Csúcsműszer segíti az agykutatást

Fotó: MTA/Szigeti Tamás

A 2015. április 13-án átadott Siemens Zrt. által gyártott új berendezéssel a kutatók tanulmányozhatják például a gyerekek gondolkodásának fejlődését vagy a zene és a nyelvtanulás agyi hatásait, de nagy lendületet adhat az idegrendszeri betegségek vizsgálatának is. Ebből a műszerből Európában még csak körülbelül 50 üzemel, vezető brit és német laborokban, Budapesten, az MTA Természettudományi Kutatóközpontban fog dolgozni egy példány a következő tíz évben.

A mágneses rezonanciás (MRI) képalkotó berendezés képes az egész agy egyidejű megfigyelésére anélkül, hogy elektródákat ültetnének a páciens fejébe, vagy bármilyen más invazív módszert alkalmaznának.

MRI és fMRI
Az egészséges és kóros humán központi idegrendszeri folyamatok kutatásának napjaink legelterjedtebb és legdinamikusabban fejlődő módszerei a mágneses rezonanciás képalkotás (MRI). A mágneses rezonanciás képalkotás során az emberi testet erős mágneses térbe helyezik, aminek hatására a testben lévő hidrogénatomok magjai – mint apró mágnesek – egy irányba rendeződnek. Ezután a szervezetre nem ártalmas, rádiófrekvenciás elektromágneses sugárzással energiát adnak az atommagoknak, amit azok szintén elektromágneses sugárzás formájában visszasugároznak. Ezt az ember köré helyezett tekercsekkel lehet mérni. A műszerben lévő mágneses tér gyors változtatásával a visszasugárzott jel frekvenciájából következtetni lehet a kibocsátó atommag helyére, így térbeli kép nyerhető.

Funkcionális vizsgálatoknál (fMRI)azt használják ki, hogy agyi aktivitás hatására az aktivált területre friss, oxigéndús vér áramlik, ami az oxigénben gazdag és az abban szegény vér eltérő mágneses tulajdonságai miatt az aktiváció helyén a mért jel megnövekedését okozza. Ezáltal az agyat hosszabb időn át vizsgálva, ilyen jelnövekedéseket keresve meg lehet mondani, melyik terület mikor és mennyire volt aktív.

Magyar sajátosságokat is vizsgálnak
Az új fMRI-laboratórium korszerű műszeres hátteret biztosít a felfedező kutatásokhoz a kognitív idegtudomány, a fejlődés-idegtudomány és a neuropszichiátria területén, valamint megteremti az MR-módszerre irányuló további fejlesztések feltételeit. A fő tudományos célok között szerepel az agy egészséges és kóros öregedésének kutatása, a gondolkodás fejlődésének vizsgálata, a nyelvtanulás és a zenetanulás hatásainak mélyebb megértése. Ilyen vizsgálatok természetesen már folynak a világban, mostantól azonban – Csépe Valéria szavaival – Magyarország is korszerű eszközzel vehet részt a „tudományos Forma–1-ben”.

„Az egyik nagy lehetőség a magyar nyelvnek az európai nyelvektől, különösen pedig az angoltól való, számos lényeges (hangsúly, szórend, nyelvtan, szerkezet) eltérésének vizsgálata. Az egy- és többnyelvű magyar gyerekek nyelvi fejlődésének speciális vonatkozásait kutatva a tudományos megismerésen túl több fontos lépést tehetünk a gyakorlati alkalmazás felé. Komoly eredményeket várok azoktól a kutatásoktól is, amelyeknek célja azt feltárni, miként hat az ének és a zene, különösen pedig a Kodály-módszer az agy fejlődésére” – ismertette Csépe Valéria.

Ezt erősítette meg Honbolygó Ferenc, az AKK Neurokognitív Fejlődés Kutatócsoportjának tudományos munkatársa is: „A kognitív pszichológia területén itthon eddig nem vagy alig volt lehetőség képalkotó vizsgálatokra, ezért a magyar kutatások nagyon lemaradtak a nemzetközi mezőnyben. Ez fog most gyökeresen megváltozni. Az elmúlt évek egyik legizgalmasabb kutatási területe a zene hatása az agyra, a zenetanulás hatása az értelmi képességek fejlődésére. Kiderült, hogy a zenetanulásnak igen komoly hatása van az egyéb kognitív képességekre, például az olvasás tanulására vagy a figyelmi képességekre.”

