A molekuláris megközelítésről, amely egyelőre több kérdést vetett fel, mint amennyit megoldott
Mintegy tizenöt évvel ezelőtt sokak szemében még többé-kevésbé eretnekségnek számított a szellemi és lelki folyamatok molekuláris biológiai megközelítésének a gondolata. Természetesen ma sem tekinthetünk kielégítőnek egy kizárólagosan ilyen megközelítésű elemzést a magasabb rendű idegtevékenység értelmezésére és megmagyarázására. Az „arany középút” az interdiszciplináris metodológia, amelyet Szent-Györgyi Albert szubmolekuláris és Selye János szupramolekuláris „biológiái” közötti sáv minden szintjén alkalmazni kell. Ennek a követelménynek jelenleg az 19ó2-ben beindult brockline-i (Massachusetts, USA) Neurosciences Research Program felel meg a legjobban, mert munkálataiban (kutatások és konferenciák) szó szerint minden szakma részt vesz.
Jellemző a mai molekuláris megközelítés álláspontjára a fenti program vezetőjének, F. O. Schmitt professzornak az alábbi megállapítása: „Érdekes mód, a molekuláris biológusok mind bizonyosaknak tűnnek afelől, hogy az agyműködés kulcsát a sejti vagy a magasabb rendszerek szintjén kell keresni… A világ számos, más területen dolgozó szakembere felsorakozik az idegtudományok kutatóihoz… Ahhoz, hogy az idegtudományok potenciálját megértsük, nem csupán az egyedi – molekuláris, sejti, idegi vagy magatartási – szintekre való összpontosítás szükséges, hanem lényegbevágóan minden szint – eredetiséggel felruházott – tudósai elvi és képzeti meglátásainak kölcsönös elsajátítása…”
Előzmények
Tekintsünk el itt a problémakörre vonatkozó általános klasszikus felfogások (Platón, Szókratész, Locke, Ebbinghaus, Szecsenov, Behtyerev, Pavlov, Ramon y Cajal, Lashley, Hebb stb.) ismertetésétől, s csupán a szorosabban idevonatkozó előzményekről szóljunk röviden.
Köztudott, hogy a legjobban ismert biológiai információtárolási folyamat: az öröklődés, amely a nukleinsavak bázissorrendjének kódnyelvezete által tárolja az örökletes tulajdonságokat. Kézenfekvő volt tehát, hogy a nukleinsavakat az emlékezési információtárolás módozatai kiértékelésénél szintén számításba vegyék.
A múlt század végén több célzás történt a molekuláris folyamatoknak az emlékezésben betöltött valószínű szerepére, amint az T. A. Ribot Les maladies de la mémoire c. 1881-es munkájából és a nagynevű brit–amerikai filozófus-pszichológus William James manapság klasszikusnak számító, 1890-es Principles of Psychologyjából kitűnik. De ugyancsak valószínű – az akkori ismereteket tekintve –, hogy ezek inkább metaforikus célzások voltak, semmint konkrét vegyfolyamatokra való utalások. Még a Richard Semon által 1904-ben javasolt engramm sem bírt eredetileg azzal a molekuláris értelemmel, amellyel ma többen is felruházzák. Mindenesetre az engramm, legalábbis konceptuálisan, nagyon is „anyagi” volt, mert Semon a fogalom mögé a következő posztulátumot rejtette: minden olyan inger, amelyet a szervezet átél, valamiféle anyagi természetű nyomot hagy a szervezetben. Határozottan molekuláris hipotézisek csupán az 1940-es évek végén születtek von Foerster (1948), Monné (1948), valamint Katz és Halstead (1950) révén. Ward Halstead, az University of Chicago lélektan professzora véleménye szerint az engrammnak az egyedi sejtek nukleinsavának molekuláris elváltozásai felelnek meg.
