SzürkeÁllomány.Agyséta

Az előzőekben a hasított agyú betegek jobb és bal féltekéjénak különbözőségeit mutattuk be.

De egészséges, mindennapi esetben a két félteke együttműködik, kiegészítik egymás szakértelmét. A két agyfélteke között a kérgestest (corpus callosum) biztosítja a kommunikációt, lehetővé téve az információk folyamatos áramlását. Ennek köszönhető, hogy például a nyelvi központ (bal félteke) együttműködik a beszédhangok érzelmi árnyalatait érzékelő jobb féltekével.

Nem hagyhatjuk oda a homloklebeny tárgyalását anélkül, hogy a bal-jobb agyféltekei különbségekről ne beszélnénk.
Miközben a homloklebeny viselt dolgai után kutattam, cikkeket és könyveket olvasva, forgattam egy másik könyvet is: Ed Young, Pulitzer díjas tudománynépszerűsítő könyvét, melynek címe „An Immense World”, azaz, Hatalmas világ.

Nézzük meg a fenti 3 tengely alapján működésében szakosodott homloklebeny területek mit csinálnak?

Alant vegyük át kicsit részletesebben a homloklebeny, a prefrontális cortex (PFC) anatómiáját és felosztását, mert egyes területei más-más feladatok ellátására specializálódtak

A harmadiknak tárgyalásra kerülő multimodális asszociációs terület, a homloklebeny, agyunk legújabb szerzeménye, mint tárgyaltuk az egyre absztraktabb mozgástervezést végző mozgató kérgekből, azoktól előre fele fejődött. Alapvető jelentőségű új, elsősorban az emberre jellemző képességeket adott nekünk.

Ezidáig az érzékelésről, az ingerfeldolgozásról beszéltünk. A fent vázolt lépéseken (elsődleges, másodlagos modális, multimodális asszociációs kérgek) keresztül dolgozódnak fel a külvilág információi, az agy bemenetei. De az agyi feldolgozásnak ugye van egy másik ága is, a válasz, a mozgatás, tervezés, és gondolkodás ága, az agy kimenete.

Azzal fejeztük be, hogy az amigdala érzelmeket rendel a helyzetekhez és ezzel segíti túlélésünket. Fontos például a félelmi kondícionálában, amikor megtanuljuk azt, hogy tartsunk egy helyszíntől, történéstől.

Az amigdala, hasonlóan a hippokampuszhoz, az előagy egyik legősibb rendszerének a szaglás köré telepedett és az érzelmeket feldolgozó limbikus rendszernek a része. Fontos a döntésekben és emocionális reakciókban. Kettőjük összjátékában az amigdala adja az érzelmi töltést (félelem, jutalom), a hippokampusz a kontextust, a helyzetet (hol, mikor, hogyan).

Ott tartottunk, hogy a hippokampusz jeleket kap arról mi a fontos, mi kerüljön a memóriába.

A hippokampusz történetesen a mediális szeptum nevezetű agyterülettől kap híreket arról, hogy most történt valami fontos, most kell tanulni. Erről a területről egy összetett pályarendszer érkezik a hippokampuszba. A rostok egy része GABA, a gátló transzmitter segítségével gátlás alá helyezi a hippokampusz gátlósejtjeit. Ezáltal, a gátlás gátlásával megnöveli a serkentő sejtek aktivitását, akik időben sűrítve, többször is visszajátsszák a közelmúlt fontos történéseit, hogy azok mintázatai (középtávú) memóriaként rögzüljenek az agy különböző területein (lásd előző bejegyzés).

A hippokampusz a modern előagy egyik legősibb része, a limbikus rendszerhez tartozik. Az agykéreg fejlődésének egy egyszerű állapotát őrizte meg. Mindennek ellenére agyunk egyik legfontosabb területe.

Hosszú szünet után újra indul az agyséta. A harmadik szerveződési szint, az agyi területek kapcsolatának bemutatásához nekem is el kellett olvasnom egy csomó könyvet, ehhez idő kellett.

Megtudtuk ugye, hogy az egyes érzékszervekből érkező ingerek feldolgozása számos lépcsőben történik. Az elsődleges és másodlagos modális kérgekből az információk egy idő után elkezdenek keveredni egymással, hogy az érzékszervek kisegítsék egymást.

A látórendszernél megismertük, hogy a tarkólebenyen leghátul elhelyezkedő, nagyméretű elsődleges látókéreg előtt (V1) számtalan specializált látó terület keletkezett (V2, stb.), melyek a látás értelmezésének különböző feladatait látják el.