Fantomokon tesztelték
„Ez itt az én agyam – mutat egy képet Kettinger Ádám, a BME Természettudományi Karának PhD-hallgatója, az AKK Agyi Szerkezet és Dinamika Kutatócsoportjának MR-fizikusa. – A műszert eddig speciális céltárgyakon, úgynevezett fantomokon, illetve magunkon teszteltük.”

A teszteknek, illetve a mostantól következő éles vizsgálatoknak semmilyen káros hatásuk nincs az emberi szervezetre, mert az fMRI-vizsgálatok során nem ionizáló sugárzást használnak – mondja a szakember.

Egy fontos biztonsági szabályt azonban be kell tartani: a Földénél 60 ezerszer erősebb (3 teslás) mágneses tér miatt semmilyen fémtárgyat nem engednek be a vizsgálóba. Az MTA fotográfusának is azt tanácsolták a kutatók, hogy bent a vizsgálóban ne fényképezzen, ha szeretné még használni a felszerelését. Le kell tennünk a nálunk lévő mobilt, kártyákat, órát, szemüveget is (a nadrágszíj maradhat), és persze megkérdezik, nincs-e valakinek pacemakere. A fémes fogtömések bejöhetnek, mert ezek csak egy vizsgálat alatt melegedhetnének fel kellemetlen mértékben.

Fotó: MTA/Szigeti Tamás

Tisztábban, gyorsabban
Az fMRI-vizsgálatok legfontosabb jellemzője valóban az, hogy az élő, működő, például éppen valamilyen feladatot megoldó agyat lehet tanulmányozni. „Az új berendezésnek minden korábbinál gyorsabb a képalkotási folyamata, és jobb a tér-időbeli felbontása is. Ez azt jelenti, hogy rövid, esetleg csak néhány perces vizsgálati idő alatt is az eddigieknél jóval tisztább adatok nyerhetők, ami például a gyerekeknél, a fejlődési vizsgálatoknál fontos. A gyerekek bírják a legkevésbé a megfigyelés alatti bezártságot és mozdulatlanságot” – magyarázza Gál Viktor MR-módszerfejlesztési projektvezető, az AKK Agyi Szerkezet és Dinamika Kutatócsoportjának tudományos munkatársa.

Mint már említettük, ez a készülék az első olyan az országban, amely tisztán kutatási célokat szolgál, diagnosztikára nem használják. „Az itt zajló alapkutatásokra épülnek majd a jövő orvosi célú vizsgálatai” – mondja a szakember.

A gép működését az idegrendszeri kutatásokra optimalizálták, de az ízületek működése, öregedése is tanulmányozható vele. Az ízületekkel kapcsolatos klinikai adatokat (pl. műtéti adatok) az MR-felvételeket tartalmazó adatbázissal társítva új utak nyílhatnak a diagnosztikában és a kezelésben.

A legnagyobb eredményeket azonban az agyi hálózatok kutatásától várják. Az egyes agyterületeket összekötő agyi hálózatok a fejlődés során folyamatosan változnak. Ezek vizsgálatára nagyon alkalmas az új műszer, használatával az agy mélyebb, úgynevezett kéreg alatti területeit is meg lehet figyelni. A korábbi hasonló eszközökénél jobb téri felbontás miatt tisztábban rajzolódnak majd ki ezek a hálózatok. Például kiderülhet, hogy az anyanyelv és a tanult nyelv szavait nem egyazon hálózaton tárolja az agy.

Nyugalomban is pörög az agy
Az fMRI-vizsgálatok egyik legújabb és legizgalmasabb területe az, amikor megnézik, mit csinál az agy nyugalmi állapotban, vagyis amikor semmilyen feladatot nem kell megoldania. A vizsgált személyt ilyenkor azzal az instrukcióval tolják be az MR-berendezésbe, hogy ne gondolkodjon semmire, próbáljon meg maximálisan kikapcsolni, de ne aludjon el.