A molekuláris korszak
A konkrét értelemben vett molekuláris megközelítés csupán egy évtizeddel később kezdődött. Holger Hydén, a göteborgi Egyetem Orvosi Karának professzora a negyedik Nemzetközi Biokémiai Kongresszuson (Bécs, 1959) bejelentette, hogy egy bizonyos feladat „betanításának” (azaz bizonyos kondicionálásnak) alávetett patkányok egyes óriásneuronjai Deiter-féle magvaiban az RNS (ribonukleinsav) minőségi eltérést mutatott a kontroll (tehát a nem „tanuló”) állatok RNS-ével szemben. Később, 1961-ben Dingman és Sporn abból indult ki, hogy ha az RNS-nek valóban szerepe van az idegi információtárolásban, akkor az RNS- és fehérjeszintézist gátló szerek valószínűleg gátolni fogják a tanulást is. Kísérleteikben tehát specifikus anyagcsere-inhibitorokat alkalmaztak. A másik fontos lépést az emléktárolás molekuláris mechanizmusának kutatásában McConnel 1962-ben végzett kísérletei jelentették, amelyek során a kutató alacsony rendű állatok, planáriafajok „tanulékonyságát” vizsgálta. A korábbi korszak élettani (elsősorban elektrofiziológiás) vizsgálatai azonban erős előítélettel telítették a tudományos légkört, és a vegyi jelenségek bevezetése az idegrendszer tanulmányozásába állandó és határozott ellenállásba ütközött. A helyzetet egyesek a neurohumorális felfogás bevezetésével szemben kialakult kezdeti szkepticizmushoz hasonlítják. S hogy ebben nincs túlzás, bizonyítja például, hogy több mint huszonöt évnek kellett eltelnie, amíg az idegingerület kémiai közvetítésének elméletét és tényét – a fizikaival szemben – véglegesen elfogadták.
„Közbeszólnak” a nukleinsavak
Hydén úttörő munkásságának kiinduló hipotézise a következő volt: lehetséges, hogy az idegingerület elektromos impulzusai valamiként módosítják az RNS bázissorrendjét, tehát kódolják az információt. Valóban, Hydén talált mind mennyiségi, mind minőségi eltérést a tanulásban résztvevő idegsejtek RNS-ében.
Bizonyára a várható ellenállásra számítva, Hydén kísérletei (1959, 1967, 1969) az eddigi legtökéletesebb és legérzékenyebb technika igénybevételével folytak – izolált (egyedi) neuronokon! Két kiváló nukleinsav-vegyész – Egyházi Endre és Paul Lange – közreműködésével lehetővé vált rendkívül kis mennyiségű próbák elemzése. Mindez elengedhetetlen volt, hisz az idegtest és az arról mikrotechnikával leválasztott neuroglia közötti elenyésző különbségek, a tanulás folyamán lezajlott cserék követése csak így vált lehetővé és értelmezhetővé. Eddig nem is ismeretes a göteborgi teljesítmény más laboratóriumokban való megismétlése, noha – tudománymódszertani szempontból – éppen erre volna szükség a Hydénék által élért eredmények hitelesítéséhez. Mindamellett – más úton – több laboratóriumban kimutatták az RNS-szintézis tanulás során bekövetkező megnövekedését.
Az elvi nehézség, amely kétségessé tette az idegsejtek által termelt, tanulással kapcsolatos, minőségileg új RNS- és fehérje-molekulák létét, azzal az – egyébként ismert – ténnyel kapcsolatos, hogy az idegszövet: a legnagyobb mértékben differenciált élőszövet. Ami gyakorlatilag azt jelenti, hogy egyik „felnőtt” neuron sem tehet magáévá egyetlen más új funkciót sem, mint amire már eleve, a magzati és későbbi differenciálódás során „specializálódott”. Vagyis – molekuláris biológiai terminusokban – a neuron DNS-e (dezoxiribonukleinsava) semminemű környezeti tényezőre nem válaszol új, az addig létező állománytól minőségileg eltérő RNS-, illetve fehérje-szintézissel. Ennek ellenkezőjét – tehát, hogy az idegsejtben ténylegesen megjelennek minőségileg új és a tanulási feladatra jellemző RNS-ek és fehérjék – azonban sikerült kísérletileg is igazolni, mégpedig egy, a nukleinsav-kémia alig egy évtizedes vívmányával: a DNS–RNS hibridizációs technikával. (Ennek lényege abban áll, hogy komplementer, azaz „egymásra illő” nukleinsavszálak hibridizálnak. Ezt a technikát alkalmazzák a molekuláris taxonómiában is a különböző egyedek biológiai rokonsági fokának a felbecsülésekor.)
Arra vonatkozólag, hogy a „memória-RNS” mégis milyen természetű, mindeddig nincs egyértelmű válasz. Hydén (1967) úgy találja, hogy az új RNS bázisösszetételének megváltozottsága a hírvivő („messenger”) RNS-szint megnövekedésének tudható be.
