Molekulától az agykutatásig I. rész A Pázmány Péter Katolikus Egyetem (PPKE) Információs Technológiai Karán 2008. szeptemberében új szak indul "Molekuláris Bionika" néven, Anglia után Európában másodikként. A Molekuláris Bionika szakot támogatja a Semmelweis Orvostudományi Egyetem és a Richter Gyógyszergyár. Érettségi után az alapképzés 7 féléves (molekuláris bionikus Bsc oklevél), erre épül a választható 2 éves infobionikus mérnöki és az orvos biotechnológusi mesterszak. Első év után az oktatás nyelve az angol. Az egyetemnek széles körű nemzetközi kapcsolata van egyetemekkel és kutatóintézetekkel, a legjobb hallgatóknak lehetőségük lesz egy szemesztert eltölteni a szakirányának megfelelő egyetemen. Csúcstechnológiákat oktatnak, a témák igen változatosak, így minden hallgató megtalálhatja az érdeklődésének megfelelő területet. A számítástechnikai, molekuláris és neuro-biológiai, valamint elektronikai megalapozás után a differenciált szaktárgyak felvétele és a diplomaterv készítése is egyéni választás útján történik. A hallgatók ismereteket szereznek az infobionika, érzékelő számítógépek, öntanuló robotok, távjelenlét, mikro- és nanotechnológia, bioinformatika, neuromorf információs technológia, orvosi képdiagnosztika és humán nyelvtechnológia terén. A Molekuláris bionika szakot négy alkalommal, szombat délelőttönként két másfélórás előadáson ismertették, az egyik előadás műszaki jellegű volt, a másik orvosi ill. biológiai. Az előadások után bemutatták az egyetem laboratóriumait, ahol sokoldalú kísérleti munkára, kutatásra van lehetőség. Ezek közül megemlítek néhányat: - a biológia területéről; látás, hallás, tapintás, mozgatás, figyelem, memória stb. - nanotechnológia; molekuláris dinamika, érzékelés és biointerfészek, biológiai képalkotó eszközök, laboratórium egy chipen és gyógyszeradagoló eszközök, - érzékelő robot és navigáció, - humán nyelvtechnológiák és mesterséges értés, - celluláris hullámszámítógépek alapjai. Molekuláris technológiák forradalma Előadó: Csurgai Árpád villamosmérnök, az MTA rendes tagja, a BME Villamosmérnöki Karának és a PPKE Informatika szakának professzora, szakterülete az információtechnika fizikai alapjai és a nanotechnológia. A 20. század második felében intenzív kutatások folytak az integrált áramkörök miniatürizálására, a tranzisztorok méretének csökkentésére, azzal a céllal, hogy az integrált áramkörök képesek legyenek minél több és bonyolultabb funkciók elvégzésére, ugyanakkor jelentősen csökkenjen az energiafogyasztásuk is. Erre az a felismerés adott lehetőséget, hogy egy integrált áramkör annál jobb, üzembiztosabb, gyorsabb és annál olcsóbb, minél kisebb a tranzisztorok mérete. 1980-ban a tranzisztor mérete 2 mikrométer (a méter 2 milliomod része) volt, így egy integrált áramköri lapkára -chip- (1-2 négyzetcentiméter) 200 ezer tranzisztor fért el. A mai tranzisztorok mérete 65- 45 nanométer (1 nanométer a milliméter milliomod része, hogy jobban elképzeljük az elképzelhetetlent, vegyük a Föld átmérőjét 1 centiméternek, ekkor a futball labda átmérője 1 nanométernek felel meg, egy vörös vérsejt 1000 nanométer, 10 hidrogén atom egymás mellett 1 nanométer). Ma már egy chipre közel 1 milliárd tranzisztort tudnak elhelyezni. A nanométerek világában a jelenségek már nem érthetők meg a klasszikus fizika alapján, ehhez a kvantummechanika ismerete szükséges. Az anyag minden mozgását, gyenge elektromágneses jelenség kíséri. Az atomok és molekulák között kizárólag az elektromágneses erők hatnak, a magerők csak az atommagon belül működnek, a gravitációs erők, pedig 39 nagyságrenddel kisebbek az elektromágneses erőknél.