Ez egy rendszeresen visszatérő kérdés gimnazistáktól, nyilván, mert nagyon húsbavágó probléma. A hír rossz: Nincs csodálatos bogyó vagy üdvmódszerrendszer. Dolgozni kell. De azért, ha néhány dolgot megfogadtok az alantiakból sokat segít.

Zanzásítva:

• Megfelelő módon kell tanulni,
• Aludni kell rá
• Ismételni kell és aktívan előhívni

Az előző bejegyzésben a látásfeldolgozás egymásra épülő lépéseit és elágazásait mutattuk be. Hasonló lépcsőkben zajlik a többi érzékszerv (modalitás) feldolgozása az elsődleges és másodlagos (unimodális asszociációs) területeken.

De nyilván mindenki belátja, hogy hasznos, ha érzékszerveink segítik egymást, pl. a látásunkat támogatja tapintásunk vagy hallásunk. Az agy is így cselekszik, léteznek olyan agykérgi területek (multimodális asszociációs területek), ahova több érzékszervből (modalitásból) futnak be magasan feldolgozott jelek melyek összefonódnak egymással, asszociálódnak. Pl- egy nagyothalló embernek sokat segít a szájról olvasás, egy gyengén látónak a hallás és a tapintás.

Kezdjük egy makákóval (óvatosan, meglehetősen erős, okos és vad főemlősök). Pontosabban a látórendszerében található anatómiailag és működésileg összekapcsolódó területek tulajdonságaival és kapcsolódási hierarchiájával.

Sétánk a főemlősök látórendszerének bemutatásán keresztül szemléltet majd számos fontos agykéreg szerveződési alapelvet.

A megígért makákó előtt még egy kis elméleties kitérő.

Mielőtt továbbmegyünk az #agysétával, üssük bele az orrunkat egy kicsit a manapság igen népszerű és sok mély belátásra vezető hálózatelméletbe, mely Barabási-Albert László munkássága kapcsán került a mindennapi nyelvezetbe. A hálózatelmélet a matematika egyik ágának a gráfelméletnek a része.

Sétánk során elértünk a harmadik szerveződési szintre. Az első részben megismertük egy idegsejt részeit, hogyan alakulnak ki raja az elektromos jelek, hogyan terjednek és hogyan összegzi a sejt azokat. Megtudtuk mi a kémiai átvivő és moduláló molekulák szerepe. Néhány idegsejt összekapcsolásával a legegyszerűbb idegrendszerek már képesek egyszerű reflexek kivitelezére, egy egyszerű ingerre, egy egyszerű ösztönös, merev választ adnak.

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.

Alaposan bemutattuk az agykéreg szerkezetét, rétegeit, információ áramlását, illetve, hogy miért van szükség a gátlósejtekre. Többször szerepelt a visszacsatolás kifejezés: „az agykérgi rétegek és sejtek kölcsönös, visszacsatolt kapcsolatokat alkotnak”, „a serkentő sejtek visszacsatolt kapcsolatai miatt a hálózatok túlaktiválódhatnak és az epilepszia elkerülésére aktivitásuk szabályozására az agykéregben számos gátlósejt csoport jelent meg”, „a visszacsatolt gátlás hatékonyan tartja szinten az idegsejthálózatok aktivitását”, stb.
Ez egy annyira fontos hálózati elem, hogy ebben a bejegyzésben alaposan körüljárjuk. Egy nagyon fontos hálózati tulajdonság, a magasabb rendű idegrendszerek működéséhez szükséges egyik alapelem.

Aki átugrotta az előző bejegyzést, melyben alaposan cikornyáztuk az idegsejtek jelfeldolgozását annak legyen annyi elég, hogy a sejthártyában, az alapvető jeltovábbító és jelintegráló feladatokat ellátó alap Na+, K+, Cl- és Ca2+ csatornákon kívül számtalan, sejttípusokra jellemző, finomabb működést lehetővé tevő csatorna található, melyeket különböző állapotokba kapcsolva megváltoznak a sejtek jelfeldolgozó tulajdonságai és ezáltal a sejtekből alkotott hálózatok számos feldolgozási módba kapcsolhatnak.