A nukleinsavaknak a tanulásban játszott szerepével kapcsolatban említést kell tennünk még egy merész hipotézisről, melynek szerzője a fiatalon elhunyt, vegyésznek indult, matematikusként is csillogó és végül a neurobiológiát választó J. S. Griffith és az Indiana University-beli (Bloomington, USA) neurobiológus kollégája, H. R. Mahler. Figyelemreméltó, hogy a hipotézis – vakmerősége ellenére – a közismerten rangos és ugyanakkor közismerten igényes londoni Nature-ben jelent meg (1969). Amint a szerzők már a kezdet kezdetén leszögezik, az az elgondolás, miszerint az emléktárolás egyik kódolási formája a DNS bázissorrendje lenne, erősen valószínűtlen. Az egyetlen látszólagosan mellette szóló érv abban áll, hogy a DNS bázissorrendje képes lenne szolgáltatni azt a 1016–1020 bitnyi memóriakapacitást, amelyet egyesek az emberi agynak tulajdonítanak, emellett pedig a DNS az az egyedüli molekula, amelyről bizonyosan tudjuk, hogy – leszámítva kisebb genetikai ártalmakat – egy egész életen át „velünk van”. Továbbá lehetséges – állapítja meg bizakodva a két szerző –, hogy az idegsejt tökéletes differenciált volta (vagyis, hogy többé nem osztódik) éppen azt a célt szolgálja, hogy az egyszer már elsajátított információ minél nagyobb biztonságban legyen elraktározva. Anélkül, hogy tovább részleteznénk a Griffith–Mahler-féle „DNS-megjelzéses” memória-elméletet („DNA ticketing theory of memory“), csak még annyit jegyzünk meg, hogy Griffith-ék felfogásában a DNS továbbra is az a hosszú szalag marad, amelyre – kódolt formában – a fehérjeláncok aminosav-sorrendje rögzíttetett, csakhogy a szalag „lefordítását“ (dekódolását) irányító rövid szakaszok vegyileg módosítottak („megjelzettek”).
A fehérjék felé fordul a figyelem
Az emlékezés molekuláris elmélete számára egyenesen felkínálkozott a memóriaátültetés kérdése. Ilyen természetű kísérletek során a fehérjék is „előkerültek”. Ungar és Oceguera-Navarro (1965), Rosenblatt és mások (1966), valamint egy sor más kutató sikeresen végzett a betanított állatok agyából kivont fehérjefrakciókkal emlékátvitelt a betanítatlan állatokba. Tekintettel arra, hogy hasonló kísérletek RNS-kivonatokkal is sikerültek (Fjerdingstad és mások, 1945; Ádám és Faiszt, 1967 stb.), felvetődött a „fehérje kontra RNS” dilemma. A kérdés megoldására (?) a legeredményesebben Georges Ungar (Baylor University College of Medicine, Houston) gyógyszerészeti tanszékvezető és E. J. Fjerdingstad dán biológus vállalkozott 1971-ben, a houstoni laboratóriumban. Eljárásuk lényege a következő volt: a sötétség elkerülésére betanított patkányok agyából készítettek egy RNS-ben gazdag, és egy peptid (tehát: fehérje természetű) kivonatot. Egerekbe injektálva mindkét kivonat ugyanazt a sötétségelkerülési „ingert“ váltotta ki. A következő – a döntő – lépés abban állt, hogy a két preparátumot egy proteáz (fehérjebontó enzim) és egy ribonukleáz (RNS-t bontó enzim) hatásának tették ki. Az eredmény: míg a ribonukleáz nem hatástalanította a kivonatokat, addig a proteáz hatására azok elvesztették „emlékátvivő“ képességüket. Ebből természetszerűen adódott a következtetés: az aktív tényező nem a nukleinsav, hanem egy, az RNS-sel asszociálódó fehérje. Ezt a következtetést megerősítette egy további kísérlet, amely egyben igazolta Ádám és Faiszt már említett eredményeit. (Egyébként ismeretes, hogy a riboszómákban az RNS és a ribonukleoproteidek annyira szorosan asszociáltak, hogy a riboszomális RNS kísérleti előállítása komoly nehézségekbe ütközik.)
Ungar a fehérjeirányzat megrögzött harcosa, és „makacsságát” legalább olyan eleganciával végzett kísérletekkel társította, mint amilyeneket Hydénék elértek az RNS-vonalon. Amint azt már A Hét 49/1972 számában ismertettük, Ungaréknak sikerült tiszta állapotban előállítani és vegyelemezni azt a tizenöt aminosavból álló peptidet, amely betanítatlan állatokba beoltva azokban kiváltja a sötétség elkerülési „ingerét”. Innen a neve is: szkotofobin – a görög szkotosz=sötétség és fobosz=félelem, iszony kifejezésekből. Szerkezeti azonosságát a szerves kémia végső bizonyítékával igazolták: sikerült szintetikusan előállítani és a mesterséges termékkel ugyanazokat a hatásokat kiváltani, mint a betanított állatok agyából kivont anyaggal.
