Digitális patkány a Mátrixban I.
„Együtt messzebbre jutunk!” a mottója a mai bejegyzésnek. Egy olyan eredményt és a hozzá vezető utat mutatunk be az #agyhírek rovatban, ahol jól látszik „az idegtudományok” változatosságban rejlő ereje.
Matematikusok, modellező fizikusok és elektrofiziológus neurobiológusok együttes munkájával sikerült megmutatni azt, hogy a tanulás hogyan alakítja ki azt a jól formált kapcsolatrendszert, mely kiegyensúlyozott és hatékony idegsejt működéshez vezet. A cikk az eLife „folyóirat” oldalán érhető el, a KOKI oldalán pedig egy riport olvasható Káli Szabolccsal a kutatás vezetőjével.
A cikk arra kérdésre kereste a választ: „ A memórianyomok kialakításában meghatározó hippokampusz nevű agyterületen az idegsejtek kapcsolatrendszerének milyen tulajdonságokkal kell rendelkeznie, és ez milyen módon alakul ki, hogy az emléknyomok tárolásához szükséges finoman szabályozott idegsejt aktivitás mintázatok létrejöhessenek?”
Először egy kis alapozás. Aki olvasta a blogon nemrégiben a memória és az érzelem kapcsolatáról szóló kérdésre adott választ, már tudja, hogy az agykéreg legkorábban kialakult területe, a hippokampusz, fontos szerepet játszik a tanulásban, az új emlékek elraktározásában.
Ezt onnan tudjuk, hogy egy híres beteg, H.M. epilepsziáját gyógyítani szándékozó kétoldali hippokampusz eltávolítást követően, megrekedt a jelenben. A neurológusok azt vették észre, hogy míg élete műtét előtti eseményeire emlékezett, a műtét után nem alakultak ki új emlékei. Emlékezete 10-20 másodpercre terjedt. Minden nap újra be kellett neki mutatni orvosait és elmagyarázni mi történt vele, egy könyvet minden nap élvezettel el tudott olvasni, nem unta meg, de közben (a műtét előtti életéből) tudta hogyan kell közlekedni, olvasni, emberi kapcsolatokat létesíteni és ki volt a korábbi elnök. Sajnos élete hátralevő részében segítsége szorult.
Arról is beszéltünk, hogy nem jó mindent megtanulnunk, hanem csak a fontos dolgokat. Ez a válogatós tanulás a hippokampusz működésében tükröződik. Ezen az agyterületen az állat (ember) viselkedési állapotával összefüggésben kétféle idegsejt működési módot (aktivitás mintázatot) lehet EEGvel megkülönböztetni. Amikor az állat unalmas hétköznapjait éli, azaz felderíti környezetét (szaglászik, mozog) a hippokampusz információ gyűjtő állapotban van. Ezalatt, másodpercenként 7szer csökken és nő benne az idegsejtek aktivitása. Ezt a mintázatot az elektrofiziológusok theta aktivitásnak nevezték el. Amit az állat tapasztal (hol van, milyen a környezet szaga, színe, tapintása) azt egy rövid időre elraktározza a rövidtávú memóriájában, de ezt hamarosan elfelejti. Mint a motoros bukósisak kamerája, ami folyamatosan veszi az utat, majd egy idő után a régi dolgokat felülírja. De ha pl. baleset történik és a kamerát megállítják akkor a legutóbbi időszak felvétele megtalálható és visszajátszható.
A viselkedő állat esetében is, ha valami fontos történik - az állatot kellemes (táplálék) vagy kellemetlen (áramütés, zaj) inger éri - a hippokampusz működési mintázata hirtelen megváltozik, és egy éles hullámnak nevezett elektromos aktivitásmintázatot lehet megfigyelni az innen elvezetett EEGben. Az éles hullám alatt, a fontos eseményt megelőző, közelmúltban történt események játszódnak vissza és elkezdődik az eseménnyel kapcsolatos emléknyomok raktározása. Éleshullámok megfigyelhetők az alvás során is. Bebizonyították, hogy alvás alatt az éles-hullámok visszajátsszák a nap során történt fontos eseményeket, és szükségesek azok hosszútávú memóriába írásába az adott emlék feldolgozására alkalmas agykérgi területeken. Ezt azzal bizonyították, hogy ha a kísérleti állatokban elektromos impulzusokkal megzavarták az alvás alatt megjelenő éles-hullámokat, akkor az állatok rosszabbul emlékeztek az előző nap tanultakra, mint azok a társaik, akik ugyanannyi elektromos impulzust kaptak alvás alatt, de azok nem az éles-hullámok megjelenésére voltak időzítve.
Az éles-hullámok rövid, erős idegsejt aktivitás kitörések, amelyek alatt nagyon pontosan szervezett, hogy az idegsejtek hogyan hatnak kölcsön, hogyan épül fel és alakul működésük. Egy éleshullám viszonylag kevés serkentő idegsejt aktivitásával kezdődik, melyek további olyan sejteket vonnak be, akik a nap során egy fontos esemény során már működésbe léptek. Az aktivitás gyorsan magas mértéket ér el, majd miután egy rövid emléknyom visszajátszódott, elhal. Kicsit olyan, mint egy forradalom kitörése. Sokat kell várni arra, hogy összejöjjön egy kritikus tömeg, de ha érett a helyzet néhány hangadó képes egy nagyobb csoportot, majd városokat és országrészeket lázba hozni (lásd Arab Tavasz). A folyamatot idegsejt lavinaként is szokták nevezni, hiszen a lavina is egy kis hógolyóval indul és településeket sodor el mire megnő. A hippokampusz egyedi tulajdonsága, hogy egyik alterületén (CA3) a serkentő sejtek közötti kölcsönös összeköttetések gyakorisága jelentősen felülmúlja az agykérgi átlagot. Ez szükséges az aktivitás gyors növekedéséhez, a korábbi, a középtávú memóriában rögzült emlékek visszajátszásához, de mint H.M. esetében is láthattuk ez veszélyes, mert a hippokampuszt a leggyakoribb epilepszia góccá is teszi (az epilepsziás roham egy hatalmasra hízott idegsejt lavina, írunk róla majd később).
Ezért tartják nagyon fontosnak a kutatók, hogy megértsük: Mitől növekszik, majd áll meg az egészséges esetben a memórianyomok rögzüléséhez szükséges idegsejt aktivitás éles-hullámok alatt? És miért nő túlzottan az aktivitás a tudatosságot kioltó epilepsziás rohammá kóros esetekben?
Ezt a kérdést, az idegtudósok ugye sok oldalról vizsgálhatják. Hogyan vannak összekötve az idegsejtek (milyenek a kapcsolatrendszer anatómiai tulajdonságai)? Hogyan hatnak kölcsön a sejtek? Mikor kapcsolódik be a gátlórendszer mely csökkenti az aktivitást (milyenek a sejtek elektrofiziológiai tulajdonságai)? A kapcsolatrendszer és a működés milyen értékei határozzák meg a rendszer viselkedését?
Hogy ezekre a kérdésekre hogyan kerestük a választ, azt folytatásban mutatjuk be.