VIII. Departamentul de Științe Biologice

Ce ne face oameni? Aventuri maghiare în cortexul cerebral al oamenilor și mamiferelor
Gábor Tamás, membru cu drepturi depline al Academiei Maghiare de Științe
8 septembrie 2020.
Sediul Academiei Maghiare de Științe, Sala Mare

Explorarea mecanismelor care stau la baza capacităților unice ale cortexului cerebral uman este una dintre cele mai mari provocări din neuroștiințe. În experimentele noastre, am descoperit o serie de mecanisme care diferențiază oamenii la nivel de rețea celulară și neuronală în preparatele din felii de creier și, comparativ cu modelele animale, tipurile de celule umane emergente ne pot îmbogăți cortexul cerebral. Ipotezăm că încorporarea de noi tipuri de celule neuronale umane în elementele conservate evolutiv ale rețelei neuronale, precum și proprietățile sinaptice și celulare specializate la om ale tipurilor neuronale care apar la alte specii, pot duce la transformarea funcțională semnificativă a creierului uman. cortex. Tipurile de neuroni umani descoperiți recent în funcția de rețea neuronală rapidă și precisă în timp și spațiu, cum ar fi celulele de măceșe reglate pe astfel de frecvențe, pot fi, de asemenea, implicate în extinderea mecanismelor clasice cunoscute de la alte specii. Pentru studii funcționale privind încorporarea de noi elemente în rețelele neuronale, am dezvoltat metode unice pentru a studia funcția cortexului cerebral cu rezoluție indisponibilă anterior, cu referire specială la undele ascuțite încorporate în fusurile de somn și sinteza corticală a insulinei observată de echipa noastră de cercetare.

Învățarea în rețea și mecanisme de luare a deciziilor
Péter Csermely, membru cu drepturi depline al Academiei Maghiare de Științe
11 februarie 2020.
Sediul Academiei Maghiare de Științe, Ballroom

Un rezumat al performanței, completat cu o galerie foto și un videoclip, este disponibil aici .

Cu păsările de țărm din întreaga lume: comportament, evoluție și conservare
Prezentare de Tamás Székely, membru extern al Academiei Maghiare de Științe
10 decembrie 2019.
Sediul Academiei Maghiare de Științe, sala de lectură

Înțelegerea evoluției sistemelor de reproducere (alegerea partenerului, relațiile și îngrijirea descendenților) este una dintre problemele fundamentale în ecologia comportamentală. În prezentarea catedrei mele, am rezumat rezultatele mai importante ale grupului meu de lucru. Ne-am concentrat cercetările asupra comportamentului reproductiv al păsărilor de țărm (crini, păsări de țărm și rudele lor), deoarece acest grup prezintă diverse sisteme de împerechere și tipuri de îngrijire a descendenților.

În primii câțiva ani de cercetare, am descoperit două modele interesante. Pe de o parte, am arătat că îngrijirea descendenței lui Székely lile Charadrius alexandrinus - care a fost o pasăre de țărm răspândită în Ungaria până în anii 1990 - a variat într-o anumită populație, deoarece în unele familii părintele femeie pleacă și în cealaltă masculul părintele părăsește familia. și își începe adesea o familie cu un nou cuplu. Pe de altă parte, am arătat, de asemenea, că răsadurile din Székely cuibăresc în zone îndepărtate într-un singur sezon de cuibărit - ocazional în zone aflate la o distanță de până la 150 km. Din aceste două rezultate, am început în 4 direcții principale de cercetare: formarea speciilor, evoluția conflictului și cooperarea, raporturile de sex demografice și conservarea naturii.

