– Mi lenne, ha olyan eszközt fejlesztenénk, ami képes sejtszinten kiolvasni az agyi aktivitást? – tette fel a kérdést Rózsa Balázs, a BrainVisionCenter (BVC) Kutatóintézet igazgatója, a HUN-REN Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet (KOKI) Neuronhálózat és Dendritikus Aktivitás Kutatócsoport vezetője.

A 2024-ben Gábor Dénes-díjjal elismert, a világ vezető tudományos folyóirataiban rendszeresen publikáló kutató pontosan ezt tette kollégáival.

Rózsa a Qubitnek szeptemberben adott nagyinterjúban szenvedélyesen beszélt az agyba merőben új betekintést nyújtó mikroszkópjukról, a technológia és más fejlesztéseik által lehetővé tett diagnosztikai eszközökről, terápiákról, az új lehetőségeket nyitó mesterséges intelligenciáról és a BVC innovációs modelljéről.

A kutatóintézetben hat nagy tudományos projekt fut, amik közül Rózsa szerint az epilepsziaterápia és a látás agykérgi helyreállítása áll a legközelebb a klinikai alkalmazáshoz – állatmodelleken már mindkettő működik.

A 2021-ben létrehozott, magán- és állami részvételt ötvöző, misszióvezérelt nonprofit kutatóintézethez már 35 nemzetközi szintű tudományos közlemény és több szabadalom kötődik.

A kutató- és fejlesztőmunka mellett az elmúlt öt évben felépítették a BVC Liliom utcai központját, kiépítették a laborokat és a kutatóintézet szakmai csapatát.

Mélyen a szövet belsejébe lát a kétfoton-mikroszkóp Az olyan képalkotó technológiák, mint a funkcionális MRI (fMRI), nem elég nagy felbontásúak az agyi aktivitás sejtszintű kiolvasásához: egy MRI-voxelben (a pixel háromdimenziós megfelelője) akár több tízezer neuron is lehet, miközben az idegtudomány feltárta, hogy az agyban már az egymás mellett elhelyezkedő idegsejtek is más funkcióval bírhatnak.

Ezért egy olyan, nagyobb felbontású megoldásra volt szükség, ami az agy működési egységeinek szintjén képes kiolvasni és befolyásolni az idegrendszeri folyamatokat. „Világelsők voltunk abban, hogy térben mérni és olvasni tudjuk az agyat” – mondja Rózsa az általuk kifejlesztett háromdimenziós akusztooptikai kétfoton-mikroszkópról.

A kutatók a 2000-es évek közepén kezdtek dolgozni a találmányon, és 2012-re készült el az a Nature Methods folyóiratban bemutatott berendezés, ami már megbízhatóan tudta térbeli módon mérni az idegsejtek aktivitásának gyors változását.

Erre a mikroszkóp a sejtekhez kötődő, fluoreszcens molekuláris szenzorok jelének mérésével képes.

A fluoreszcencia úgy jön létre, hogy a mintára érkező fény gerjeszti a fluoreszcens molekulát, ami egy másik hullámhosszon fényt bocsát ki, miközben visszakerül alapállapotába.

A kétfotonos technológiában ehhez képest a gerjesztéshez két kisebb energiájú foton szinte egyidejű elnyelésére van szükség, amelyek együttes energiája juttatja a molekulát gerjesztett állapotba.

A háromfotonos technológia ugyanezen az elven működik, de ott három foton együttes energiája váltja ki a gerjesztést.

A többfotonos gerjesztést a fókuszpontban nagyon nagy energiasűrűséget létrehozó, femtoszekundumos lézerimpulzusokkal érik el.

A két- és háromfotonos technológiával ma már a konfokális fluoreszcens mikroszkópoknál jóval mélyebbre hatolva lehet megfigyelni a sejtek szerkezetét és működését – háromfotonos mikroszkópokkal akár 1,3–1,4 milliméter mélységben is tudnak méréseket végezni, ami a konfokális technológiával elképzelhetetlen lett volna.

Csakhogy akadt egy kis bökkenő. „Álmomban sem gondoltam, hogy nem lesz szenzorunk” – vázolja fel a 2012-es helyzetet Rózsa.

Kezdetben a sejtekben kémiai feszültségindikátorokat használtak, ezekkel viszont csak rövid méréseket lehetett végezni toxicitásuk miatt, az őket felváltó kalciumszenzorok pedig csak közvetve követték az idegsejtek elektromos aktivitását.

Az áttörés tavaly következett be, amikor elég jó minőségűvé váltak mikroszkópjukhoz a fehérjealapú feszültségérzékelő szenzorok.