A nanotechnológiát a 21. század ígéretes technológiájának tartjuk, pedig ez nem új dolog, valójában ez a természetben az élet keletkezése óta létezik, csak a nanotechnológia fogalom új. Az élő szervezetek atomokból, molekulákból fokozatosan épülnek fel, meleg és fényenergia felhasználásával. Így dolgoznak a kőművesek is, a házakat építőelemekből, téglákból építik fel. A szobrász meglátja a márványban az angyalt és lefaragja róla, ami felesleges, az iparban így készülnek az eszközeink, gépeink, gondoljunk az esztergálásra, gyalulásra stb. Ma még az ipari termelést nyílt ciklusok jellemzik, előállítjuk a hasznos termékeket és vele együtt rengeteg szemetet. A természetben - különösen az élőben - zárt ciklusokban zajlanak a folyamatok, tehát minden újra hasznosul, gondoljunk az iskolában tanult különböző körforgásokra. A nanotechnológia tehát olyan tervezési és építkezési elvek és módszerek összessége, amelyekre az atomi, molekuláris szinten történő építkezés a jellemző, ez jelentősen eltér a szokványos ipari technológiáktól. A nanotechnológiában célkitűzés az, hogy az előre megtervezett és ellenőrzött körülmények között az élőtermészettől eltanult módszerekkel építsük fel eszközeinket. A nanotechnológiával számos új tudomány és technológia jött létre. Mostanában az érzékelők (szenzorok) forradalmát tapasztaljuk, ezek is annál jobbak minél kisebbek, minél kevesebb energiát fogyasztanak, és olcsón lehet őket előállítani. Nyomás-, tapintás-, gyorsulás-, fényérzékelők, különböző kémiai és biokémiai érzékelők alkalmasak fehérjék, gének, mérgező anyagok vizsgálatára. A mikro- és nanoérzékelők forgalma ma már dollár milliárdokban mérhető. Infobionika a központi idegrendszer kutatásában Előadó: Karmos György ideggyógyász, PPKE professzora, MTA Pszichológiai Kutatóintézet. Az agyi bioelektromos tevékenység vizsgálata az idegrendszeri betegségek diagnosztikájában rendkívül fontos. Elsősorban a hagyományos elektroenkefalográfia (EEG) a neurológiai diagnosztikában régóta alapvető jelentőségű. Segítségével vizsgálhatjuk az agyból kisugárzott elektromos hullámokat, a fejre helyezett elektródákon mért feszültség nagysága 1-50 mikro Volt. Az agyhullámok alakja egészséges embernél is különböző éber, nyugodt, felületes és mély alvásban. Természetesen más lesz az agyhullámok alakja beteg agy esetén. Az agyi elektromos jelek számítógépes módszerekkel történő elemző eljárásai új lehetőségeket nyitottak meg az agyi bioelektromos vizsgálatok terén. Az agyi bioelektromos tevékenység sokdimenziós elemzését a neurológia mellett a pszichiátriában is alkalmazzák. A matematika, informatika módszereinek felhasználása lehetővé tette, hogy az agy hullámainak megjelenítésén kívül az orvos számára pontos analízist készítsen a számítógép. Az agy vizsgálatában igen jelentős szerepe van a mágneses magrezonancia (MRI) képalkotó eljárásnak. Az MRI kiválóan alkalmas az agy, gerincvelő, a lágyrészek és az ízületek vizsgálatára. A beteg a vizsgálat során erős mágneses térbe kerül, ennek nincs káros hatása az emberi szervezetre, de veszélyt jelent, ha műtéttel fémet operáltak a testébe, vagy pacemmakert visel a beteg. Az MRI diagnosztikai berendezéssel jól lehet követni az agy aktívan működő területeit. Parkinson-kórban szenvedő betegeknél a mozgásszabályozás zavara jól ismert területekhez köthető, a vizsgálatokat EEG-vel és MRI-vel lehet elvégezni. Ezek segítségével eldönthető, hogy gyógyszeres kezelésre vagy sebészeti beavatkozásra van szükség. Parkinson-kórban szenvedő betegeknél az agyba épített tűs elektródán keresztül megfelelő elektromos jelekkel
lehet a remegést csökkenteni, a mozgás koordinációt helyreállítani. Magyarországon 18-20 ezer Parkinson-kóros beteg van. Epilepsziás betegnél az agyba épített elektródán keresztül a roham megszüntethető, de még nagy probléma a roham előre jelzése. A Parkinson-kóros remegés és az epilepsziás roham megszüntetésének lényege az, hogy az agy jeleit jelfeldolgozó egységbe vezetik, ezután a jelfeldolgozó olyan parancsjeleket küld vissza az agyba, ami a zavarokat elhárítja. Ilyen elven lehet amputált végtagok helyére rögzített végtagokat működtetni. Rövid filmen bemutattak egy fiatal nőt, aki balestben elvesztette a balkarját, amit bionikus protézissel helyettesítettek. Egyszerű konyhai munkát végzett, mosogatott, a protézissel megfogott könnyebb tárgyakat, a protézisben tapintó érzékelő is volt, hogy a tárgyakat megfelelő nagyságú erővel tudja megfogni, hogy a tojást erősebb fogással ne törje össze. Saufert János