Az elmúlt években kiderült, a nyugalmi (resting-state) fMRI-módszer alkalmas rá, hogy mérjük az agy spontán kialakuló aktivitását, tehát amikor nem érnek bennünket külső ingerek, és a legkevésbé intenzív „gondolati” tevékenységet végezzük. Nyugalmi állapotban az agy energiafelhasználása mindössze 5 százalékkal kevesebb, mint a legintenzívebb feladatfüggő aktivitás során. Vajon min dolgozik ennyire az agy nyugalmi állapotban?

A nyugalmi hálózat ereje
„A nyugalmi állapotban jellemző agyi aktivitás nem véletlenszerű. Egy adott funkció ellátásában részt vevő agyterületek, például az arcfelismerésért felelős régiók az agy nyugalmi állapotában is szinkron aktivitást mutatnak, azaz funkcionális kapcsolatban vannak egymással, hasonlóan ahhoz, amit például egy arc felismerése során tapasztalhatunk” – mondja Hermann Petra, az AKK Agyi Szerkezet és Dinamika Kutatócsoportjának tudományos segédmunkatársa.

Az agy nyugalmi állapotának vizsgálata világszerte viszonylag új terület. Napjainkban intenzíven kutatják, hogy ezeknek a nyugalmi állapotban működő hálózatoknak mi a funkcionális jelentőségük. Kimutatták például, hogy specifikus agyterületek között nyugalmi állapotban mért összeköttetések erőssége alapján meg lehet jósolni, ki mennyire lesz jó egy bizonyos feladat elvégzésében. Hermann Petra és kollégái jelenleg a látókérgi hálózatot vizsgálják nyugalmi állapotban, illetve azt, hogy a látókérgi hálózaton belüli kapcsolati erősségek hogyan befolyásolják az egyén arcészlelési képességeit zajos ingerek, rossz látási viszonyok esetén. Az is érdekes, hogy milyen nyugalmi funkcionális kapcsolati mintázatok jellemzők egyes idegrendszeri betegségekben. Az már kiderült, hogy a szkizofrénia esetében ez a mintázat más, mint egy egészséges embernél.

A jövő egyik nagy lehetősége az, ha sikerül olyan kapcsolati mintázatokat azonosítani, amelyek jelezhetik egy adott viselkedés, képesség vagy betegség megjelenését. Ezeknek az „fMRI-ujjlenyomatoknak”, biomarkereknek nagy jelentőségük lehet a diagnosztikában is – véli Kóbor Andrea pszichológus, az AKK Neurokognitív Fejlődés Kutatócsoportjának tudományos segédmunkatársa.

Az emberi lét hálózata
Korábban azt gondolták, hogy a célvezérelt viselkedés, az agy legmagasabb szintű végrehajtó működése leginkább egy adott agyterülethez (a prefrontális kéreghez) köthető. Kiderült azonban, hogy ebben is egy olyan meglehetősen nagy agyi hálózat vesz részt, amelyhez nem csak agykérgi területek tartoznak. Ez a hálózat tesz bennünket emberré: ennek köszönhetjük például, hogy egy-egy inger esetén nem ösztönösen cselekszünk, hanem ellentmondhatunk késztetéseinknek, vágyainknak; hogy meg tudunk oldani komplex problémákat, és képesek vagyunk megfelelő döntéseket hozni. Amennyiben a körülmények változnak – például kritikus helyzet lép fel –, akkor a hálózat is megváltozhat, új kapcsolati súlyok alakulhatnak ki. Egy háborús helyzetben például a túlélésre koncentráló elemek válhatnak dominánssá.

A kétnyelvűség ereje
A végrehajtó hálózat felépítésében nagy egyéni különbségek mutatkoznak. Ezek egy része örökletes, azaz genetikai eredetű, más részük azonban tanult, kulturális elem. „Például a kétnyelvű környezetben felnövő egyéneknél e hálózat funkcionális kapcsolatai erősebbek, ami kihívást jelentő helyzetekben rugalmas alkalmazkodást tesz lehetővé – a kétnyelvűek általában toleránsabbak a világban zajló változásokkal szemben. Ennek oka az lehet, hogy a kétnyelvűek agya egyidejűleg két nyelvi rendszert kontrollál, s emiatt egyfajta gondolkodásbeli többletre tesznek szert. Ez a kognitív többlet aztán nem nyelvi helyzetekben is kamatoztatható, sőt az időskori kognitív hanyatlást is késleltetheti” – mondja Kóbor Andrea.