Az előző bejegyzésben bemutatott új szereplők, a további ioncsatornák, a jelterjedésre két ellentétes irányban hathatnak. Amennyiben a serkentés (depolarizáció) hatására további Ca2+ és Na+ csatornák nyílnak meg, akkor ezek felerősítik a serkentés hatását. A beérkező jelek a terjedés során felerősödnek, hatékonyabban aktiválják a sejtet.

Rossz hírem van. Eljutottunk arra a szintre, ahol a továbbiakhoz a leegyszerűsített idegsejt modell már elégtelen. Egy valós idegsejt összetettsége úgy viszonyul az eddig bemutatottakhoz, mint egy bicikli egy önvezető autóhoz. Az alapelveket a bicikli szépen bemutatja; hogyan kell elindulni, kanyarodni megállni, azaz hasznos jószág, de nem tud egy családot messzire, gyorsan, magától elvinni. Aki fáradtnak érzi magát átugorhatja ezt a részt, nem feltétlenül szükséges, bár jól jön, a továbbiak megértéséhez.

A gátlás másik változója, hogy a gátlósejt axonfelhője (az axon végtalpak és az általuk alkotott szinapszisok) a célsejtek (az esetek 90%-ban serkentő sejtek) mely részeit fedi le, azaz a jelintegráció melyik lépésébe szól bele a gátlás. Kezdjük a jeláramlás irányának elején, a dendriteken.

Túl egy nyári pihenésen és egy halott számítógépen és az ezt követő újra-telepítés gyötrelmein, folytatjuk az #agysétát, az agykérgi működés stabilitásának beállításába fontos gátlósejtek viselt dolgainak bemutatásával.

Az első funkcionálisan fontos szempont, ami szerint a gátlásokat csoportosítjuk, az, hogy honnan érkezik a gátlósejtektre a bemenet.  Egy másik hálózatból vagy a helyi hálózatból, ezek szerint a gátlás lehet előrecsatolt vagy visszacsatolt. Az agyban nem minden területen van szükség kifinomult előre és visszacsatolt gátlásokra, ugyanis számos agyi területen (főleg a kéreg alatti területeken) csak előrecsatolt serkentő (esetleg gátló vagy moduláló) kapcsolatok vannak, hiányoznak a visszacsatolt serkentő körök, melyekben veszélyes szintre emelkedhetne az aktivitás. Emiatt, gátlás nélkül is megbízható ezen területek működése. Az agykéreg működéséhez azonban elengedhetetlenek a masszív serkentő-serkentő sejt kapcsolatrendszerek, hiszen ezekben a kapcsolatokban tárolódik a memória, és a körkörös kapcsolatok eredménye a feldolgozás, a gondolkodás.

Annak bemutatásához, hogy milyen módokon szabályozzák a gátlósejtek a serkentő sejtek működését, és ezáltal az agykérgi hálózatok stabilitását, ismételjük át gyorsan hogyan is történik az idegsejteken a jelintegráció (alapjaiban ez minden sejttípuson hasonló), azaz, hogyan lesz a sejtekre érkező serkentő és gátló szinaptikus áramok kölcsönhatásából (bemenő jelekből) akciós potenciál (kimenő jel).

Eddig főleg a serkentő kapcsolatrendszerekről volt szó, hiszen a serkentő sejtek aktivitásmintázata kódolja az információt, kapcsolataikban tárolódik a memória. Egy kicsit meg kell világosítani miért van szükség gátlósejtekre, mi a szerepük.

Említettem fentebb, hogy egy csak serkentő elemekből álló, ráadásul erősen visszacsatolt rendszer egy igen veszélyes rendszer. Nehéz olyan aktivitási szintet beállítani, hogy az aktivitás a visszacsatolás hatására ne nőljön exponenciálisan a végtelenségig.

Az információ áramlás fent részletesett irányaiból, az ősibb kéregterületek (archikortex: hippokampusz) szerkezetéből és a kérgi rétegek everzióval való fejlődésének tényéből, ki lehet bogarászni hogyan bonyolódott az evolúció során az agykéreg. Itt megint egy figyelmeztetéssek kell hogy éljek: egy kicsit spekulatív rész következik, de ha ezt észben tartjuk a spekuláció megengedhető.

Az egyes rétegek külső kapcsolatrendszere után nézzük meg hogyan is áramlanak a jelek egy agykérgi modulban, ezzel egy kicsit az agykéregfejlődés evolúciós lépéseit is visszajátszhatjuk.