Ezeket a genetikailag kódolt szenzorokat (GEVI) szakemberek a 2020-as évek elején irányított molekuláris evolúcióval tökéletesítették – és ma már Rózsa szerint hosszú percekig lehet nagyon magas minőségű méréseket végezni velük, akár élő állatokon is.

Az idegsejtek rövid nyúlványai processzorként működnek De mi derül ki az agyról, ha sejtszinten olvassuk ki a működését?

Rózsáék idén márciusban a világ egyik vezető idegtudományi lapjában, a Neuron folyóiratban közöltek egy tanulmányt , amelyben leírták, miként követték az idegsejtek dendritjeiben a membránpotenciál-változásokat.

Az idegsejtek három fő részből állnak: sejttestből, dendriteknek nevezett, a sejttestről faágszerűen leágazó rövid nyúlványokból és axonnak nevezett hosszú nyúlványból.

A dendritekről sokáig úgy tartották, hogy főként a beérkező információ összegyűjtéséért felelősek.

Rózsáék 2011-ben a PNAS folyóiratban közölt publikációjukban kimutatták , hogy ez nem így van: a dendritek nemlineáris válaszokat váltanak ki, vagyis maguk is részt vesznek az információfeldolgozásban.

A dendritek így nem egyszerűen az információt becsatornázó rézkábelek, hanem önmagukban processzorokként működnek, magyarázza Rózsa.

Ezek a processzorok nemlineáris logikai kapukhoz hasonlóan működnek, és összetett információfeldolgozásra képesek, vagyis az idegsejt tulajdonképpen processzorok sokaságából áll.

Ezek a logikai kapuk megerősödhetnek például jutalom hatására, ami hozzájárul a memória kialakulásához.

A dendritkapuk a sejttesttel is kétirányú összeköttetésben állnak, ahonnan visszajelzések érkeznek, amelyek képesek a kapukat átprogramozni.

A Neuronban megjelent tanulmányban azt mutatták ki, hogy ha a sejttestből ezek a visszafelé kommunikáló jelek egy csomagban (burst) érkeznek, akkor jobban szét tudnak terjedni a dendritfa elágazásain.

Ha ezt a kétirányú információs kapcsolatot a dendritek kapui és a sejttest között kiszednénk a rendszerből, nagyságrendekkel kevésbé lennénk okosak, állítja Rózsa.

A dendritikus processzorok egyszerre kódolják a múlt, a jelen és a jövő reprezentációit – írták a kutatók a Science folyóiratban júliusban közölt tanulmányukban.

Itt a navigációban kulcsszerepet játszó hippokampusz CA3 alterületének idegsejtjeiben vizsgálták a dendriteket VR környezetben jutalmat kereső egereken.

Losonczy Attilával, a Texasi Egyetem Southwestern Medical Centerjének idegtudományi professzorával közösen Rózsáék azt fedezték fel, hogy az egerek idegsejtjei képesek a jutalom korábbi helyének tárolására.

Ha a kutatók áthelyezték a jutalmat, a sejtek átprogramozódtak, de a jutalom múltbeli helyének lenyomata továbbra is megmaradt bennük.

Sőt, azt tapasztalták, hogy még mielőtt elhelyezték a jutalmat egy új helyre, már voltak olyan dendritek, amik azt az adott helyet kódolták.

A sejt azért tud tanulni, mondja Rózsa, mert a dendritfáján már jelen lévő, térben elosztott információk közül egyes szinaptikus kapcsolatok megerősödnek, például a BTSP nevű plaszticitási folyamat révén.

Annak megállapítása, hogy ezek a biológiai processzorok összességében mekkora számítási kapacitást biztosítanak az agynak, Rózsa szerint még a jövő zenéje.

Az viszont már most látszik, hogy a dendritekben található számítási egységek nagy mértékben megnövelhetik az idegsejtek lehetséges aktivitási mintázatainak számát és az agy információfeldolgozó képességét.

Elképzelhető, hogy az emberi agy jóval energiahatékonyabb, mint a hatalmas adatközpontokat igénylő mai AI- architektúrák.

Alzheimer-terápiák fejlesztésében is segíthet a mikroszkóp A háromdimenziós akusztooptikai kétfoton-mikroszkóp technológia Rózsáék reményei szerint az agy működésének mélyebb megértésén túl a klinikai diagnosztika és új terápiák fejlesztése terén érezteti majd igazán hatását, közelebb hozva ezzel az alapkutatási eredmények gyógyászati alkalmazását.

Az Alzheimer-kóros szervezetben az idegsejteken kívül kialakuló amiloid-béta-plakkok környékén degenerációs folyamatok indulnak be: elkezdenek sorvadni a dendritikus nyúlványok, és csökken a dendrittüskéknek nevezett kitüremkedések száma.