Molekulától az agykutatásig II. rész Molekuláris bionika szak indul a Pázmány Péter Katolikus Egyetem (PPKE) Információs Technológiai Karán 2008 szeptemberében. A szak ismertetésére négy műszaki és négy biológia témájú előadás hangzott el. Új típusú számítógépek Előadó: Roska Tamás villamosmérnök, a PPKE professzora, az MTA rendes tagja, Széchenyi- és Bolyai-díjas. A Neumann elven működő számítógép - így működik a személyi számítógépünk - rendkívüli teljesítményre képes, ha számítási műveleteket végez, vagy logikai műveletek millióit végzi, netán adatok milliárdjaiból kell valamilyen szempontok alapján adatokat kigyűjteni. Ugyanakkor az állatok legegyszerűbb érzékelő és térbeli utánzására alig képes, természetesen a megfelelő érzékelővel és végrehajtó eszközzel kiegészítve a számítógépet - A számítógépek gyors fejlődése a 70-es években feltalált mikroprocesszorokra épült, és az olcsó személyi számítógépekkel (PC Personal Computer) indult el a 80-as években. Az elektronika, az információs technológia és a félvezetőeszközök fejlettsége lehetővé teszi, hogy a biológia kihívásaira próbáljon választ adni. Informatikusok, elektronikusok és biológusok együttműködésével egy új kutatási terület alakult ki, ettől reméljük, hogy rövidesen számos új termék és szolgáltatás jön majd létre. Ez az új kutatási terület a bionika, ami a biológia és az elektronika szó részek összetételéből származik. Egy évtizede az érzékelők forradalmának vagyunk tanúi, a látás, hallás, tapintás érzékelése csak a kezdet, ezeket a szaglás, ízlelés utánzása, a gyenge elektromos terek és a molekuláris érzékelés számos formája követi. Érzékelő számítógépek: A Neumann elven működő számítógépeinket hiába látjuk el érzékelőkkel, végrehajtó szervekkel (pl. lábakkal), akkor sem lesz hatékony és ügyes, nem tudja megkülönböztetni a szamarat a lótól, a járása sem lesz kecses. Mi lehet ennek a titka? Az élőlényeknél az érzékelés és az utána következő kiértékelés, majd a végrehajtás szinte összeolvad. A másik alapvető különbség, hogy az érzékelő elemekből nagyon sok van, a harmadik lényeges dolog, a gyakorlás és a helyzethez való alkalmazkodás. Fontos még az is, hogy sokszor egyszerre több érzékszervre és ezek összehangolt működésére van szükség. Az össze-visszaugráló zsákmány elfogásánál az érzékeléssel egyidejűleg számítást, becslést is el kell végezni. Az élőlények viselkedésének utánzásához szükséges, hogy a számítógép a számítási és logikai döntési képessége mellett képes legyen az ideg- és izomrendszer mintája
alapján is működni. Az élőlények tulajdonságait jelenleg az érzékelő számítógépekkel tudjuk legjobban modellezni. Az asztali számítógépünkben csak egy processzor van, nagyon sok és bonyolult számításokhoz például a meteorológiai, atomfizikai problémák megoldásához sokprocesszoros számítógépeket használnak, vagy sok számítógép működik együtt ugyanazon a bonyolult feladaton. Az új típusú számítógép neve: analogikai celluláris számítógép, ennek processzora össze van építve egy vagy több érzékelőjével, és egy chipen több száz vagy több ezer ilyen összeépített elem van, ezek egy négyzetháló csúcsain helyezkednek el, és mindegyik elem kapcsolatban áll a szomszédjával. Az érzékelőktől folytonos (analóg) jelek és nem digitálisan kódolt számok, hanem képfolyamok, hanghullámok, tapintással érzékelt nyomáshullámok stb. folyama halad át a processzorokon. Ezek a processzorok természetesen jóval kisebbek és egyszerűbbek, mint a személyi számítógépünk processzora. A személyi számítógépek processzora általános célú, ezek pedig speciális célra készülnek, ezért nagyon egyszerűek is lehetnek, de így sokan együtt, adott feladatra sokkal hatékonyabbak, mint az univerzális processzorok. Vegyük példának a BI-i kamerát, ami a 2003-as stuttgarti kiállításon "Az év terméke" díjat kapta, a kamera magyar termék (SZTAKI és Analogic Kft). A készülékben minden egyes képelemhez (pixel) tartozik egy cella (processzor a fényérzékelőjével és saját kis memóriával). A BI-i kamera lényegében nagyon nagy sebességű képfelvevő és képfeldolgozó analogikai celluláris hullámszámítógép, melynek sebessége 25000 képfelvétel másodpercenként és közben még valamit állít is róluk. Hasonló elven működik a retinaprotézis. Régi elképzelés, hogy bénult végtagokat tudjanak a szerencsétlenül járt emberek mozgatni, ehhez az kell, hogy az izommozgató idegvégződéseket megfelelő elektromos jellel ingereljék, erre már vannak sikeres példák. A cikk első részében említésre került egy fiatal nő, aki balesetben elvesztette az egyik felsőkarját, és ezt egy bionikus protézissel pótolták, az agy mozgató kérgéből viszik az elektromos jeleket vezeték nélkül a