Studiile noastre au produs o serie de publicații de ultimă generație. Două dintre aceste rezultate ar fi evidențiate aici. (1) Am arătat că raportul de sex al crinilor strâns înrudiți (Charadrius spp.) Este diferit: există specii în care există mai mulți masculi decât femele, în timp ce femelele sunt predominante în alte crini. Am arătat, de asemenea, că diferențele de sex sunt legate de comportamentul reproductiv și de descendenți, deoarece la speciile în care masculul este supraponderal, masculii tind să aibă grijă de pui, iar femelele se împerechează cu mai mulți masculi, în timp ce la populațiile feminine supraponderale, femelele se împerechează de obicei puii și masculii se împerechează cu mai multe femele. (2) Studiile noastre de teren au arătat că multe specii de păsări de țărm sunt pe cale de dispariție, unul dintre motivele pentru care este creșterea frecvenței prădării cuiburilor. Într-un proiect global, am arătat, de asemenea, că creșterea prădării cuiburilor este cea mai semnificativă pentru păsările arctice. Din păcate, aceste schimbări arată că, odată cu schimbările climatice și cu impacturile antropice în creștere, succesul reproductiv al păsărilor care cuibăresc pe sol (cum ar fi păsările de țărm) este în scădere, amenințând supraviețuirea speciei.

Pentru a rezuma cele de mai sus, înțelegerea comportamentelor sociale precum sistemele de reproducere necesită sintetizarea cercetărilor. Studiul nostru nu numai că a produs rezultate ale cercetării pe tot parcursul anului folosind biologia modernă de câmp, genetică, bioinformatică, ecologie evolutivă și metode filogenetice, dar a contribuit și la protejarea populațiilor naturale de animale.

Un rezumat al spectacolului, cu o galerie foto și un videoclip, este disponibil aici .

Vezicule extracelulare, noi actori în comunicarea intercelulară
Curs de Edit Irén Buzás, membru corespondent al Academiei Maghiare de Științe
12 noiembrie 2019.
Sediul Academiei Maghiare de Științe, Sala Mare

Un rezumat al performanței, completat cu o galerie foto și un videoclip, este disponibil aici .

De la analiza tiparului la procesele de înțelegere
Judit Padisák, membru corespondent al Academiei Maghiare de Științe, a ținut un discurs principal
8 octombrie 2019.
Sediul Academiei Maghiare de Științe, Sala Mare

Cursul a arătat prin câteva exemple că caracteristicile fizice ale corpului de apă joacă un rol fundamental în modelarea modelelor:

În Lacul Balaton, după furtuni (ca „perturbare”), algele mici, cu creștere rapidă (r-strateg), se înmulțesc într-o măsură mai mare, dând loc celor mai mari, cu creștere mai lentă, în perioade liniștite (strategii K). Acest model este în concordanță cu „Ipoteza perturbării intermediare” a lui Connell pentru pădurile tropicale tropicale și recifele de corali. Studiile de fitoplancton permit concluzia generală că tulburările duc la o diversitate compozițională maximă care se succed la fiecare 3-4 generații.

Fitoplanctonul Fertő este sărac în specii, dominat de diatomee mari. Acest lac este situat în canalul de vânt dintre Alpi și Carpați și se amestecă des și rapid, făcându-și apa tulbure. Agitație frecventă Aceste alge slab flotante sunt agitate în mod regulat în partea superioară iluminată a apei unde este posibilă fotosinteza și, datorită cedării rapide, conținutul de nutrienți al sedimentului poate fi utilizat în mod eficient. Dimensiunea mare le permite să fie îngropate de particule anorganice foarte mici care se așează.

Într-un lac tropical, stratificat, adânc (Lacul Dom Helvetion, Brazilia), dominația tisei este menținută printr-un mecanism similar. Jugurile sunt, de asemenea, incapabile de reglarea activă a plutitorului și coboară rapid. Din motive climatice, aceste lacuri se află la adâncimea epilimnetică timpurie completă la fluxul convectiv în fiecare dimineață devreme, suspendând astfel algele care se acumulează în apa mai densă și mai bogată în nutrienți a metalimnionului din fața sa.

