Összefoglalás: Mit tudnak az idegsejthálózatok?
Gratulálok mindnekinek! Elértünk a kicsit hosszúra nyúlt második évad végében. Alant összefoglalom, hogy mit tanultunk a második részben, amiben az idegsejtektől a hálózatok szintjére léptünk és megnéztük milyen emergens tulajdonságok bukkantak fel.
Egy ioncsatornákból felépített idegsejt képes jeleket gyűjteni, összegezni, és jelet kibocsájtani, azaz elemi jelfeldolgozásra képes. Egy ilyen elemekből felépült egyszerű idegrendszer reflexekkel reagál a környezet egyszerű ingereire.
A sok idegsejtből felépülő hálózatok már képesek több bemenet (tényező) alapján döntéseket hozni. A hálózat tudása a sejtek közötti kapcsolatok, a szinapszisok erősségének (súlyának) mintázatában tárolódik. Amennyiben genetikusan meghatározottak a kapcsolaterősségek akkor merev, ösztönös reakciókat valósítanak meg. A fejlődés következő lépcsőjén a sejtek közötti kapcsolatok erőssége a Hebbi asszociatív tanulási szabály szerint módosulhat: aki együtt működött az hosszútávon is együtt fog működni („Fire together, wire together!”). Az ilyen kapcsolatokat tartalmazó hálózatok alkalmazkodnak a környezet kihívásaira, rugalmasan reagálnak, megjelenik a tanulás!
A hálózatok működését az is meghatározza milyen módon vannak a sejtek összekapcsolva. Az egyszerű hálózatok csak előrecsatoltak: a bemeneti réteg sejtjei a kimeneti réteg sejtjein végződnek. Már ezek az előrecsatolt hálózatok is képesek asszociációkat létrehozni, emléknyomokat előhívni, általánosítani vagy csoportokat alkotni.
A következő nagy lépés a hálózatok képességeinek javulásában az volt, amikor a hálózatokban megjelent a visszacsatolás. Ezekben, a sejtek önmagukkal és más saját rétegükben lévő sejtekkel is összekapcsolódhatnak, ezáltal a hálózat működésében lényeges új tulajdonságok jelennek meg:
- képesek lesznek mintázat sorozatok előállítására (pl járási mintázat, madárdal),
- kialakulhat bennük a külvilág kiváltó ingereit nem igénylő, azoktól függetlenül fennmaradó (perzisztens) aktivitás (rövidtávú memória)
- a visszacsatolás miatt ismétlődően (iteratívan) is végrehajthatják, finomíthatják egy feladat megoldását
- megjelennek a belső állapotok, amelyek eredményeképpen egy környezeti ingerre adott válasz függ a korábbi tapasztalatoktól (egyfajta rövidtávú memória, átmeneti tanulás).
A másik, párhuzamosan fejlődés az idegsejtek jelintegrációs tulajdonságainak finomodása volt, melynek során az egyszerű, „összegzés és tüzelés” szerint működő sejt egy jóval bonyolultabb, aktív elektromos tulajdonságokkal rendelkező sejtté alakult, mely több szintű jelintegrációra vált képessé. Az egyes bemenetek kölcsönhatásba léphetnek, gyengíthetik, erősíthetik egymást, befolyásolhatják egymás tanulását (szinaptikus súlymódosulását). Igaz ez az egyes dendritágakra eltérő típusú információt hordozó jelek kölcsönhatására is. Megjelentek a sejteken olyan receptorok, melyek a kéreg alatti területekről, az állat belső állapotáról információt szállító moduláló (hangoló) típusú ingerületátvívő anyagok hatására, a sejtek jelintegrációját és tanulási képességeit különböző módokba kapcsolják.
Ezek a fejlett tulajdonságok mind jelen vannak az evolúciós hálózat „tervezés” csúcsában az agykéregben. A 6 rétegű agykéreg oszlopokba szerveződött serkentő sejtjei összegzik az egyes rétegekbe eltérő területekről érkező eltérő információkat. A jelösszegzésben fontosak a sejtrétegek között kialakult visszacsatolt kapcsolatok, illetve, hogy a kéreg alatti területek működésének függvényében a sejtek jelintegrációja és a közöttük lévő kölcsönhatás erőssége a feladat függvényében változik.
Ezáltal képes az agykéreg bonyolult, rugalmas információfeldolgozás végrehajtására. A visszacsatolás miatt az agykéregben a tanulásban és információfeldolgozásban elsőrendű szerepet betöltő serkentő sejtek mellé gátlósejtek is beépültek (mint ahogy számos kéreg alatti területen már jelen voltak), mivel az egészséges hálózatműködéshez a sejtek aktivitási szintjét egy keskeny tartományon belül kell tartani. Egy működő agy esetében a túl alacsony aktivitás kómát, a túl magas epilepsziás rohamot jelent. A gátlósejtek fontos szerepet játszanak abban is, hogy a kéreg alatti területekről, az állat belső állapotáról, információt szállító pályák az agykérgi hálózatok információ feldolgozását, az aktuális feladat megoldásához szükséges módokba kapcsolják. Hangolják és összehangolják az agykérgi hálózatok működését.
Az agykérgi hálózatok tehát képesek arra, hogy összevessék a jelen különböző elemeiről információt szállító pályákon érkező jeleket, a múltról a visszacsatolásnak (rövidtávú memória) és a szinaptikus súlyok megváltozásának (hosszútávú memória) köszönhetően tárolt információkkal, és az állat igényeinek (kéreg alatti modulációs információk) megfelelő bonyolult döntéseket hozzanak, befolyásolják a jövőt.
A harmadik részben azt a szintlépést vizsgáljuk meg, hogy mi történik akkor, amikor az egyszerű hálózatokat egy magasabb szinten hálózatokba kapcsoljuk. Az agykérgi modulokból alkotott agykéreg területeket összekapcsoljuk egymással és a kéreg alatti területekkel, egy következő szintű hálózatba. Mit tud az agyi metahálózat? Valami olyasmire számítsatok, mintha egyetlen gyakorló hegedűs helyett, egy jól működő zenekart hallgatnánk. Az emergencia csodákra képes.
Szerző: Gulyás Attila