Az agykéreg azért képes bonyolult feladatok rugalmas megoldására, mert számos egyedi feladat elvégzésére képes területből áll, melyek a feladat függvényében képesek kölcsönhatni. Mint azt Brodman megfigyelte, az egyes területek belső felépítése kicsit eltér, agykérgi oszlopaik szerkezete a tipikus oszlopmodell finom változatait tartalmazza, melynek eredményeként máshogy integrálják a többi agykérgi és kéreg alatti területről érkező jeleket. Az eredményt pedig, a feldolgozási láncban elfoglalt helyük szerint továbbítják más (alacsonyabb vagy magasabb) agykérgi, valamint kéreg alatti területek felé.

Most, hogy tudjuk hogyan alakult ki az agykéreg és hogyan fejlődik embrionálisan, nézzük meg finomszerkezete milyen alapelvek alapján szerveződik.
A lényeg a két agyfélteke felszínét borító a szürke állományban van, hiszen ott találhatók az idegsejtek és ott zajlik az információ feldolgozása. A szürke állomány (fajtól függően) 1-3 mm vastag és köbmilliméterenként 15-150 ezer idegsejt található. Az ember szürke állománya vastagabb, és az egérnél jelentősen kevesebb, de sokkal kiterjedtebb kapcsolatrendszerrel rendelkező idegsejtet tartalmaz ugyanakkora térfogatban. A szürke állomány alatt található fehérállományban az idegsejtekről eredő, a különböző részfeladatokat megoldó agyterületek között információt továbbító axonkötegek futnak. A fehérállomány az agy kábelkötegeit szigetelő mielinhüvelytől fehér és az agy tényleges térfogatának tetemes részét teszi ki.

Az agykéreg fejlődése, embriológiája

Az első idegrendszeri sejtek, melyek az agyhólyagok falának belső és külső felszínét kötik össze egymással a radiális gliasejtek. Ők az ácsok, akik az agy állványzatát létrehozzák. A radiális latinul sugár-irányút jelent, ez utal arra, hogy ezek a sejtek a hólyag felszínére merőlegesen nyúlnak meg, a középponttól kifelé. Ahogy a hólyag fala idegrendszerré vastagodik, a radiális gliasejtek egyre jobban megnyúlnak és folyamatosan osztódnak (dagad a kürtőskalács). Egy idő után a radiális gliasejtek úgy osztódnak, hogy egyik leánysejtjük megmarad radiális gliasejtnek, másikukból pedig különböző idegrendszeri sejteket kialakító progenitor (előd) sejtek lesznek.

Az alapozásnál megbeszéltük, hogy agyunk két szerveződési alapelveiben és funkciójában eltérő részre oszlik. Az ősi, életfontosságú funkciókban meghatározó, merev, egyedi szerkezetű kéreg alatti területekre (nyúltagy, középagy, és az előagy bizonyos részei), valamint a modern, emlősökben hatalmasra nőtt, moduláris, általános feladatok megoldására és tanulásra képes rugalmas agykéregre.
A továbbhaladáshoz szükséges, hogy elmerüljünk az agykéreg szerkezetének felépítésében, mert ez később szükséges lesz az agyműködés finomságainak és a tudatosság kialakulásának megértéséhez.

És akkor ismételjük át a második agyfejlődési programot a tanulást, hiszen korábban bőven beszéltünk róla.
A tanulás szabálya (Hebb- szabály) azt állítja, hogy ha két idegrendszeri elem egyidejűleg aktív, akkor közöttük a kapcsolat erősödik. Praktikusan, ha egy axon kisül és közben (időben közel) a cél idegsejt is kisül, mert a rá érkező ingerek kellően erősek voltak (azaz részt vesz a reprezentációban), akkor közöttük szinapszis alakul ki, vagy ha már volt megerősödik. És ami fontos, ahol nem alakul ki kapcsolat, ott a korai fejlődés során elhalnak az axonok, sőt azok az idegsejtek is elpusztulnak, amelyeknek nem sikerült elegendő működő bemenetet begyűjteniük, azaz nem vesznek részt reprezentációban.