Müggelsee din Berlin este un lac puternic „curgător”. Practic, se determină vara că diatomeele sau cianobacteriile domină cantitatea de timp de schimb de apă din iaz: dacă aprox. Mai puțin de 45 de zile, apoi diatomee, dacă sunt mai lungi, apoi cianocacterii.

Modelele și procesele descrise mai sus, împreună cu mai multe studii internaționale similare, au condus la realizarea faptului că speciile de fitoplancton nu sunt norocoase din punct de vedere ecologic pentru a grupa prin asociere ecologic, ci prin caracteristicile lor funcționale. Această necesitate este indicată și de faptul că între 2002 și 2010 au fost înființate trei astfel de sisteme diferite în ceea ce privește fundalul lor teoretic. Grupurile funcționale sunt alcătuite din specii ale căror caracteristici sunt adecvate unui anumit tip de habitat și răspund în mod similar modificărilor caracteristicilor individuale ale habitatului, fie pozitiv, fie negativ. Această abordare ne-a permis să dezvoltăm o măsură adecvată pentru evaluarea stării ecologice bazate pe fitoplancton în conformitate cu criteriile Directivei-cadru privind apa. Aceasta este singura metodă care, atunci când este calibrată corespunzător, este independentă de climă, ecoregiune și variabila determinantă (de exemplu, caracteristica cinetică, salinitatea, încărcătura de nutrienți, conținutul humic etc.) care a condus la utilizarea sa pe scară largă. Studiile de caz au prezentat o estimare a stării de referință a lacului Balaton, o evaluare a stării ecologice a 78 de lacuri din Bulgaria și a unui impact antropic pe râul Loire.

O cianobacterie tropicală invazivă, Cylindrospermopsis raciborskii (cunoscută în prezent ca Raphidiopsis raciborskii), a apărut în Lacul Balaton în 1978, provocând înflorirea apei în tot lacul în 1982, 1992 și 1994. Datele floristice colectate din întreaga lume au arătat că invazia sa de pe Pământ a avut loc peste un secol și jumătate. Pe baza caracteristicilor ecologice, dispersive biologice și ecofiziologice ale speciei, s-ar putea presupune că centrul său evolutiv este situat în stratul metalimetetic sau pe jumătate hipolimnetic al lacurilor adânci tropicale, din care a fost găsit și prin eșantionare țintită. Billabong-urile australiene (apa stagnantă rămase după cedarea râului) ar fi putut acționa ca un centru secundar de evoluție, explicând toleranța și dispersia sării. Toate acestea au fost confirmate de studii genetice moleculare ulterioare.

Restul prezentării principale a prezentat perspectivele de aplicare a noilor metode (genetică moleculară, „omici”, GIS, metode de măsurare on-line, metode statistice) care au apărut recent în ecologia fitoplanctonului. Comunitățile bacteriene asociate cu cianobacteriile Microcystis, care provoacă înflorirea apei de pe diferite continente, s-au dovedit a avea bacterii taxonomice diferite, dar asemănarea lor funcțională este semnificativă și independentă de distanța geografică. Folosind o metodă statistică preluată din economie, așa-numitul am analizat fundalul eutrofizării lacului Stechlin, mecanismul probabil al întârzierii dintre efect și răspunsul sistemic, prin analiză cauzală. Această cercetare este un exemplu unic de explorare a memoriei sistemului.

Un rezumat al performanței, completat cu o galerie foto și un videoclip, este disponibil aici .

Laudă pentru talamus și diversitate
Prelegere de László Acsády, membru corespondent al Academiei Maghiare de Științe
10 septembrie 2019.
Sediul Academiei Maghiare de Științe, sala de lectură

La nivelul organizării biologice, fenomenul poate fi observat de la procesele metabolice la ecosisteme. Diversitatea va crește cu siguranță foarte mult adaptabilitatea organismelor vii la condițiile de mediu care se schimbă rapid.