protézisbe, hosszabb tanulás után a műkar alkalmassá vált tárgyak megfogására, könnyebbek áthelyezésére. Az agy és az idegrendszer Előadó: Hámori József agykutató biológus, az MTA rendes tagja, PPKE professzora, a Fidesz kormányzása idején a Nemzeti Kulturális Örökség minisztere volt. A számítógépeink fix alkotórészekből épülnek fel, ezzel szemben az idegrendszerünk elemei állandóan tudnak változni, a rugalmasság és az alkalmazkodó képesség jellemzi. Általánosan elfogadott vélemény, hogy az emberi agy az Univerzum legbonyolultabb rendszere. Agyunk több mint 100 milliárd idegsejtből álló összetett hálózat, amely meghatározza gondolkodásunkat, viselkedésünket. Az agyunktól függ, hogy mik vagyunk, és mivé válunk. Az ember agya 1300-1400 gr, a csimpánzé 400 gr. Az emberszabású főemlősök agyában az emberéhez nagyon hasonló idegi szerkezeteket, agykérgi régiókat, központokat találunk. A csimpánz és az ember genetikai állománya csak 2 százalékban különbözik egymástól, hogyan magyarázható az ember agyának különleges képessége? A lényegi különbség nem az agy tömege miatt van, hanem az agy rugalmasságában, alkalmazkodó képességében. Az ember agya rendkívül rugalmas, életünk során folyamatosan változik az élményeink, tapasztalataink és tanulásunk függvényében. Agyunk fejlődését az anyaméhben leginkább az örökölt genetikai állomány határozza meg, az idegsejtek hálózattá történő összekapcsolódása genetikai terv szerint történik, de az ember agya még a születés után is hosszan fejlődik, és a kritikus időszakban kivételesen nyitott a környezeti hatásokra. Az újszülött agya szivacsként
szívja magába környezetéből az élményeket, új kapcsolatok jönnek létre az idegsejtek között. Serdülőkorban is gyorsan szaporodnak az idegsejtek közötti kapcsolatok. Öregkorban is létrejönnek az idegsejtek között új kapcsolatok, ahogy újabb tapasztalattal, tudásanyaggal gazdagodunk. Idősebb korban viszont hosszabb időbe telik az új ismeretek megtanulása, de ha a régebbi ismeretekhez hozzá tudjuk kapcsolni az újakat, akkor annak rögzítése könnyebbé válik. Sokáig úgy gondolták, hogy az elpusztult idegsejtek helyett már új idegsejtek nem születnek, az idegsejtek egész életre elvesztik szaporodóképességüket. Újabban tudjuk, hogy ez csak részben igaz. Tény, hogy a differenciálódott idegsejtek nem képesek osztódásra, szaporodásra, de az agykamrák falában lévő őssejtekből az egész életünk során képződnek új idegsejtek. Sok laboratóriumban foglalkoznak olyan eljárások kidolgozásával, amelyek szükség esetén a kamrafali őssejtekből vagy a test más részében (pl. a csontvelőben) található sejtekből tennék lehetővé az elhalt idegsejtek pótlását az idősebbek sérült agyában. Az agy rendellenességei nagyobb gyakorisággal okoznak rokkantságot, mint bármelyik szervünk betegsége. Az agyi betegségek korai diagnosztizálása, megelőzése és gyógyítása az agy kutatás elsődleges célja. Fontos, hogy az agy működését a molekulák, sejtek és az idegrendszer szintjén is jobban megismerjük. Az élő agy működésének vizsgálatára kiválóan alkalmas a mágneses magrezonancia (MRI) képalkotó berendezés, amivel az agy szerkezetét és aktivitásának mintázatát nyomon követhetjük. A berendezés óriási jelentősége még, hogy az agyat káros ionizáló sugárzás használata nélkül lehet vele vizsgálni. Az emberi agy csodálatos képessége, hogy a szem által felfogott hatalmas mennyiségű információból, mely az elemi jelek millióit tartalmazza, folyamatosan ki tudja választani a pillanatnyilag szükséges, lényeges részleteket. Nincs olyan Neumann elven működő számítógép, mely képes lenne hasonló teljesítményre, ilyen célra remélhetőleg az analogikai celluláris számítógépek válnak alkalmassá. A látás lényege az, hogy a párhuzamos csatornákon (forma, szín, mozgásirány, sebesség stb.) érkező információk feldolgozása egyidejűleg történik. Csak a lényeges, adott pillanatban szükséges információ tudatosul. Ennek egyik módja az, hogy a látott képet nem mozaikkockákként elemzi, hanem képfolyamonként. A legújabb, igen izgalmas kutatások közül kiemelem, hogy miként lehetne a "tervező" és "kivitelező" agykérgi területek elektromos jelek mintázatát elvezetve robotot vezérelni. E kísérletek előrehaladott stádiumban vannak, majomkísérletekben már bizonyos sikerekről is beszámoltak, de emberi alkalmazásához még több technikai problémát meg kell oldani. Saufert János
Molekulától az agykutatásig III. rész Molekuláris bionika szak indul a Pázmány Péter Katolikus Egyetem (PPKE) Információs Technológiai Karán 2008 szeptemberében. A szak ismertetésére négy műszaki és négy biológia témájú előadás hangzott el.