Mielőtt továbblépünk a szinaptikus kapcsolatrendszerek kialakulásának programjára, egy fontos folyamatot meg kell még említeni, mert szükség lesz rá a továbbiakban. Az alanti ábra a szinapszisok számát mutatja a fejlődő agyban. Az ábrán nincs rajta, de az idegsejtek száma is hasonlóan változik (bár korábban kezd nőni mint a szinapszisszám). Az embrionális fejlődés során az idegsejtek, majd ezt követve a szinapszisok száma is meredeken növekszik. Születés előtt a legmagasabb, majd a kamasz korig először gyorsan majd lassabban csökken. Kamasz kor után az idegsejtek száma egészséges esetben nem változik, de a szinapszisok száma lassan csökken. Az ábra azt is mutatja, hogy az autizmusban és a skizofréniában a számok változása jellegzetesen eltér, illetve, hogy Alzheimer kórban erősen csökkenni kezd a szinapszisszám (zöld egészséges, sárga Alzheimeres eset). Tehát először számfeletti idegsejtünk és szinapszisunk alakul ki, hogy a fejlődési programnak legyen miből vágnia. Ezt a sejtpusztulási időszakot az előző bejegyzés második ábráján az Apoptózis (programozott sejthalál) periódusa jelzi.

Az agyfejlődés bizonyos elemeiről már beszéltünk korábban. Az agyfejlőd kettő, eltérő program alapján futó fázisra osztható:
1) az idegrendszer felépülése, az agy anatómiai fejlődése a genetikai program alapján, mely felhasználja a test többi részéből érkező kémiai és szomszédsági információkat. Ez elsősorban az embrióban és a magzatban zajlik, de emberben kamaszkorig eltart.
2) a szinaptikus kapcsolatok érése, a tanulás, mely a fejlődő idegrendszer által létrehozott jelek és a külvilágból érkező információ alapján, a Hebb szabályt felhasználva alakítja ki a szinapszisok erősségét, és tünteti el a felesleges kapcsolatokat. Ezek a folyamatok születés után indulnak be igazán és életünk végéig tartanak. A legnagyobb átalakulás kisgyermek és kamaszkorban történik.

Elő a túracipőt, folytatódik az agyséta!

A jelenség, ahogy a látórendszer nagyon egyszerű szabályok alapján felépíti magát a környezetből származó, megbízható ingerek alapján (lásd A macskakölyök meséjét) általános a biológiában. De egy bonyolult szervezetet nem is lehetne másképp előállítani. Az emberi DNSben 3 milliárd bázispár van, ennek információ tartalma bitben számolva 6x10⁹. Ha ezt összehasonlítjuk az emberi agyban található szinapszisok számával, ami 10¹⁵, akkor az a teljesen valószínűtlen szám jön ki, hogy egyetlen bit genetikai információ kb. 1 millió szinapszis felépítését kódolná.

„No de hát az örvényféreg esetében a gyors, párhuzamos megoldást végül is sikeresen leprogramoztuk soros feldolgozáson alapuló számítógépes nyelven!” – mondja a gyors észjárású kötekedő. Igen, ez a harmadik fontos gondolat: a soros és a párhuzamos megoldás átalakítható egymásba. Egy soros feldolgozás megvalósulhat egy párhuzamos rendszeren és fordítva. Agyunk ezt a megoldást használja is majd a logikus, tudatos gondolkozás létrehozásához.

Most, hogy átvettük a kétrétegű és a visszacsatolt idegsejt hálózatok működését, tanulási szabályait és hogy mikre képesek, meg kell alapoznunk néhány fontos gondolatot, mert a továbbiakban többször előbukkannak majd és a séta végére, a tudatosság kialakulásának megértésénél szükségünk lesz rájuk.
Az első gondolat, amire fentebb láthattunk példát, hogy egy feladatot többféle, akár teljesen eltérő alapelveken nyugvó módon is megoldhatunk, megoldhat az idegrendszer. Feladata válogatja, hogy melyik esetben melyik megközelítés a hatékonyabb.
A másik, konkrétabb gondolat, hogy a megoldásnak van egy soros és párhuzamos módja.

A Konnekcionizmus második felvirágzását McClelland és Rumelhart 1986-os könyve alapján PDP-nek, Parallel Distributed Processing-nek hívják, ami magyarul annyit tesz Párhuzamos, Elosztott Feldolgozás. Ők itt az idegsejtek és hálózatok matematikai leírást finomították, megjelentek a többrétegű hálózatok, amelyekben a bemeneti és a kimeneti réteg között rejtett (hidden) rétegek is voltak. Illetve rájöttek arra, hogy egy modell idegsejt hálózat jobban működik, ha az idegsejtek küszöbfüggvénye nem lineáris, hanem szigmoid. Ez magyarra fordítva azt jelenti, hogy a sejt kimenete nem egyszerűen a bemenet összegével arányos, hanem a küszöbérték körül jelentősen megnő a kimenet erőssége. Ebbe most ne menjünk bele miért működik a lényeg az, hogy sokat használ.

