Megfejteni az idegsejtek suttogását: az idegsejt aktivitás mintázatok azonosítása (folytatás)

2023. május 10. szerda

Egy fontos gondolat, hogy az idegsejt populációk aktivitásának időbeli változását leíró trajektóriákat számunkra nem mérhető erők alakítják. Ha azonban megfigyelünk sok trajektóriát, következtethetünk a hálózat viselkedését formáló erőkre, a hálózat dinamikájára (az aktvitás fejlődésére).

 
 

 

 

Az erők alapján kiszámítható minden egyes pontból merre szeret elmozdulni a rendszer.
A gondolat szemléltetéséhez egy hegyekkel, dombokkal, völgyekkel tarkított tájat kell elképzelni, amelyikre labdákat dobálunk. Ezek a domborzat lejtése alapján gurulnak végig a hegyek lábainál futó völgyekig. De eshet az eső is a hegyekben, melyből az összegyűlő víz patakok útján a folyóvölgyekbe gyűlik. Az állapottérben jelenlevő gyűjtő pontokat, vonalakat hívják attractor-oknak (attract=vonzani).

Az eltérő színű trajektóriák a rendszer válaszát mutatják eltérő esetekben. A kis nyilak a gradiens vektorok, melyek a rendszerben ható erőket mutatják és a trajektóriák elemzéséből számolhatók. Ezek segítségével számolható ki hol vannak a rendszerben attraktorok.

A trajektóriák alapján úgy lehet felrajzolni ezt a domborzatot és megtalálni az attraktorokat, hogy minden egyes pontban megnézzük merre mozdul el a rendszer, merre lejt a hegyoldal. Praktikusan a tér minden pontjába kicsi nyilakat rajzolunk, mely az elmozdulás (a ható erő) irányát és nagyságát mutatja (gradiens vektor). A nyilakat felhasználva, melyek az adott helyen a lejtő irányát mutatják, felrajzolhatók a hegyek völgyek.

A trajektóriák alapján meghatározott domborzat alapján pedig megérthetjük hogyan dolgozza fel az információt (hogyan dönt) hálózatunk. Mondhatjuk azt, hogy a hálózat tudása, információ feldolgozó képessége ebben a domborzatban és az általa meghatározott attraktorokban jelenik meg, melyek irányítják merre fejlődjön a rendszer állapota az információfeldolgozás során. Egy feladat kiértékelés, során az idegsejtek aktivitása a kiindulási pontból, belegurul valamelyik attraktorba. De ugye, mint a hegyvölgyes táj esetében is több pontból gurulhat ugyanoda a labda, a neuronhálózatok is indulhatnak máshonnan mégis ugyanoda jutnak. Ezzel ellentétes amikor közeli állapotból indulva távoli helyekre jutnak el. A földrajzban a vízválasztó fogalma azt jelenti, hogy vannak olyan csúcsok és hegygerincek, ahol két egymás közelében leeső esőcsepp jelentősen máshova jut el. Az Alpok bizonyos csúcsaira eső cseppek egy része a Dunán keresztül a Fekete tengerbe jut, más részük a Pó-n keresztül az Adriába.
Az agy információ feldolgozásának két fajtáját (kategorizálás-csoportalkotás és döntés) jól szemléltethetjük ezzel a domborzati képpel. Amikor egy dologról el akarja dönteni agyunk hálózata hova tartozik (kategorizálás) az olyan, mintha ledobná a labdát a domborzat egy pontjára és megnézné melyik völgybe gurul le.

 

Az alpok egy hegyvonulatának és az azt délről határoló völgyének szintvonalas térképe.


Az Alpok egyik hegyvonulatának szintvonalas térképe látszik felül, vízválasztókkal és  folyóvölgyekkel. Alant ugyanezen terület 3D nézetének 2D képernyőfotója látszik a Google Earthből programban. Hogy eldöntsük egy ehető növény gyümölcs vagy zöldség-e képzeljük el, hogy erre a domborzatra a gerinc közelébe labdákat dobálunk. A gyümölcsöket (narancs, mandarin, alma, szilva) a sokdimenziós térben reprezentáló megfelelő sárga-narancsárga pontok  és a zöldségeket (karalábé, zeller, sárgarépa) reprezentáló lila-zöld pontok a piros vonallal jelölt zöldség-gyümölcs vízválasztó eltérő oldalain találhatók. A gyümülcsök északra, azaz a gyümölcsök völgyébe gurulnak le (sárga, nyilakkal díszített vonalak), a zöldségek délre a zöldségek völgyébe (zöld nyilakkal díszített vonalak). Ugye a paradicsomról még folyik a vita, hogy zöldség-e vagy gyümölcs. Legtöbben a zöldségek közé sorolják, pedig magas cukortartalma miatt helyesen gyümölcsnek kellene tartanunk. Nem véletlen, hogy a paradicsomból főzött édes lekvár, a ketchup, a gyerekek kedvence. A paradicsom agyunk hálózatában a vízválasztó közelébe esik, ezért bizonytalan melyik völgybe fog lefolyni (piros vonalak északra és délre).