Magyar és francia kutatóknak minden eddigi megoldásnál pontosabban sikerült visszafejteni neuronhálózatok információ kódolását optikai jelekből.

Ahhoz, hogy megértsük, hogyan gondolkodunk, hogyan működik memóriánk, hogyan tudjuk a kiesett vagy hibás agyi funkciókat különféle betegségekben pótolni, hogyan gyógyítsuk a vakságot, az Alzheimer-kórt, kezeljük az epilepsziát, a gerincsérültet vagy a stroke-ot követő állapotot, pótoljuk a végtagokat és még folytathatnánk, meg kell érteni az agy információkódolását. Ahogy a számítógépek esetében a biteken keresztül tudunk a működésig eljutni, úgy az agy esetében a megismerés funkcionális elemi egységét az idegsejtek sejtestjeiben és nyúlványaiban zajló aktív folyamatok, az úgynevezett akciós potenciálok jelentik.

Ivo Vanzette francia kutató marseille-i és Rózsa Balázs (MTA KOKI és Pázmány Péter Egyetem, ITK és Bionikai szak) kutatócsoportjai közös kollaborációban minden eddiginél hatékonyabb eljárást dolgoztak ki az agy aktivitásának dekódolására, amelyet a Nature Communications lap is közölt.

Az ötlet egy valósághű modellt használ az akciós potenciálok genetikai és kémiai szenzorokkal detektált fluoreszcens jeleinek zajtól való elkülönítésére,

amely átlagosan 3-5-ször jobb felbontású a jelenlegi csúcstechnológiánál, de akár több mint egy nagyságrenddel is hatékonyabb éber, szabadon viselkedő állatokon végzett mérésekben, amikor a mozgás különösen sok zajt generál az optikai jelben. Algoritmusuk becslési pontossága eléri a jelenlegi elméleti határt. Azaz maximális hatékonysággal szedi ki a sejtek aktivitásáról az információt a mért optikai jelekből. A módszert kiegészíti egy másik fejlesztés, ami egy auto-kalibrációs folyamat, amely közvetlenül a nyers adatokból vonja ki a legjobb modell paramétereket. Ezáltal szabadítva meg a kutatót a gyakran nehézkes, sejtenkénti kalibrációs mérések elvégzésétől. Az algoritmusuk sokkal kevésbé érzékeny a zajra, ezáltal a jelenlegi megoldásokhoz képest akár egy nagyságrenddel több neuronról válik lehetővé a képalkotás.

A két-foton lézerpásztázó mikroszkópok használatával 15 éve vált lehetővé a genetikai és kémiai szenzorokkal kódolt sejtszintű fluoreszcens jelek optikai/képalkotó felvétele már azonosított neuronális hálózatokban akár a mélyebb agyterületeken is. Manapság rengeteg híres laboratórium használ két-foton mikroszkópot a neuronális aktivitások in vitro, in vivo és éber állatokban való vizsgálatára. A sikerek ellenére a két-foton mikroszkóppal problémás volt a helyi hálózatok dinamikájának vizsgálata. Ugyanis a sejtszintű neuronális aktivitás meghatározása valóban megoldatlan marad kifejezetten akkor, ha a sok adatot kell nagy sebességgel rögzíteni a sok sejt egyidejű felvétele közben. Ennek eredményeképpen, részben kiaknázatlanok voltak azok a potenciális új keletű technológiai fejlesztések (akuszto-optikus szkennelés, holografikus mikroszkópia, 3D-s gyors funkcionális képalkotás), amelyek lehetővé tennék a neuronok nagy térfogatban történő mikroszkópos vizsgálatát.

A fejlesztésekben magyar oldalról Rózsa Balázs és Katona Gergely vezetésével kiemelkedő szerepet töltött be Ócsai Katalin, Kaszás Attila, Lakner Tamás és Szalay Gergely. A fejlesztések részben már a kutatók saját költségén kiépített új „multidiszciplináris” kutatóközpontjában születtek, ahol gépész-, optikai tervező-, szoftver fejlesztő-mérnökök dolgoznak együtt biológusokkal, orvosokkal és biofizikusokkal, annak érdekében, hogy az agy megismerésén felül új terápiás és diagnosztikai eljárásokat alkossanak.