Egy Nature Method cikk tanulságai

Bár úgy mondják, a túl hosszú munkaidő a kreativitás és eredményesség ellen dolgozik, Rózsa Balázsék csapata erről nem tud. Dolgoznak a KOKI-ban, a Pázmányon, a Brain Vision Centerben, a Femtonicsban – hogy csak a legfontosabb helyeket említsem – és mikroszkópfejlesztési munkáik mellett, csak Nature folyóiratot említve és csak „saját” közleményt, 2012 után négy évvel Szalay Gergely egy Nature Communication közlemény utolsó szerzője volt, 2022-ben pedig Judák Linda első szerzőségével jelent meg egy munka ugyanennél a folyóiratnál.

- Úgy tűnik, előreléptetek a „ranglétrán". De mi az, ami igazán fontos, ami valóban számít?

Linda

- A Nature Methods, Nature Communication szintű cikkekre jellemző, hogy elkészítésük sok éves munkafolyamat, a cikk megjelenése csak egy régen várt mozzanat. A fejlődés-előrelépés inkább magában a folyamatban, mint a végeredményben érezhető. Amellett, hogy természetesen a tudományos kérdések és eredmények kidolgozásában is már több feladatunk van, a laboron belül mindketten saját csapatot vezetünk, és a kísérletes munkán kívül sok olyan kérdésben is önálló döntéseket kell hoznunk, ami nem feltétlenül a munka tudományos részéhez kapcsolódik, hanem HR, pályázati vagy pénzügyi feladat. Szerintünk azonban a tudományos karrier építéséhez ezek is elengedhetetlen, fontos és hasznos tapasztalatok.

- Elégedettek vagytok azzal, amit eddig elértetek? 

Linda

- Mindketten örülünk annak, hogy az eredmények kidolgozásával párhuzamosan a létrehozásokhoz szükséges csapatot, infrastruktúrát, mérési és analízis módszereket is létrehoztuk. Ezért is bízunk abban, hogy ezekkel az eredményekkel és tapasztalatokkal a hátunk mögött, a következő cikkel már rövidebb idő készülünk majd el. 

Gergely 

- Sajnos az alapkutatásnak, mint életpálya, továbbra is gyenge a megtartó ereje. Nagyon sajnálom, hogy nem sikerült megtartanunk sok olyan lelkes és tehetséges embert, akik tanítására sok időt fordítottunk, és bár csapatunk nagyon értékes tagjai lehetnének, ők külföldön vagy az iparban helyezkedtek el. Bár az adott munkának ez csak mellékterméke, de fontos felismerésekhez vezetett a csapat szervezését illetően. Ezen meglátásokat igyekeztünk alkalmazni a frissen alakult BrainVisionCenter működési stratégiájának kialakításában.

- Ahhoz, hogy egy „Nature” folyóirat csak bírálatra is kiküldjön egy kéziratot, kívánalmak végtelen sorát kell teljesíteni. A Nature Method kívánalmai a technikai részletektől a hasznosíthatóságig terjednek, megválaszolásuk külön cikk terjedelmű. Mennyi időbe telt cikketek összeállítása?

Linda

- A kéziratot 2022 decemberében kezdtük el írni, és eredetileg a Nature-höz nyújtottuk be. A szerkesztő javaslatára, mivel a téma valóban jobban illett a Nature Methods-ba, 2023 szeptemberében ide nyújtottuk be, ahol 2024 októberében fogadták el végül 2024. december 12-én jelent meg. 

- Az elfogadás és megjelenés között eltelt idő a Nature esetében inkább rövidnek számít, de a benyújtás és elfogadás között egy teljes év telt el. Gondolom, nem tétlenkedtetek!

Linda

- Négy fordulóban válaszoltuk meg a bírálók kérdéseit. A végül (magán a cikken és supplementary anyagokon kívül) a több mint száz oldalnyi részletes válasszal és ábraanyaggal azonban sikerült megnyerni a csatát. Gergellyel és Balázzsal már összeszokott csapat vagyunk, hiszen nem ez az első közös munkánk, így gördülékenyen ment a feladat leosztása és a végrehajtása is.

- A 2012-es Nat. Method cikketekre - az internet szerint - 434 idézetet kaptatok. Ez még önidézetekkel együtt is jelentős szám. Elégedettek vagytok ezzel az eredménnyel?