Diversitatea sistemului nervos se realizează cel mai ușor în diversitatea neuronilor. Celulele nervoase reprezintă doar 0,3% din întregul corp uman, totuși acest 0,3% este alcătuit din mai multe tipuri de celule decât restul de 99,7%. Zeci de diferite tipuri de celule pot apărea chiar și într-o zonă a sistemului nervos, din punct de vedere anatomic și funcțional. Aceste celule formează o relație extrem de diversă între ele, iar această diversitate stă la baza funcțiilor neuronale complexe. Cu toate acestea, talamusul din titlu este o excepție. Din câte știm, talamusul este format dintr-un fel de celulă nervoasă care nu intră în contact unul cu celălalt.

Talamusul este o „invenție” a sistemului nervos al vertebratelor. S-a dezvoltat împreună cu cortexul cerebral responsabil pentru cele mai înalte funcții ale sistemului nervos. În timpul organizării, majoritatea informațiilor despre mediu și starea internă a organismului au ajuns la cortexul cerebral prin talamus. Cortexul cerebral fără talamus este separat de lumea exterioară. În plus față de funcția de intrare, funcționarea normală a cortexului cerebral necesită un dialog continuu cu talamusul și feedback prin talamus asupra efectului său asupra zonelor de sub cortexul cerebral. Cum este posibil să îndeplinești acest rol complex cu un singur neuron?

Pe baza rezultatelor Grupului de Cercetare Thalamus de la Institutul de Cercetări în Medicină Experimentală (Institutul de Excelență al Academiei Maghiare de Științe), condus de László Acsády, se poate afirma că diversitatea talamusului constă în diversitatea intrărilor. Această diversitate se realizează în cel puțin trei dimensiuni. În primul rând, față de cortexul cerebral, talamusul primește intrări dintr-o varietate extrem de largă de zone cerebrale. În al doilea rând, aceste intrări diverse formează morfologic și funcțional o varietate de terminații nervoase excitatorii și inhibitoare. În al treilea rând, terminațiile nervoase de diferite origini și tipuri pot fi combinate în zona talamusului în multe feluri. Cu acest aranjament, se realizează un aranjament mozaic în talamus într-un mod unic în sistemul nervos, în care zonele talamice adiacente (sau chiar celulele) sunt caracterizate prin diferite principii de conexiune. În majoritatea zonelor sistemului nervos, așa-numitele găsim un aranjament modular în care o anumită structură de conexiune (oricât de complexă) se repetă în regiunea creierului.

Pe baza acestora, se poate concluziona că talamusul îndeplinește aproape toate funcțiile complexe ale sistemului nervos prin ponderarea și combinarea informațiilor din diferite zone ale sistemului nervos în funcție de funcția dată înainte de a o transmite la cortexul cerebral. Și un singur neuron permite reglarea uniformă a sistemului în funcție de starea internă, care reglează integrarea talamică și transmiterea informațiilor în funcție de această stare (de exemplu, somn, veghe, atenție, anxietate, plăcere etc.).

În ciuda funcțiilor sale complexe, talamusul este o zonă foarte puțin cunoscută. Rezultate recente, de exemplu, sugerează că diferite tipuri de celule pot apărea și în regiunea talamică. Una dintre funcțiile principale ale tipului de celulă caracterizată prin proprietățile unice de intrare și ieșire descrise de László Acsády și colab. Este transmiterea trunchiului cerebral și a semnalelor de trezire hipotalamice către întregul creier anterior.

Cercetătorii speră că înțelegerea funcției talamice adaugă o nouă dimensiune înțelegerii funcției corticale și, în același timp, deschide posibilitatea unor boli neurologice care afectează sistemul talamocortical care afectează grav funcționarea societății moderne (de exemplu, tulburări de somn, schizofrenie, boala Parkinson, autism, dureri cronice, confuzie) bazate pe metode noi.

Un rezumat al spectacolului, cu o galerie foto și un videoclip, este disponibil aici.