Somogyvári Zoltán Magyar Tudományos Akadémia Wigner Fizikai Kutatóközpont Részecske és Magfizikai Intézet Elméleti Osztály Elméleti Idegtudomány és Komplex Rendszerek Kutatócsoport
Az agy szürkeállománya Idegsejtek sűrű szövedéke Egy átlagos idegsejt 15000 másik sejttől kap bemenetet (szinapszist), de egyes sejttípusok akár 500000 bemenetet is kaphatnak.
A szinapszis: kommunikáció két sejt között Az 'adó' sejt speciális molekulákkal bombázza a 'vevőt'. A 'vevő' sejt membránján ioncsatornák nyílnak ki és elektromos impulzus terjed szét a dendrit-ágakon. Egy átlagos idegsejt 15000 másik sejttől kap bemenetet (szinapszist), de egyes sejttípusok akár 500000 bemenetet is kaphatnak.
Az idegsejt akcióban Az agyunk működése az idegsejtek elemi döntéseiből áll össze: 1)A idegsejt összegyűjti a dendritfájára érkező bemeneteket. 2)Térben és időben súlyozva (nem lineárisan) összegzi azokat. 3)A sejttestet elérve találkoznak (dinamikai) küszöbével. a sejt 4)Ha az összegzett bemenet meghaladja a küszöböt, kimeneti impulzus, akciós potenciál generálódik. 5)Ez végigfut a kimeneti nyúlványon (axon) és szinapszisokat aktivál.
Az áramforrás eloszlás a sejt felületén Mikro-elektróda rendszerek Az agyszövetbe műtéti úton beültetett mikroelektróda rendszerekkel mérhető az egyedi idegsejtek által létrehozott elektromos potenciál mintázat Nyelő 0 Forrás T(d) Potenciál mintázat a mikro-elektróda rendszeren
Az áramforrás eloszlás a sejt felületén Nyelő Az idegsejtek kimenete Az agyszövetbe műtéti úton beültetett mikroelektróda rendszerekkel mérhető az egyedi idegsejtek akciós potenciáljai által létrehozott elektromos potenciál mintázat. 0 Forrás T(d) Potenciál mintázat a mikro-elektróda rendszeren
Az áramforrás eloszlás a sejt felületén Az idegsejtek kimenete A jelalakok hasonlóságai alapján az egyes idegsejtek aktivitása felismerhető. Nyelő 0 Forrás T(d) Potenciál mintázat a mikro-elektróda rendszeren
Az áramforrás eloszlás a sejt felületén Az idegsejtek kimenete Minden egyes sejt akciós potenciáljához egy jellegzetes tér-idő potenciálmintázat tartozik. Nyelő 0 Forrás T(d) Potenciál mintázat a mikro-elektróda rendszeren
Az áramforrás eloszlás a sejt felületén Nyelő 0 Forrás T-1(d) Az alap probléma Viszonylag jól értjük az idegsejten lezajló folyamatokat. Az idegsejtek kimenetei könnyen tudjuk mérni. jeleit viszonylag DE Fogalmunk sincs arról, hogy a sejtekre érkező sok ezer bemeneti impulzus milyen bemeneti tér-idő mintázattá összegződik. Nincs megfelelő mérési technikánk! A bemenetek ismerete nélkül az idegsejtek által végzett elemi számítási lépések megértése reménytele. Potenciál mintázat a mikro-elektróda rendszeren
Az áramforrás eloszlás a sejt felületén Nyelő 0 Forrás T-1(d) Az alap ötlet Forrásmeghatározás inverz módszerekkel: A Poisson egyenlet inverz megoldása speciális kényszerfeltételekkel. 'Autofókusz' algoritmus pozíciójának becslésére az idegsejt Analóg az 'ultra-mikroszkópiával' ahol a hullámhossz határ alatti felbontást lehet elérni inverz módszerekkel. Potenciál mintázat a mikro-elektróda rendszeren
Eredmények Tér [mm] Idő [ms] Élő, szabadon mozgó, feladatot megoldó állatban látjuk ahogy az akciós potenciál létrejön és szétterjed az idegsejten illetve ahogy a kimeneti jel elfut az axonon.
32*50µm 2 dimenziós, 256 csatornás elektróda rendszer 8*300 μm Lehetővé teszi a hippokampusz nevű agyterület és az ott található sejtek közül kb. 100 db teljes leképezését.
Mikro-elektro anatómia T=1 T=1000 T=2000 T=5000 T=10000 T=50000 Koherencia mátrix alapú itteratív klaszterezéssel azonosítottuk az ősi agykérgi terület, a hippokampusz anatómiai rétegeit, amelyek azonos eredetű szinaptikus bemenetet kapnak.
Mikro-elektro anatómia A sejttestek helyzetét jelölő magas frekvenciás teljesítménytérképek, a szinaptikus rétegeket azonosító koherencia-klasztertérképek és a jelalakok a alapján azonosított egyedi idegsejtek fúziójával a meghatároztuk a hippokampusz részletes szerkezetét pusztán a mért elektromos jelek alapján. Ez az elektroanatómiai kép pontos egyezést mutatott az utólagos szövettani festéssel. Berényi et al. J Neurophysiology 2014
Mikro-elektro anatómia: 512 csatornás elektróda rendszer a nagyagykéregben Coherence 0 1
SPW Theta Egy idegsejt két bemenete Először sikerült megmutatnunk, hogy ugyan az az idegsejt két különböző agyi oszcillációs (és feltehetően információ feldolgozási) állapotban különböző pályákon kapja a bemenetét. Nat. Reviews Neurosci. 2012, 13(6) 407-20
Egy idegsejt bemenetei különböző rétegekből Egy CA3 piramis sejt (#56) 0.1s A jobboldali időgörbéken a színek a megfelelő színnel jelölt klaszterben mérhető átlagos potenciál alakulását mutatják. Ezeken azonosítható az akciós potenciált kiváltó bemenet, az akciós potenciál és a kimeneti rétegbe megérkező hatás is. 20ms
Ulbert István, MTA TTK Köszönet Buzsáki György, NYU Berényi Antal, NYU Lisa Roux, NYU Szegedi Egyetem John Long, NYU
Köszönet Érdi Péter Bazsó Fülöp Négyessy László Cserpán Dorottya Zalányi László Benkő Zsigmond Elméleti Idegtudomány és Komplex Rendszerek Kutatócsoport