Ez a folyamat, valamint a betegség különböző fázisai megfigyelhetők élő, mozgó állatokban 3D akusztooptikai kétfoton-mikroszkópiával, ahogyan az is, hogy különböző terápiák milyen hatással vannak a plakkokra. „Meg tudjuk figyelni az Alzheimer-terápiák hatásmechanizmusát” – mondja Rózsa, hozzátéve, hogy ehhez gyógyszergyártókkal keresnek együttműködéseket.

A módszer lehetővé teheti, hogy hónapokon át kövessék, miként változnak vagy bomlanak le a betegség kialakulásával asszociált fehérjeplakkok, azok milyen hatással vannak az idegi aktivitásra, az állatok memóriafunkcióira, valamint viselkedésére.

De mi a helyzet az epilepsziaterápiával és a látás agykérgi helyreállításával, amik Rózsa szerint a legközelebb állnak a klinikai alkalmazáshoz?

A fejlesztés alatt álló epilepsziaterápiájukkal állatkísérletekben már felére tudják csökkenteni az epileptikus aktivitások számát, de Rózsa szerint a végső cél az, hogy nullára vigyék le.

A módszer lényege, hogy fény segítségével rendkívül precízen elpusztítják az optikai megfigyelésekkel gondosan kiválasztott epilepsziás sejteket.

Bár sok megoldandó kihívás maradt még, például a sejtaktivitást érzékelő szenzorok továbbfejlesztése és emberekben történő alkalmazásuk engedélyeztetése, valamint a fény agyszövetbe juttatása, ez a jövőben elvezethet egy olyan emberi epilepsziaterápiához, ami nem okoz memóriakárosodást.

A látás agykérgi helyreállítása Rózsa szerint jelenleg látásrásegítést jelent: ha az egerek még egy bizonyos fokú maradéklátással rendelkeznek, akkor azt fel tudják erősíteni, mintha erős kontraszttal vetítenék a képet az agyukba. „Ennek most már van klinikai relevanciája” – mondja Rózsa.

Ugyanakkor komoly kihívás, hogy az idegsejteket egy gén bevitelével fénnyel vezérelhetővé kell tenni.

Ezt Roska Botond neurobiológusnak, a BVC társalapítójának és egyik fő kutatási partnerének a retina ganglionsejtjei esetén már sikerült megvalósítania embereknél is – egy klinikai vizsgálat során a 10 főn tesztelt optogenetikai terápiát a rangos New England Journal of Medicine folyóiratban október elején közölt tanulmányuk szerint biztonságosnak találták. „Hogyha ez megy a szemben, akkor fog tudni működni az agyban is” – állítja Rózsa.

Már a technológiai fejlesztésbe is besegít az AI A mesterséges intelligenciának köszönhetően olyan új lehetőségek nyíltak meg, amikkel nem is számoltunk még egy évvel ezelőtt, mondja Rózsa.

Régi álma volt, hogy javítson a háromdimenziós akusztooptikai kétfoton-mikroszkópjuk sebességén, és ezáltal a mérhető sejtek számát jelentősen növelni tudja.

AI-modellekkel egy nap alatt tervezett egy optikai megoldást, ami jelenleg mérnöki validáció alatt áll, de elvezethet a mikroszkóp működésének további gyorsulásához.

Egy másik esetben olyan optikai mérési elvet dolgozott ki AI-modellek segítségével, ami lehetővé teheti a szabadon mozgó állatok agyi aktivitásának érintésmentes mérését.

A mesterséges intelligenciának a diagnosztikában is lehet szerepe: Rózsáék létrehoztak egy olyan hasnyálmirigyrák-diagnosztikát, aminek prototípusa in vitro teszteken már működik.

Az eszköz a mintákat stimulált Raman-szórásnak (SRS) nevezett spektroszkópiai technológiával vizsgálja, majd a komplex mintázatokat AI-algoritmusokkal elemzi.

Olyan ez, mondja Rózsa, mintha egy sötét szobába helyezett hangszert kopogtatnánk, és a létrejövő rezonanciákból ismernénk fel, hogy milyen hangszerről van szó – ugyanígy működik az SRS, csak molekulák kocogtatásával.

Az eszköz Rózsa szerint orvosokat meghaladó diagnosztikai képességgel képes megállapítani egy hasnyálmirigymintából, hogy valóban daganatról, vagy csak krónikus gyulladásról van-e szó – amik jeleit hagyományos módszerekkel nehéz elkülöníteni.

Az eszköz a jövőben precíziós daganatterápiák tesztelését is segítheti.