Gergely

- Mivel első Nat. Methods cikkünk volt az első olyan munka az irodalomban, ami az akuszto-optikai alapú 3D pásztázást leírta, így a cikk fontos mérföldkő volt. A magas idézettséget is, amit mindenképp jó eredménynek gondolunk, ez magyarázhatja.

A cikk sikeréhez az is hozzájárulhatott, hogy rövid idővel megjelenése után, két hasonló közlemény követte más laborokból, és így már nem egy elszigetelt technika volt, hanem több csapat által függetlenül leírt módszer. 

- Előfordult hasonló egybeesés más fejlesztésetek esetében is?

Gergely

- Igen. Az egér virtuális valóság (angol rövidítéssel: VR) technikát egy éven belül két másik csapat is leírta rajtunk kívül, és ez sokat segít abban, hogy ez a fajta technológia szélesebb körben elterjedjen. Ez persze egy több fronton zajló verseny. Lindával és a kutató csapat többi tagjával azon dolgozunk, hogy elsőként tudjunk új tudományos eredményeket leírni ezzel az eszközzel. Mindeközben azonban a BCV fejlesztői az általunk kidolgozott módszer termék szintre történő tökéletesítését is elvégezték, így reményeink szerint a technika számos más laborban is elérhetővé válik hamarosan. 

- Maradjunk a tudománynál! Az egerek kísérleti célokra történő alkalmazása sok szempontból igen előnyös. De a szemük egyáltalán nem olyan, mint az emberé, ezért számukra ehhez illeszkedő kísérleti rendszert kellett terveznetek, ami extra kihívás volt. A feladatot kiválóan megoldottátok, így sok mindent megtudhattunk az egerek agyáról. De milyen haszna lehet ezeknek az új ismeretnek az emberi agyra vonatkoztatva? 

Gergely

- Nem csak maga az egérszem, de a leképzés, a mélységélesség, a retina felépítése, a szemben végbemenő idegi feldolgozás, a kérgi reprezentáció, mind-mind más az egerek esetében. Kísérleteinkben az emberben viszonylag „magától értetődő” tanulást modelleztük az egérben. A fejlesztésekre éppen emiatt a sok különbség miatt volt szükség. Többek között teljesen új optikát terveztünk, ami követi az egerek emberétől eltérő, nagy látómezejét és eltérő optikai feloldását. 

- Így lehetővé vált eddig nem ismert adatokat nyerni az egér agyában, de az is más, mint az emberé!

Gergely

- Ez igaz, de ezzel a rendszerrel az is megtudható, mi történik agyi hálózatok szintjén az emberi tanulás korai fázisában. Ennek az egyedi sejtek szintjén történő humán tanulmányozására nem áll rendelkezésre technológia. Vegyük a cikkben is bemutatott új felfedezést, mely szerint az elsődleges szenzoros régiókban a tanulás alatti plaszticitás a vártnál jelentősebb. Ugyanez a módszerrel alkalmas lenne arra, hogy például Parkinson- vagy Alzheimer- modellben vizsgáljuk, van-e eltérés ebben a tanulási mechanizmusban az egészséges egerekben talált értékekhez képest. Ez közelebb vihetne valamilyen terápiás vagy kiegészítő terápiás módszer kidolgozásához!  

- Az egerekről most bebizonyosodott, pontosabban ők maguk bebizonyították, hogy sokkal jobbak vizuális tanulási képességeik, mint gondoltuk. De miért gondoltuk, hogy rosszabbak lennének?   

- Az elmúlt 20-30 évben számtalan virtuális valóság eszközt fejlesztettek, amellyel a kísérleti állatok látását vizsgálták. Ezek azonban mind kétdimenziós projekciót használtak a virtuális tér megjelenítésére, mert feltételezték, hogy az emberhez hasonlóan a kísérleti állatok is képesek a kétdimenziós projekciókból, mint például egy tévéképernyő sík képéből, megérteni és rekonstruálni a körülöttük lévő 3D-s valóságot. A legújabb kutatások azonban rávilágítottak, hogy ez a feltételezés téves. Rágcsálók esetében a kétdimenziós vetítések nem nyújtanak valósághű élményt, és ez torzítja az eredményeket. 

- Ebben az esetben tehát az antropomorf szemléletünk vezetett félre bennünket, ti viszont most az egér valós látását vettétek figyelembe.