Az emlékátviteli kísérletekről lévén szó, érdekességként még megemlítjük, hogy az „átültetett” molekulák fajlagosak a tanulási feladatra. Továbbá, ha ugyanabba az állategyedbe két különböző és ellentétes feladat megoldására betanított két állatcsoport agyából kivont készítményt oltanak be, a kísérleti állat teljesen tájékozatlanná válik, s valóságos feladatmegoldási „neurózis” lép fel, mintha azt kérdezné: „Most merre?”
A kétségektől a távlatokig
Az „engramm keresésében” töltött harminc évi – különben ragyogó – munkásságát mérlegelve 1950-ben Karl Lashley ezeket írta: „Néha, miközben az emléknyom helyhez kötöttségére vonatkozó bizonyítékokat áttekintem, úgy érzem, az elkerülhetetlen következtetés az, hogy a tanulás éppenséggel lehetetlen.” Valóban, a tanulás és emlékezés kérdése még ma sem kevésbé bonyolult, mint eddig. Úgy tűnik, a molekuláris megközelítés több kérdést vetett fel, mint amennyit sikerült megoldania. De talán ezúttal hozzásegített ahhoz, amit Szent-Györgyi és Selye is annyira fontosnak talál a tudományos kutatásban: a helyes kérdésfelvetéshez.
Kétségtelen, hogy az ember szellemi és lelki jelenségei magasabb rendű és komplex folyamatok, amelyek talán soha sem tisztázódnak végérvényesen, és csak molekuláris alapon. De a fentiek és a Nobel-díjas vegyész Paulingéhoz hasonló „ortomolekuláris pszichiátria” – még ha egyszerűsítő is – kétségtelen heurisztikummal bírnak.
A „fehérje kontra RNS”-vita kiútja minden bizonnyal a szélsőségektől mentes, differenciált megítélés. Mindkét oldalon értek el kiváló eredményeket. S a lényeg nem is maga a vita, hanem az ember szolgálata. Pillanatnyilag a mérleg mintha egy kicsit a fehérjék javára billenne. (De ami a konkrét hasznot illeti, az RNS egy lépéssel előbb van: D. E. Cameron és Sólyom L. élesztőkből kivont RNS-injekciókkal máris sikeresen kezelt emlékezési hiányosságokat preszenilis, érelmeszesedéses és szenilis agyszindrómákban szenvedő egyéneknél. A legkedvezőbb kezelés – sorrendben – az érelmeszesedéses és a preszenilis eseteknél folyt, ha a memóriazavarok nem voltak túl előrehaladottak. Emellett a páciensek feljavult „riadókészséget”, érdeklődést, kezdeményező és megbízhatósági készséget mutattak. Ezeket az eredményeket sikeresen ismételte meg a londoni Max Odens, aki 62 és 96 év közötti betegeket kezelt.)
Véleményünk szerint – a fehérje–nukleinsav kölcsönhatás természetének tanulmányozása alapján – az „arany középutat” az eredeti Katz–Halstead-féle 1950-es hipotézis bizonyítása jelenti majd: az információ nukleoprotein (tehát RNS vagy DNS és protein asszociáció) makromolekulákban van kódolva (ezt az Ungar és Fjerdingstad, valamint Ádám és Faiszt által elért eredmények részben máris alátámasztják). Ez a módozat biztosítaná az úgynevezett hosszú lejáratú emléknyom érvényét.
A távlatok megítélésénél mindenek előtt azt kell szem előtt tartanunk, hogy agyunk mindinkább igénybe vett, az elsajátítandó ismeretek s az azokat rögzítő eszközök mérhetetlen elszaporodása (az ember véges felfogó és feldolgozó képességével szemben) az „információs kollapszus” stresszébe kergethet, így az emléktárolás és emlékátültetés makromolekuláris mechanizmusa – még ha annyira bizonytalannak tűnik is pillanatnyilag – rendkívül időszerű lehetne.
Végezetül említsük meg Peter Fong nevét (aki fizikaprofesszor az atlantai Emory Egyetemen és szerzője egy kevéssé méltatott, de kétségtelenül érdekes hipotézisnek, mely szerint az RNS ferroelektromos „felvevő szalagként” hat, amelyre az idegimpulzusok rögzítődnek, és a „visszajátszáskor” a megfelelő sorrendben reprodukálódnak) – véleménye a neuro- és pszichobiológia távlatát vetíti elénk: „Az ilyen kutatások egy napon elvezethetnek a logika és az ismeretelmélet molekuláris megalapozásához.”
Megjelent A Hét V. évfolyama 37. számában, 1974. szeptember 13-án.