Új utak az informatikában Előadó: Prószéky Gábor programtervező matematikus, számítógépes nyelvész, a MorphoLogic Kft ügyvezető igazgatója és a Pázmány Péter Katolikus Egyetem Információs Technológiai Karának tanára. Ma már egyre többet foglalkoznak a természet motiválta informatikával, a mesterséges elektronikus eszközök és az élőrendszerek kapcsolatával. Előtérbe kerülnek az idegtudományok, a látás, hallás és egyéb érzékelések, a mesterséges érzőszervek. Az előadás magját a matematikai nyelvészet és a modern számítógép orientált nyelvleírás képezte. A matematikai nyelvészet nem más, mint a nyelv tanulmányozása a matematika eszközeivel. Kezdetben a matematikai statisztikát és a valószínűség számítást alkalmazták, mivel a természetes nyelvek empirikus adatok tömegével telítettek. A nyelvészet és a számítástudomány kapcsolata sem új, az ötvenes években kezdődött, amikor amerikai kutatók a gépi fordítás lehetőségét felvetették. Az elképzelés azon alapult, hogy a számítógép mindenféle jelrendszer elemzésére képes, így a természetes nyelvek elemzésére is. A nyelvtan szabályait a matematika szabályaihoz igazodva kell megadni, és a nyelv szavainak tulajdonságait megfelelő kódokkal ellátni. Az európai integráció és a globalizáció miatt nő az igény arra, hogy a nagy mennyiségű fordítást számítógépes fordítóprogramokkal gyorsítsuk. Jelentős különbségek vannak a digitális szótárak, egyszerű szótárazó programok és a magas színvonalú fordító programok között. A jó fordítóprogramok tárolják a humán fordítók által létrehozott változatokat, és az éppen fordítandó szöveghez keresik a legjobban hasonlót. A globalizáció jelentős mozgatója az internet, és az itt található hatalmas dokumentumháló, a WEB. Az információrobbanást legjobban a weben levő dokumentumok mennyiségének gyors növekedése mutatja. Az internet-hozzáféréssel rendelkezők szinte minden információt először a weben keresnek. Természetesen itt nem csak értékes információkat találhatunk, sajnos igen nagy mennyiségben értékteleneket is. Lassan eljutunk oda, hogy az emberiség felhalmozott tudásának jelentős részét megtaláljuk az interneten. Az interneten található dokumentumok fejlődése (szaporodása) teljesen strukturálatlan és mentesek minden központi ellenőrzéstől, az információk elhelyezkedése teljesen véletlenszerű, ezért különösen fontos a keresés szerepe. A hálózatban vannak olyan gépek, amelyek megpróbálják rendszerbe foglalni a rendszertelenséget, végigolvassák a hálózat dokumentumait, és ezekből adatbázist építenek fel, amiben kereshetjük a számunkra érdekes témát. A hálózatban található dokumentumok száma (több milliárd) miatt, amelyek a számítógépek millióin vannak szétszórva, így egyre nehezebb feladat a gépek számára a dokumentumok elolvasása, rendszerezése. Az adatbázisból kivonat (index) készül, amely egyetlen nagy számítógéprendszerben található. A hálózatban levő információ nagy része szöveges dokumentum formájában szerepel. A számítógépnek arra képesek, hogy rövid betűsorozatokat megkeresnek rövid idő alatt hosszú szövegekben. Ez a művelet nélkülöz minden intelligenciát: a keresett szövegnek csak azokat az előfordulásait találja meg, amelyek pontosan megegyeznek a keresendő betűsorozattal (ha a kutya szóra keresünk, nem foglalkozik az eb szóval). Ez komoly hátrány, mert a keresést végző embert nem a betűsorozat helyessége, hanem a betűsorozat által képviselt tartalom megtalálása érdekli. A számítógépes nyelvészet szerényebb és jobban körülhatárolt kérdésekkel is foglalkozik: helyesírás ellenőrzés, szövegkivonatolás stb. Újabban kezd elterjedni a neuroinformatika, ez szűkebb értelemben az idegrendszeri adatokat tároló adatbázist jelenti, tágabb értelemben az idegrendszeri modelleket is. A jelenlegi számítástechnikai berendezéseink nem olyan rugalmasak, mint a biológiai