- Mivel az általunk fejlesztett rendszert az egér látására optimalizáltuk, így olyan téridőbeli agyi aktivitás mintázatokat generál, amelyek nagyságrendekkel pontosabban kódolják környezetük adott látványelemeit. A vizuális tanulás folyamata így lényegesen lerövidült.

- A sztereó és a 3D képek között látványos a különbség, így érthető is, miért élethűbb az egér számára a sztereókép. Ilyen rendszer használatára az emberi agy vizsgálata esetében is alapvetően szükség van?

- Az emberi agy sokkal jobb a 3D absztrakcióban, mint az egér. Ha például egy 2D kép megfelelő perspektívával és árnyékolással rendelkezik, akkor az emberi agy képes azt 3D-ben értelmezni. Jelen ismereteink szerint az egér erre nem képes. Nyilván erre közvetlen tesztet nehéz csinálni, de a közvetett eredmények erre mutatnak, mivel a valós 3D VR rendszerünkben az egerek olyan feladatokat is teljesíteni tudnak, amit egyszerű 2D-be projektált terek vetítése során nem. 

- Van még más hasonlóan jelentős - látványos különbség?

- Az egerekkel ellentétben az emberek be tudnak számolni a tanulásról, az érzékelés szubjektív élményéről stb., így a humán tesztek esetében valószínűleg nincs szükség ilyen összetett technikára. 

- Vagyis…

- Emberekben valószínűleg maga a tanulás egyszerűbb eszközökkel is megvalósítható lehet, és azokat a jelölési és mérési technikákat, melyek az egér esetében rendelkezésre állnak, emberben már csak etikai megfontolások miatt sem fogják valószínűleg sosem alkalmazni.

- Mit tudunk az ember virtuális tanulási képességeiről? 

Linda

- Az ember virtuális tanulási képességei egyre nagyobb figyelmet kapnak a technológiai fejlődés és az oktatási módszerek digitalizációjának korában. A virtuális tanulás magában foglalja a virtuális valóság (VR), a kiterjesztett valóság (AR), valamint az online tanulási platformok alkalmazását is. Az ember tanulási képességeire gyakorolt hatását érhető okokból már sokféle tudományterület vizsgálja.

- Mostanában egyre inkább felhívják arra a figyelmet a virtuális eszközök túlzott használatának veszélyére. Kicsi gyerekek esetében „virtuális autizmus” alakulhat ki.

- Szubjektív véleményünk az, hogy az emberek esetében a tanuláshoz nincs szükség a VR rendszerre, hiszen az emberi absztrakciók mentén új ismeretek hagyományos módszerrel is megszerezhetők, azonban a teljes immerzió, amikor a teljes látóteret kitölti a virtuális élmény, az osztatlan figyelem segítheti a koncentrálást és a tanulást.

Érdemes megjegyezni, hogy ugyanennek a hatásnak az egér tesztjeinkben is van szerepe, az, hogy a tanított vizuális élmény az egér teljes látóterét kitölti bizonyosan javítja a viselkedés eredményeket. Ebből a szempontból tudunk párhuzamot találni a két faj között. 

- Eddig mennyire tudták vizsgálni az ember virtuális tanulási képességeinek változását különböző betegségekben vagy rendellenességek kialakulása során, és mennyire tekinthetjük az eredményeket mérvadóknak?

Gergely

- Mivel a retina is az idegrendszer része, irodalmi adataink vannak arról, hogy anatómia változással is járó neurodegeneratív betegségek a retinára és így a látásra is hatással vannak. Ezek a változások azonban minimálisak, nehezen észrevehetők, például csak lefelé tartó mozgással járó koordinációs feladatok során lehet őket megfigyelni. Ilyen elváltozások diagnózisához elméletileg segítség lehet egy VR rendszer, hiszen alkalmazásával mind a vetített kép, mind a szem pozíciója felett teljes kontrollunk van. 

Arról viszont nem tudunk, hogyan változik egyes betegségekben a gyors tanulás a sejtek hálózatának szintjén történő reprezentációja. Ez épp az egyik olyan fontos terület, amiben úgy gondoljuk, hogy az eszköz új eredményeket hozhat. 

-  Cikketekben a tanulás során megfigyelt anticipációs (előrejelző) jelekről is szó van. Mik ezek a jelek, és miért jó figyelnünk rájuk? 