A második évadnak ez a legfontosabb fejezete. Mielőtt beleássuk magunkat egy nagyon valós idegsejthálózat, az agykérgi modul működésébe, összeszedjük mit tudtunk meg az egyszerű idegsejthálózatkról az eddigi mesékben.

A bejegyzésben azt járjuk körül, hogy az a tény, hogy az agyi idegsejthálózatokban rengeteg helyen figyeltek meg visszacsatolásokat hogyan járult hozzá, a percepció, az érzékelés régi modelljének gyökeres átalakításához.
A bejegyzés egy nagy előreugrás az #agyséta szerveződési szintekre épülő logikájában, de az #agykérdések rovatban hamarosan megjelenő bejegyzések megalapozásához szükség van a belső modelleken alapuló percepció modell bemutatására.

A kutya, a tengeri nyúl és a csikóhal meséi arról szóltak, hogyan tanul egyetlen idegsejt és ezáltal az idegrendszer hogyan képes egyszerű, változó környezetben is megfelelően működő válaszokat mutatni. A mátrix memória példáján bemutattuk az asszociatív tanuló hálózatok képességeit. Röviden átvettük mi az a receptív mező és a populációs kód. Ebben a mesében, a macskakölyök meséjében, azt folyamatot járjuk körül, hogy hogyan alakul ki az agyi idegsejtek működő hálózata és egy ilyen hálózat mire képes.

Ebben a bejegyzésben kicsit megerősítjük a korábban mondottakat, hogy a következő mesére, a Kismacska meséjére fel tudjunk készülni. Azért van erre szükség, hogy a reprezentáció és a receptív mező fogalmakat a továbbiakban bátran használhassuk. Nem kell megijedni, már több alkalommal is kerülgettük őket.

Idáig azt tanultuk az asszociatív mátrixokról (vagy a nekik megfelelő két rétegű, két bemenetű idegsejt hálózatokról), hogy képesek két rájuk érkező mintázatot társítani, ezáltal az egyikkel előhívható a másik. A hálózatoknak nem kell keresgélniük, a megfelelő kérdésre a megfelelő választ adják, azaz tartalom címzett memóriák (content addressable memory). Amit még tanultunk, hogy a mintázat párokban kevés aktív elemnek kell lennie, különben a mátrix néhány tanulás után telítődik és hibás válaszokat ad.

Az örvényféregnél megtanultuk, hogyan képes egy egyszerű hálózat a szinaptikus súlyokban (táblázat=súlymátrix) hordozott memóriája segítségével dönteni. A kutyánál, majd a tengeri nyúlnál és a csikóhalnál megtanultuk hogyan tanulnak az idegsejtek. Most úgy csinálunk, mint a barkácsoló evolúció és megtöltjük az idegsejt hálózatokat tanulós szinapszisokkal, majd megnézzük mi történik.

Mi is történt a Lømo és Bliss kísérletben? Egy, a memória kialakulásában fontos szerepet játszó agyterületből, a hippokampuszból vágtak ki a kutatók egy szeletet patkány agyából. Ezt a kb. fél milliméter vastag és 4x4 milliméter méretű szeletet egy apró kis kamrában, a megfelelő hőmérséklet, oxigéntartalom és tápanyagellátás biztosításával közel fél napig életben lehet tartani. Az idegsejtek továbbra is ketyegnek és beszélgetnek egymással és az agyszeletben megközelíthetők finom hegyű üvegelektródákkal, hogy elektromos aktivitásuk követhető legyen.

A tanulás mechanizmusának egyik első modell állata az Aplysia nevű házatlan tengeri csiga (magyarul tengeri nyúl) volt. Az Aplysia a testén kívül lebegteti igen érzékeny kopoltyúit és szívócsövét, melyekre nagyon kell vigyáznia. Ha megzavarják visszarántja ezeket testébe, hogy megvédje életfontosságú szerveit. 

Az "Örvényféreg meséjének" második bejegyzésében láttuk, hogy egy hálózatba genetikusan rögzült szinaptikus súlyok hogyan képesek viszonylag bonyolult helyzetekben is megfelelő, „ösztönös” válaszokkal reagálni a környezet kihívására.
Az élőlények egyik alapreflexe a visszahúzódási reflex, ha valamilyen káros, és ezért fájdalmasnak érzékelt inger ér egy élőlényt, akkor visszahúzódik, vagy visszahúzza csápját, tapogatóját, végtagját, amelyikkel az ingert érzékelte. Ez igen gyors reakció, hiszen csak egy érzéksejt és egy mozgatósejt elég hozzá.