információfeldolgozási rendszerek (az idegrendszer és az agy). A matematikai és informatikai módszerek az agy és idegrendszer kutatásának hatékony részévé váltak, segítségével jobban megértjük az agy és az idegrendszer működését. Az idegtudományi kutatások eredményeitől azt is reméljük, hogy új típusú számítógép-architektúrákhoz vezetnek. Idegi működés hormonális szabályozása Előadó: Liposits Zsolt, orvos, neurobiológus, egyetemi tanár, az orvostudomány doktora, a Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet igazgatója, Simonyi Károly díjas. Az élőlények működését a szervezetüket felépítő szervek és szervrendszerek, összehangolt együttműködése határozza meg, ehhez a folytonos kapcsolat és kölcsönös szabályozás kell, ami csak fejlett információcserével lehetséges. Függetlenül a szervezeten belüli elhelyezkedésétől, méretétől és betöltött szerepkörétől, az elemi egységnek is szabályoznia kell önmagát. A sejtek hírvivő jeleket bocsátanak ki és jeleket fogadnak, azokat értelmezik és hasznosítják. A környezetből és a szervezetből eredő jelek feldolgozásában fontos szerepet játszik az idegrendszer. A jelek vétele után információ feldolgozás majd parancs jelek előállítása és továbbküldése következik az irányítandó szervhez. Az élőlényekben az információhordozók szerint három szabályozási módot különböztetünk meg: a genetikait, a hormonálist és az idegrendszerit. A genetikai (örökölt) információs folyamatokat a DNS-ben tárolt információk irányítják. A hormonális szabályozás, különböző vegyi anyagokkal (hormonok) történik, az idegrendszer felügyelete alatt, ez a szabályozás visszahat az idegrendszerre is. Az idegrendszeri szabályozást elektromos jelek végzik. Az idegi szabályozás gyors, csak egy-egy szervre hat, a hormonális lassú, de több szervet is szabályozhat. Hormonális szabályozás alapelvei: A hormonok belső elválasztású mirigyekben, sejtekben, szövetekben termelődnek és a véráram útján jutnak a célszervekhez. A hormonok előállítását részben a belső környezet egy-egy tényezője (folyadékháztartás, vércukorszint, testhőmérséklet stb.), részben az idegrendszer irányítja. Régebben csak azokat a kémiai anyagokat tekintették hormonnak, amelyeket belső elválasztású mirigyek termelnek, és amelyek a vérárammal jutnak el a célsejtekig. Újabban felismerték, hogy gyakorlatilag minden sejt képes előállítani olyan molekulákat, amelyekkel befolyásolni képes más sejtek (közelebbi és távolabbi) működését. Az idegsejtek csatlakozási pontjain (szinapszis) ható ingerületátvivő anyag is hormon. Érdekes, hogy jóval több hormonhatás ismert, mint ahány hormon van. Ennek oka az, hogy egy adott hormon hatására bekövetkező válasz nem csak a hormontól függ, hanem az őt befogadó receptortól. Mondhatjuk, hogy a hormon jelhordozó molekula, amely információt tartalmaz az őt termelő sejt állapotáról, és amely képes befolyásolni más sejtek működését. A jelhordozó molekulák befogadására (megkötésére) specializálódott fehérjék a receptorok. A hormon a vérrel eljut minden szervhez, de csak a célszerveken hat, ahol a hormon fogadására alkalmas receptorok vannak a sejteken. Az idegrendszer és belső elválasztású mirigyek rendszere alkotja a neuroendokrin rendszert. A hormon receptorok telíthetők, ezért egy bizonyos mennyiségű hormon megkötése után már nem tudnak többet megkötni, e határ fölött nem fokozódik a hatás. Példaként a vércukorszint szabályozása: az inzulin hormon csökkenti, a glukagon hormon növeli a vércukorszintet. A hormonális szabályozás az idegi szabályozáshoz képest lassú, mert a hormonnak a vérrel kell eljutni a célszervekhez. A legfontosabb belső elválasztású mirigy: az agyalapi mirigy, amely a többi belső elválasztású mirigy működését is szabályozza. Az agyalapi mirigy babszem nagyságú, a
koponya ékcsontjának üregében helyezkedik el. Szoros kapcsolatban áll a felette lévő agyterülettel, a hypotahalamusszal. Itt kapcsolódik össze legszorosabban az idegrendszer és a hormonális rendszer működése. További fontos hormont termelő belső elválasztású mirigyek: pajzsmirigy, mellékpajzsmirigy, mellékvese, hasnyálmirigy, ivarmirigyek. E mirigyek különböző hormonokat termelnek, melyek különböző szabályozási célokra szolgálnak. Néhány szót az agyról, agyunkban durván 100 milliárd idegsejt van, ezek mindegyike idegsejtek ezreivel létesít kapcsolatot, így nagyon sokinformációs jel áramolhat egyidejűleg több irányban. Egy adott pillanatban rengeteg idegsejt aktív, ezek alkotják az "aktivitási mintát", amit ma már megfelelő berendezéssel láthatóvá tehetünk. Saufert János
Molekulától az agykutatásig IV. rész Molekuláris bionika szak indul a Pázmány Péter Katolikus Egyetem (PPKE) Információs Technológiai Karán 2008. szeptemberében. A szak ismertetésére négy műszaki és négy biológia témájú előadás hangzott el.