Ehhez viszont előbb folytatniuk kellene a fejlesztését, amihez további források bevonására van szükségük.

Rózsa szerint az AI-ban rejlő lehetőségek kihasználásához az ötletek megvalósításának folyamatát is gyorsabbá kell tenni, például egyre több szervezeti folyamat hatékonyabbá tételével és a kutatókat terhelő adminisztratív feladatok automatizálásával. „Ebben nagyon hiszek” – mondja Rózsa, amikor a laboratóriumi automatizálásról kérdezzük.

A BVC egyik kiemelt technikai projektje egy robotmikroszkóp kifejlesztése, ami jelenleg félautomatikusan, de a jövőben teljesen automatikusan lesz képes humán szöveti mintákon különböző terápiák tesztelésére, akár hónapokon keresztül.

Erre az automatikus eszközre Rózsáék egyre több projektet kívánnak alapozni, miközben szeretnének előre lépni az in vivo állatkísérletek automatizálásában is.

Misszióvezérelt kutatóközpont, ahol egy kutatóra egy mérnök jut Nem csak felfedező kutatásra van szükség, hanem azt tovább kell vinni egy magasabb íven, hogy társadalmilag és gazdaságilag hasznos végcélok felé mutasson, mondja Rózsa, és ehhez tervezte meg sikeres nyugati transzlációs modellekhez hasonlóan a BrainVisionCenter működését.

A misszióvezérelt kutatóközpontban átlagosan egy kutatóra egy mérnök jut, és mindenkinek vállalnia kell a közös célokat. „Ez egy sárkányhajó, ahol mindenki egy irányba evez” – mondja.

A kutatók és mérnökök közötti szerves összefonódás a hagyományos szétválasztott modellel szemben megkönnyíti a kutatási eredmények klinikai alkalmazásokká történő konvertálását.

Tapasztalata szerint ma már a nagy tudományos folyóiratok is ezt értékelik.

Az akusztooptikai kétfoton-mikroszkópot és más fejlesztéseket Rózsáék a 2005-ben alapított Femtonics Kft.-ben több mint másfél évtizeden át inkubálták, majd a terápiás fejlesztési irányokat a 2021-ben létrehozott BVC-ben vitték tovább.

Magyarországon a HUN-REN KOKI mellett a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemmel és a Miskolci Egyetemmel van fontos együttműködésük, és nyitottak arra, hogy újabb fejlesztési projektek inkubátoraként szolgáljanak.

Büszkén beszélt nemzetközi együttműködéseikről is, amiket a világ vezető egyetemein – a Columbia Egyetemen, a Stanfordon, a Boston Egyetemen, az MIT-n, valamint az oxfordi, heidelbergi, lyoni, szingapúri és hongkongi egyetemeken – dolgozó kutatócsoportokkal folytatnak.

Kiszámítható finanszírozás és környezet kell a hosszú távú kutatásokhoz Globális viszonylatban Kína egyre inkább tör előre a biotechnológiában, egyre több nyugati cég az ázsiai országba viszi a klinikai vizsgálatokat és terápiái engedélyeztetését, és csak azután kezdeményezi az engedélyeztetést az Egyesült Államokban vagy Európában.

Rózsa azt mondja, hogy szerinte az Európai Unió felismerte ezt a problémát, és reméli, hogy a mostani helyzet érdemben változik majd.

Júniusban a Qubitnek Várhelyi Olivér egészségügyért és állatjólétért felelős uniós biztos azt mondta , hogy az utolsó pillanatban vagyunk, hogy megerősítsük a jövő gyógyászatát megalapozó európai biotechnológiai iparágat, és lerövidítsük a felfedezésektől a terápiás alkalmazásokig vezető utat – ezt célozza az Európai Bizottság által tavaly decemberben javasolt biotechnológiai jogszabály.

Rózsa az olyan rövid távú célok mellett, mint a rákdiagnosztikai eljárás, az epilepsziaterápia és a látáshelyreállító terápia fejlesztése, hasonló arányban kíván összpontosítani hosszú távú, 10 éves távlatú küldetéseikre is.

Ehhez önfenntartó modellt szeretne biztosítani a kutatóközpontnak, amihez viszont folyamatos finanszírozás és kiszámítható működési környezet kell. „Legyen egy egészséges versenyhelyzet, ami motiválja az embereket, és akkor az tud gazdaságot meg tudományt teremteni” – mondja Rózsa, aki szerint újra kizárólag a szakmai teljesítménynek kell mérvadóvá válnia a magyar és európai tudományfinanszírozásban, így az Európai Kutatási Tanács (ERC) pályázatok elbírálásában is.

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: ]]>