Az örvényféreg meséje II: Hogyan dönt az idegrendszer?

Kód alakban ez így néz ki:

for i:=1 to 4 do begin                       //vegyük az össes oszlopot
  VÁLASZ[i]:=0;
  for j:=1 to 7 do                               //vegyük az összes sort

           //szorozzuk össze az összes ingert a súlyokkal és adjuk hozzá a válaszhoz
    VÁLASZ[i]:=VÁLASZ[i]+INGER[j]*VISELKEDÉS[j,i]; 
end;
MITTEGYÜNK:=0;
for j:=1 to 6 do                                //keressük meg a legerősebb választ
 if VÁLASZ[j]>MITTEGYÜNK then MITTEGYÜNK:=VÁLASZ[j];

Az INGER 7 elemű változó tartalmazza az egyes ingerek 0/1 értékét (jelen vannak-e), a VISELKEDÉS 4x7es táblázata a súlyokat (ez maga a döntést megalapozó táblázatunk). A 4 elemű VÁLASZ változóba kerül az eredmény, ennek a legmagasabb értékét keressük meg és a rekeszének számát tesszük a MITTEGYÜNK változóba. Ennek értékét fogjuk megvalósítani.

Ez a megoldás jelentősen egyszerűbb és átláthatóbb, mint a ki tudja milyen módon hatalmasra növekvő. elágazó, HA-AKKOR (IF-THEN) elemekből álló döntési fa. Igaz, lehet, hogy kicsit lassabb a végrehajtása, mint egy jól megírt döntési fának. De ez gyakran van így a számítástechnikában. Valami lehet gyors, de sok helyet foglal a memóriában, vagy lehet egy kis memória igényű, tömör leírás, de sokáig tart.

Aki gimnáziumban vagy később matek órán hallott már a vektorokról és a mátrixokról (itt most nem a filmről és a belőle készült paródiáról beszélünk), sőt esetleg dolgozott is velük, egyből láthatja, hogy a feladatot ilyen alakban is meg lehet fogalmazni és az egyik legegyszerűbb mátrix művelettel kiértékelni.

A vektorok és mátrixok fogalmát és műveleteik leírását a matematikusok a XIX-XX század fordulóján dolgozták ki a lineáris algebra keretében, ma már sok középiskolában tananyag. Egy m x n es mátrix egy m sorból és n oszlopból álló táblázat. Egy vektor pedig egy egyetlen sorból, vagy oszlopból álló mátrix (táblázat). A köztük levő lehetséges műveletek megfelelő mintázatban végrehajtott szorzások és összeadások. Feladatunk megoldásához a táblázatot, mely egy mátrix, jobbról kell szorozni az inger értékekből alkotott oszlopvektorral. Eredményként az egyes válaszok erősségét kapjuk egy sorvektor alakjában. Ezután már csak meg kell keresni a vektor legnagyobb elemét és azt a viselkedést kell végrehajtani.

S X i = v     (a válasz vektort  (mintázatot) v megkapjuk ha a súly mátrixot S megszorozzuk az inger i vektorral)

Persze míg ez a program készült én szorgalmasan merültem el az agykutatásban, melynek során megismerkedtem az idegsejtek szerkezetével és működésével. Közben az egyetemen, állatszervezettan óráinkon és gyakorlatainkon tanultuk, hogyan alakult ki és fejlődött az idegrendszer a csalánozóktól az emlősökig. Nem volt nehéz összeraknom -amit az elméleti kutatók már évtizedekkel korábban összeraktak (de én még nem olvastam munkáikat), hogy egy egyszerű idegsejthálózat praktikusan a fenti táblázat kiértékelését végzi el.

De hogyan is?

Az idegsejtek működését leíró kötetben megismerkedtünk azzal, hogy az idegsejtekre hogyan érkezik az ingerület, hogyan adódik össze számos bemenet, és hogyan aktiválódik egy sejt. Röviden: egy idegsejt elágazó axonján elektromosan terjedő ingerület minden egyes axonvégtalpnál ingerületátvivő anyagot önt a célsejttel közösen kialakított szinapszisba. Az axont adó sejt típusától függ, hogy milyen átvivőanyag szabadul fel és ez milyen hatást vált ki a célsejt nyúlványán. Serkentő sejt esetében a célsejt aktivitása növekszik és ha ez eléri az aktiválási küszöböt a sejt aktív lesz, axonján továbbadja az ingert. Eddig csak egyszerű reflexet kialakító, sorban egymás után kapcsolt idegsejtekről beszéltünk. Most az a feladatunk, hogy több irányból beérkező ingerek több lehetséges választ váltsanak ki.