Láttuk, hogy egy sokelemű döntést úgy tűnik egyszerűbb egy inger-válasz táblázattal leírni, mint a számítógépek sorokból álló kódjával.
A táblázatot használva egyszerű számolással kiszámolható, hogy adott esetben hogyan is kell viselkedni. A feladat jól programozható, a kitöltött döntési tábla és az aktuális ingermintázat alapján. Össze kell adni oszloponként a soronként érkező ingerek értékével beszorzott válasz-erősség elemek értékeit, majd a legnagyobb értékű viselkedést kell végrehajtani.

Az első évadban megismerkedtünk a természetes szelekció darwini mechanizmusával, mely lehetővé teszi bonyolult biológiai szerkezetek kialakulását, a szerveződési szintek és az emergencia fogalmával, mely segít megérteni, hogyan épülnek fel bonyolult összetett rendszerek, valamint a homeosztázis fogalmával, melynek kapcsán megismerkedtünk azzal, hogy az egyre bonyolódó idegrendszerek milyen módon képesek segíteni az állatok túlélését a reflex, a döntés, a modell és gondolkodás képességével.

Sok kérdést tettünk fel az előző bejegyzésben és nyilván sokat nem. Néhányat most körbejárunk.

Lehet-e tudatos egy AGI?
Agykutatóként számomra a legfontosabb kérdés: Egy megfelelően beágyazott AGI tudatos lesz-e vagy nem?

Az utolsó két fogalom boncolgató bejegyzésben a természetes (natural=NI) és mesterséges (artficial=AI) intelligencia, valamint a tudattal kapcsolatos fogalmak viszonyát járjuk körül, belecsúszva a képzett találgatás és a filozófia határmezsgyéjébe.
A természetest és a mesterségest kb. értjük, de eddig nem tárgyaltuk, hogy mi is az intelligencia?

Emlékeztetőnek a két szókupac, amit meg kell magyarázni és össze kell kapcsolni. Csak finoman kössetek belém, mert nem filozófus, hanem neurobiológus vagyok.
Angol kupac: brain, mind, consciousness, self conscious, aware(ness), alert(ness), awake(ness), attention, intelligence
Magyar kupac: agy, elme, tudat, éntudat, tudatosság, éber(ség), ébrenléti szint, figyelem, intelligencia

Az évadnyitóban említettem, hogy az  #agysétán ezentúl időnként előretekintünk. A jelen és a következő bejegyzés inkább egy hőlégballonos felszállás, ahonnan rátekinthetünk a terepre és megtanulhatjuk a hegyek-völgyek neveit. Általános, fontos fogalmakat tisztázunk, melyekbe már magyarul is angolul is beleszaladhatott, akit érdekel az agyműködés vagy a másik oldalról nézve a pszichológia. A harmadik és negyedik bejegyzés, ahol a természetes és mesterséges intelligencia kérdéseit érintjük, kevésbé kemény tényeken alapuló tudomány, mint vélemény és filozofálgatás.

Kedves Olvasók!
A nyári szünet után folytatjuk! Az #agyséta szál az agy legalsó szerveződési szintjén kezdett el építkezni, megmutatta azt, hogy a fehérjemolekulák, sejthártyák és ionmozgások összjátékából hogyan alakul ki a jeleket integráló idegsejtek működése és szintje.

Ahhoz, hogy megérthessük a nem-szinaptikus jelátvitel miért fontos a jelfeldolgozásban, el kell engednünk még egy egész csordára való bestiát, mégpedig beszélnünk kell néhány további átvivőanyagról, amiket az idegrendszer bonyolódása bejegyzésben említettünk, a sejthártyában található különböző receptorok és ioncsatornák családjairól, ezek kölcsönhatásáról és a sejtek működésének hangolásában betöltött szerepükről.

Elfeledkeztem az igért bestiákról, azaz az idegsejtek alap, jelfeldolgozó ingerületátvitelen túli modulációjáról és kommunikációjáról. No ez a bejegyzés lesz a bestiárium. Az ókorban és a középkorban az emberek jelentős része járóföldnél messzebb nem hagyta el szülőhelyét. És ahogy a mondás mondja: „messziről jött ember azt mond, amit akar”. A távoli földekről érkező kereskedők hajósok mindenféle furcsa dolgokról meséltek. Az ilyen furcsa lényeket összegyűjtő leírásokat hívták bestiáriumoknak.