Linda

- Nevükhöz híven, ezek a jelek korábbi tapasztalatok és tanulás alapján, előre várható jövőbeli eseményre, történésre vagy ingerre utalnak. Az agy gyakorlatilag folyamatosan előrejelzéseket készít a minket körülvevő környezetről, hogy minimalizálja a hibákat és maximalizálja a reakcióidőnket, a tapasztalatainkból szerzett információk pedig segítik az előrejelzést, a szakirodalomban használt kifejezéssel, anticipációs folyamatot. Azért jó erről nem csak tudnunk, de figyelni is rá, mert az anticipációs mechanizmus zavara jelentős szerepet játszik több neurológiai és pszichiátriai betegség kialakulásában is. Ilyenek például a Parkinson-kór esetében a motoros előrejelzés zavarai, vagy skizofréniában a prediktív kódolási hibák.

- Azon kívül, hogy felfigyelünk ennek az előrejelző rendszernek a zavarára, tehetünk valamit a javulás – saját magunk egészsége - érdekében?

Linda

- Sztrókot követően hasznos lehet az anticipációs képességeink fejlesztése, mivel segíti helyreállítani a beteg mozgáskoordinációját, de a mindennapi tevékenységek esetében is javítja a reakciókészséget!

- Az eszköz segítségével a vizuális tanulás során létrejövő új, eddig ismeretlen ideg-rendszeri hálózati mechanizmusokat is felfedeztetek. Hányféle tanulást ismerünk, miben különböznek?

- Mechanizmusukat tekintve valószínűleg nem túl sokban, hiszen a tanulás lényegében az egyes szinapszisok (idegsejtek közötti kapcsolatok) kialakulásában, illetve erősségüknek átmeneti vagy állandósult változásában nyilvánul meg. Ilyen szinapszisok milliárdjai azonban komplex működési mechanizmusokat tudnak kialakítani. Jó analógiája ennek a számítógép működésének elve, hiszen ott is gyakorlatilag egyféle logikai kapu milliárdjainak párhuzamos működésével oldanak meg komplex feladatokat. Minden a megfelelő ütemben és elrendezésben kapott bemenetektől függ. Az analógiát folytatva, a mi felfedezésünk sem a tanulás hatásmechanizmusában mutat újdonságot, hanem abban, hogy rendszer szinten ezen hatások hogyan integrálódnak. Ez már kicsit spekuláció, ezzel kapcsolatban inkább egy következő cikk kapcsán beszéljünk majd!

- Rendben, de ennek a hosszú beszélgetésnek zárásaként áruljátok még el, Moculus nevű eszközötökkel miért lehetett elérni, hogy a vizuális tanulási mechanizmusok kutatásában vizsgált kísérleti egereitek esetében a hosszú betanítási idő helyett egyetlen tréninggel is új felfedezéseket tudtatok elérni? Olyasmit tudtatok mérni, amit mások eddig nem? 

- Lényegében igen. Egyrészt fontos az, hogy a sejtek aktivitását mérő rendszerünk kompatibilis a 3D képalkotó rendszerünkkel, így a tanulás folyamatában vizsgálható a sejtek és sejthálózatok viselkedése. Az eddigi munkák többségében a tanulás egy független rendszerben történt, és már csak a tanulás végeredményét vizsgálták, így az átmentileg megnövekedett aktivitást nem tudták elcsípni. Másrészt, ha tudták is a tanulás során vizsgálni az aktivitást, de az több napig tartott, az egeret minden nap vissza kellett tenni a rendszerbe, és az eredményt több külső és belső tényező is befolyásolhatta. 

- Szegény egerek. Szobrot ugyan kaptak, mint kísérleti állatok, de elterjedt róluk, hogy buták. Legalábbis a patkányokhoz képest. Miért mondták, hogy lassan tanulnak? 

Linda

- Úgy fogalmaznék, más VR rendszerekkel a vizuális tanulásnak leginkább csak a végét látták, amikor már az agyi aktivitási mintázatok átrendeződése megtörtént. A mi berendezésünk alkalmazásakor a vizuális tanulás teljes folyamatát, az első perctől nyomon tudjuk követni. Az eddig használt rendszerekkel 5-9 napot is igényelt, hogy az egerek megtanulják az adott feladatot. A mi kísérleteink során már 30-40 perc után látjuk, hogy az egér vizuális tanulási folyamata lezajlott, és ezt követően stabil is maradt.