvedelmi gazspray -ek kedvelt adaleka - az is egy fajta taviranyitas.

cs@

psychenova · http://akciospotencial.blog.hu 2008.06.04. 13:01:36

Az a probléma ezzel, hogy a sugárzások áthatolóképessége és energiája fordítottan arányos. By the way, épp amiatt nagy az áthatolóképessége egy adott sugárzásnak, mert kicsi az energiája, azaz kevésbé lép kölcsönhatásba az anyaggal. Egy molekuláris átrendeződésnek pedig olyan energiszükséglete van, amit csak az ilyen UV-közeli sugárzással lehet átadni. A nagyobb áthatolóképességű infravörös fénnyel jellemzően a molekulán belüli, atomok közötti rezgések gerjeszthetőek csak, az pedig ebben az esetben kevés. Ráadásul még az IR fény is csak néhány milliméter mélyen tud a szövetbe hatolni.

Ettől függetlenül a nagyobb hullámhosszú sugárzások felé fordulás jó ötlet, csak valamilyen trükkel meg kellene oldani, hogy alkalmazható legyen.

Dr Watson -- a kekec 2008.06.19. 11:57:44

"Mivel a csatorna bedugaszolt állapotában a K+ ionok nem tudnak kijutni a membránon, ezáltal a sejt nem képes többé tüzelésre."
Ezt hogy érted? Ezek a szivárgó csatornák? És káliumáram hiányában a sejt addig depolarizálódik, hogy a Na-csatornái inaktívvá válnak, mielőtt "kisülhettek" volna? Vagy hogy nem képes repolarizálódni, és akkor tüzelni sem? Vagy hogy?
Üdv
W

Dr Watson -- a kekec 2008.06.19. 12:01:40

Amúgy a komplex viselkedésformák távirányítással való kiváltása viszont régebbi ügy. Hess mutatta meg, hogy macskák hipotalamusz-ingerlésével éppenhogy ilyen komplex, de flexibilis (környezethez alkalmazkodó) viselkedések válthatóak ki (akár távolról is), J. Delgado máig hírhedett, és lassan újra divatba jövő kísérletei pedig a középső előagyi köteg bizonyos területeinek elektromos ingerlésével értek el drasztikus viselkedésváltozásokat. Az öreg PR mester pl. matadornak öltözve támadó bikákat szelidített meg gombnyomással -- még biztonságos -- távolból.
W

psychenova · http://akciospotencial.blog.hu 2008.06.19. 15:32:31

Nincs most nálam a cikk, és már nem emlékszem, milyen mérésre alapozták a "bedugaszolás" csendesítő hatását, de valószínűleg a repolarizáció gátlásáról volt szó. Bár igaz persze, hogy a K+-csatorna blokkolók inkább növelni szokták a kisülési valószínűséget. Viszont azokat olyan koncentrációban szokták adni, ami nem okoz teljes blokádot, vagyis valójában lassítják és nem megakadályozzák a repolarizációt. Az itt alkalmazott PAL molekula ezzel szemben teljes (és nem is kompetitív) gátlást okoz.

A bikastop jól hangzik ugyan, de azért kíváncsi lennék, mik azok a komplex viselkedések, amiket elektromos ingerléssel ki lehet váltani. És főleg, hogy mennyire specifikusak a reakciók.

Dr Watson -- a kekec 2008.06.19. 19:17:44

Ok: milyen komplex viselkedéseket vált ki a hipotalamusz elektromos ingerlése: tipikus homeosztatikus cuccokat: evés (megkeresi az ehető dolgot, "előkészíti", elfogyasztja), defekáció (megkeresi a megfelelő helyet, előkészül, forog, kapar, beguggol...), menekülés (megfelelő helyre bújik), támadás ("sham rage" rátámad valamire) (utóbbi kettő ugye a fight or flight response), és asszem nyilván reprodukciós viselkedés is.
Kiváló alkalom pl kismacskák következőképpen történő megszívatásáre: macska normális esetben nem eszik banánt, nem szereti. Viszont kismacsa megeszi, amit a szülője. Hipot. ingerléssel rá lehet venni a nagymacskát, hogy jóízűen megegye a banánt, és a kicsi pedig követi. Így készül a banánevő macska. A reakciók tehát részben környezetspecifikusak, ha így érted.
A K+-s magyarázat tetszetős, de azért igazolva érzem a kérdésemet :-)
W

psychenova · http://akciospotencial.blog.hu 2008.06.19. 19:38:58

Ezek valóban komplex viselkedések abban az értelemben, hogy összetett és összehangolt akciókat igényelnek. Viszont rendkívül egyszerűek a céljaikat és evolúciós szintjüket tekintve (mozgás, túlélés). Igazából erre akartam kilyukadni a komplexitással. Hogy az elektromos ingerléssel szükségszerűen csak nagy struktúrák ingerelhetőek gyenge térbeli felbontással. Nem lehet finoman hangolni. Legalábbis in vivo mindenképp. Ami ezekben a módszerekben új szerintem, az az, hogy sokkal precízebben befolyásolható velük az aktivitás mind térbelileg, mind akár sejtpopulációkat tekintve. Persze amit itt hoznak példát a kapszaicines cikkben (a köröző mozgás) az még szintén egy meglehetősen durva eszköz. Igazából nem is értem miért épp egy ilyen kevéssé specifikus (és magunk közt szólva elég jelentéktelen) akciót váltottak ki vele. Gondolom persze megpróbáltak más, ütősebbet is, csak az nem jött be.