Ha mindegyik ingertípushoz egy-egy érzékelő (receptor) sejtet, minden válaszhoz pedig egy-egy mozgató (effektor) sejtet rendelünk, meg is vannak táblázatunk sorai és oszlopai. A táblázat elemei pedig a sejtek között alkotott szinapszisok és ezek erőssége. Minden egyes receptorsejt vízszintesen futó axonja kapcsolatot alkot minden egyes mozgató sejt függőlegesen futó dendritjével. Kész is az első neuronhálózat! Az axonok és dendritek egy rácsháló pontjaiban találkoznak és szinapszisokat alkotnak. Lerajzolva valahogy így néz ki:

Hogyan alakul ki a válasz (döntés) egy ilyen hálózatban? Mi a kiértékelés folyamata? Ugye, az egyszerű reflex esetében a mozgató sejt egyetlen bemenetet kapott, amit a beérkező szinapszison keresztül aktivált az érzékelő sejt. Ebben az esetben minden egyes mozgató sejt 7 eltérő erősségű serkentő szinapszist kap a 7 érzéksejttől. Az egyes szinapszisok által kiváltott jelek (áramok) összeadódnak (előjelesen) és ez lesz az adott mozgató sejt ingerületi állapota. Ugye 4 lehetséges mozgató idegsejtünk van, mindegyik 7 bemenettel, azaz 28 szinapszis van a hálózatban, amennyi elem a táblázatban.

A fenti inger mintázatra tehát a mozgató sejtek közül a Menekülés aktiválódott a legjobban. De mi van a többi mozgató sejt aktivitásával? Egyszerre nem lehet többfajta viselkedést kivitelezni, mert baj lesz belőle (nem tudunk egyszerre sétálni és úszni), azaz egyszerre csak egy sejt lehet aktív. Matematikailag vagy programozással könnyű kivitelezni azt a feladatot, hogy keressük meg a legaktívabb elemet és az lesz a válasz. Szerencsére az idegsejtek is könnyen végre tudják hajtani ezt a műveletet. Az idegrendszer működésének vizsgálói igen korán leírták a szomszéd-gátlás (lateral inhibition) jelenségét. Már Descartes és kortársai felfigyeltek az idegrendszeri gátló folyamatokra, de pontosabban Ernst Mach írta le a látórendszer esetében, hogy ha egy agyterület működésbe lép, általában gátolja a közelében lévő területeket. Ideghálózataink ezt úgy oldották meg, hogy az evolúció során kialakultak olyan idegsejtek, gátlósejtek, amely csökkentik, gátolják a körülöttük levő sejtek aktivitását. Hatásukat a fenti táblázatba negatív előjellel építenénk be.

A legaktívabb sejt kiválasztására alkalmas hálózathoz hozzá kell még tennünk még egy gátlósejtet amelyik mindegyik sejttől megkapja a bemenetet és így érzékeli a kimenet erősségét. A gátlósejt mindegyik serkentő sejtet ugyanannyival gátolja.

Így csak a legaktívabb aktivitása marad meg.  csak a legerősebben hajtott sejt esetében marad pozitív a serkentés értéke. Azaz, eléri az jelkibocsájtás küszöbét és kiváltja a megfelelő mozgást.Voila!!!: Csak néhány megfelelően elrendezett idegsejt és viszonylag bonyolult döntéseket is képes megoldani egy élőlény. Ez a második lépés az idegrendszer kialakulásában. Követi az első lépést, az ingerek érzékelésére, vezetésére és az izmok mozgatására alkalmas egyszerű reflexek kialakulását. Eddig csak gépszerűen reflexesen válaszolt az idegrendszer, most már egyszerű döntést is tud hozni.

A fejlődésbiológusok kedvenc modellállata egy apró fonálféreg a Coenorhabditis elegans. Kis helyen elfér, nem kér sokat enni, és mivel nagyon rövid idő alatt ivarérett, rengeteg generációja fejlődik rövid idő alatt. Nagy előnye még hogy átlátszó. Így a fejlődésbiológusok az élő, fejlődő állat összes sejtjét meg tudják figyelni. A kutatók arra a megrázó megállapításra jutottak, hogy gyakorlatilag minden egyed 959 sejtből áll (Anon, 2022), ebből meglepően sok: 302 idegsejt (Hobert, 2018). A 302 idegsejt minden egyedben ugyanazokat a kapcsolatokat alkotja, és az állatkák ugyanazokat a viselkedési mintákat mutatják. Nem véletlen, hiszen a hálózat működését leíró táblázat elemeinek erősségét a természetes kiválasztódás genetikusan meghatározza. A férgecskék hasonló helyzetekben hasonlóan döntenek, viselkednek, hiszen őseiknek ez a megoldás vált be. A nem ritkán előforduló mutáns egyedekben hiányozhatnak egyes idegsejtek vagy kapcsolatok és emiatt megváltozik viselkedésük. Segítségükkel a kutatók feltérképezték, hogy az egyes sejtek milyen viselkedésekben játszanak szerepet.

A fonálféreg emutatja, hogy egy évmilliók alatt jól hangolt, bár merev idegsejthálózat, remekül tud egy ösztönös viselkedésmintázatot végrehajtani abban a környezetben, amiben kialakult. Azonban minden helyzetben ugyanúgy dönt, viselkedése merev. A merev válaszok, ösztönök nem tudnak alkalmazkodni a körülmények változásához. Ez felvet egy komoly problémát: Hogyan lehet alkalmazkodni?

Hogy ezt a problémát hogyan oldotta meg az idegrendszer azt majd a harmadik mese kutyája és Pavlov mutatja majd be egy későbbi bejegyzésben. De előtte még terítékre kerül a párhuzamos és soros feldolgozás problematikájának megbeszélése, mert ennek a két fogalomnak a viszonya nagyon fontos lesz a tudatos gondolkodás kialakulásában!

Szerző: Gulyás Attila