Anyagtudomány Integrált mikro- és nanorendszerek Előadó: Gyulai József, képesítése fizika-matematika tanár, az MTA rendes tagja, Széchenyidíjas, az MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézetének volt igazgatója. Az alaptudományok (fizika, kémia, biológia) és a technológiák rohamos fejlődése tette lehetővé az összetett anyagtudomány kialakulását. Az anyagtudomány létrejöttét a hadiipar, az elektronika és az űrtechnika által támasztott szigorú követelmények kényszeríttették ki, különleges anyagok előállítására elsősorban Amerikában. A nanotudományt, a nanotechnológiát a számítógépek készítéséhez szükséges digitális integrált áramkörök miniatürizálásának határai indították útjára. Hamarosan kiderült, hogy az új utak keresésében sok természettudomány összefogása szükséges, a számítástudománytól kezdve a fizikán, kémián át az élettudományokig. A nanotudomány a néhány száz atomi méretű mesterséges szerkezetek tulajdonságait és gyártási módját kutatja (a nano görög szó, ami törpét jelent, a nanométer a méter milliárdod részét jelenti). Így természetes, hogy az anyagtudomány és a nanotudomány módszerei részben a fizikában, a kémiában, a biológiában és a mikroelektronikai eszközök technológiájában használt eljárásokból fejlődtek ki. E tudományok fokozatosan önálló, egységes tudománnyá válnak módszereikben és a kutatók gondolkodásmódjában is. A kutatók olyan megoldásokat keresnek, melyek segítségével tudatosan tervezhetők és gyárthatók az emberiség számára hasznos nano méretű eszközök. A tömeges gyártás kulcsa az önszerveződés, amit tapasztalunk a kristályok növekedésekor, de főleg a kolloidkémiában, és igen fejlett formában az élőlényeknél. Az élet már pár milliárd éve az önszerveződés alapján fejlődik, a kutatók igyekeznek ezt a bonyolult önszerveződési folyamatot ellesni a természettől és új eszközök kifejlesztésével hasznosítani számunkra.
A természet nem úgy dolgozik, mint a szobrász vagy az esztergályos. A növények a földből atomokat, molekulákat szívnak föl, a légkörből szén-dioxidot gyűjtenek, és napenergia felhasználásával cukrot, fehérjéket stb. "szerelnek" össze. Ez a tevékenység inkább a kőműves munkájához hasonlítható, aki a házat téglákból (a ház „atomjai”) építi fel. Ennek mintájára a nanotechnológia kutatói igyekeznek az ember számára szükséges termékeket atomokból, molekulákból összeszerelni. A miniatürizálás a Föld lakhatóságának szempontjából is fontossá vált, nyolc-, tízmilliárd ember léte csak rendkívül szervezett formában lehetséges. Energiaigényünk többszörösét pazaroljuk el, az emberiség fő problémája a 21. században az energiagazdálkodás és a természeti környezet fenntartása. Cél a zárt ciklusú termelésfogyasztás (gondoljunk vissza az iskolában tanult körforgásokra) megteremtése minimális anyag- és energiaráfordítással. Növelni kell a napenergia és a megújuló energiafajták felhasználását, amennyire lehet, és a többit atomerőművekben, illetve majd magfúziós úton kell előállítani. Az üvegház hatású gázok kibocsátását jelentősen csökkenteni kell, a globális felmelegedés megakadályozásához. A fejlődés motorja jelenleg a mikroelektronika és az informatika, ennek miniatürizációja húzza maga után a többi iparágat. A miniatürizálás teszi lehetővé a kis fogyasztást és azt, hogy egy eszközbe minél több intelligenciát zsúfoljunk. Fontos még a megbízhatóság, ami szerencsére nem ellentétes a kis mérettel. Ma az érzékelők (látás, hallás, tapintás stb.) és a beavatkozó eszközök forradalma zajlik, ezeket gyakran egybe építik a speciális célú processzorral. Az előadó véleménye szerint: a 21. század biológiája jobban fog hasonlítani a 20. század fizikájára, kémiájára, mérnöki tudományokra, mint a 20. század biológiájára. A technológiaváltás éppen csak elkezdődött. Gondoljunk az első autóra, ami inkább hintó volt, mint autó. Később az autógyártás megszüntette a hintók készítését, de az autó nemcsak egy új termék lett, hanem új termelési mód és gondolkodásmód is.
Gyógyszerek fejlesztése Előadó: Mátyus Péter, a Semmelweis Egyetem és a PPKE tanára, a Szerves Vegytani Intézet vezetője. Mátyus Péter különösen fontosnak tartja az oktatásban a molekuláris szemlélet kialakítását. Alapvetően kétféle gyógyszerfejlesztés van: 1. Az innovatív, más néven eredeti vagy originális gyógyszerfejlesztés. Ez alatt olyan új hatóanyagot tartalmazó és új gyógyítási lehetőséget nyújtó gyógyszer kifejlesztést értünk, mely több évtizedes kutatói munkával, jelentős szellemi és anyagi ráfordítással jár. Az eredeti gyógyszer kifejlesztése gyakran több száz kutató, 10-15 éves munkájának eredménye, ami átlagosan 800 millió USA dollárba kerül. Az új gyógyszert, illetve annak hatóanyagát termékszabadalmi oltalom védi. 10 sikerrel kecsegtető vegyületből, átlagosan csak 3-ból lesz olyan gyógyszer, amelyik behozza a 800 millió USD kutatás-fejlesztési költséget. 2. A generikus gyógyszer, más néven másolt gyógyszer. Ez, azután gyártható, amikor az originális gyógyszer termékszabadalmi oltalma már lejárt. A generikus gyógyszerkészítmény hatóanyaga azonos az originális gyógyszerével. Ezek kifejlesztése az eredetinek csak töredékébe kerül, mert az originális gyógyszercég feltalálta az új hatóanyagot, kidolgozta a gyártási eljárást, elvégezte a szükséges állatkísérleteket és a klinikai vizsgálatokat. Ezeket a generikus gyógyszercégnek már nem kell megismételni, csak azt kell igazolnia, hogy a két gyógyszer biológiailag egyenértékű. Ez csak kevés számú betegen vagy egészséges önként jelentkezőn végzett vizsgálatokat igényel. A
termékszabadalmi oltalom csak a hatóanyagra vonatkozik, nálunk termék szabadalmi oltalom 1994 óta van érvényben. A gyógyszer törzskönyvezése hosszú folyamat, ennek végeredménye, hogy a törzskönyvező hatóság kiadja a forgalomba hozatali engedélyt. Az összes emberi felhasználásra kerülő gyógyszer törzskönyvezése az Országos Gyógyszerészeti Intézet (OGYI) feladata. Alapkutatás: Az alapkutatásban dolgozó biokémikusok és molekuláris vagy sejtbiológusok – a humán megbetegedések kórélettanának ismeretében – meghatározzák a kutatási célokat. A kutatás a normális és kóros szervi működések tanulmányozásával kezdődik, a betegségnek minden jellemzőjét – tüneteit, okait stb. – megvizsgálják. Természetesen támaszkodnak a korábbi kutatások eredményeire. A biokémikusok olyan vegyületeket keresnek, melyek pozitív hatással vannak a gyógyítani kívánt betegségre. A vegyületeket kémiai szintézissel, vagy biológiai szintézissel állítják elő, amelyek szerkezetét számítógépes szimulációval vizsgálják. Állatkísérleteket végeznek a vegyület mérgező és gyógyító hatására vonatkozóan. Klinikai kutatás: Az új gyógyszer klinikai vizsgálatában részt vevő betegek száma több ezer fő. A vizsgálatokban részt vevő betegeken végrehajtott orvosi beavatkozások – például vérvételek és különböző paraméterek vizsgálatának – száma száz fölött van. Az új gyógyszer gyártásának kémiai kihívása, hogy a gyártási eljárás környezetbarát és biztonságos legyen, lehetőleg ne keletkezzenek a reakció közben mérgező anyagok. Az alapanyagokból a gyógyszer minél kevesebb kémiai lépésből álló szintézissel álljon elő, a vegyület legyen stabil, és vízben könnyen oldódó legyen. Saufert János Forrás: www.muveszet-tudomany.hu