„És mi van a kisaggyal?” - hördül fel az agy anatómiájában járatos olvasó. Valóban, ne feledkezzünk meg erről a sok idegtudós által mellőzött, az agy többi részétől elkülönülő agyterületről sem, bár szigorú értelemben nem érintjük sétánk során, mert a tudatos agyműködés kialakításában csak járulékos (bár fontos) szerepe van.

Ha mikroszkóppal vizsgáljuk az agykéreg és a kéreg alatti területek szerkezetét, alapvető különbségeket látni. A kéreg alatti területek számtalan sejtcsoportosulásból, idegi magvakból állnak, melyek a magokra jellemző összetételben tartalmazzák sokféle sejt keverékét, a magra jellemző összeköttetési mintázatban. Az egyes területek sejtjei gyakran egyedi kémiai ingerületátvivő anyagot (transzmitter) vagy azok keverékét használják kommunikációjukban. Ezek egyrésze lassú, más sejtek viselkedését hosszabb távon áthangoló hatású. Némelyikük, mint például a noradrenalin vagy a hisztamin, itt, a központi idegrendszerben szinapszisok útján, mint transzmitter működik, de a szervezetben a vérkeringésbe is felszabaduló hormonként is hat.

Az agykéreg és a kéreg alatti területek számos vonásukban jelentősen eltérnek egymástól. Először is a kéreg alatti területek ősiek, az idegrendszer evolúciójának korai fázisában megjelennek (540 millió éve) és mivel egy élőlény idegrendszerének elsősorban a túlélés alapvető mechanizmusainak biztosítása - nem pedig Shakespeare műveinek méltányolása - a feladata, alapvető szerepük van az életben maradásban. Ezekben a struktúrákban található a légzés, vérkeringés, testhőmérséklet, víz és ionháztartás, anyagcsere és egyéb alapvető életfunkciók szabályozása. Összefoglalóan, a szervezet homeosztázisáért, belső egyensúlyáért felelősek. Ezen területek sérülésekor a beteg nem kómába esik, hanem nagy valószínűséggel meghal.

Az #agysétában eddig láttuk hogyan működnek az egyszerű idegsejtek és milyen kölcsönhatásokba lépnek. A hamarosan utunk második részének vágunk neki, a hálózatok tulajdonságait fogjuk megismerni. De előbb másszunk fel egy közeli sziklára, és egy minisorozatban nagyvonalakban ismerkedjünk meg az előttünk álló tereppel. Hogyan is néz ki egy emlős agy? Milyen részei vannak és ezek hogyan hatnak kölcsön?

Ez a bejegyzés egy átkötés az #agyséta és egy elinduló új rovat, a #AI között. Kezdjük egy AI által írt verssel, mely a gliasejtekről szól:

A tudat mélyén, kezdődik a misztikus tánc,
Neuronok és glia egyesül, belül kötelékbe font.
A nehéz metál erejével elmesélem ezt a történetet,
Rejtett titkokat felfedve, ahogy legyőzik és diadalmaskodnak.

A neuronok mennydörögnek, mint a mennydörgés,
Az agy követei, üzenetek, hatalmas és korlátlan.
Hálózatok kereszteződnek, összefogva az erőben,
Információkat közvetítenek, repülő emlékeket szülnek.

Láttuk tehát, hogy az idegrendszer bonyolódása során a neuronok mellett megjelentek a különböző típusú gliasejtek, mivel szükség volt a versenyló igényű idegsejtek támogatására. De mik is azok a feladatok, amelyeket a gliasejtek ellátnak.

Ez az a pont, ahol az agy és az immunrendszer bonyolult kapcsolatát be kell mutatni. A két rendszer a test két legösszetettebb hálózatát alkotja. Az emlősök evolúciója során az idegrendszer és az immunrendszer felépítésében szerepet játszó gének száma nőtt meg a legjobban. Rengeteg sejtfelszíni fehérje jelent meg, mely a sejtek azonosításában, egymásra találásában, összekapcsolódásában és jelátadásában játszanak szerepet.

Ahogy az evolúció során az idegsejtek elkezdtek idegrendszerbe tömörülni, az idegrendszerről „kiderült”, hogy az állandósággal kapcsolatban komoly elvárásai vannak. Ugyanis, az idegrendszer a sejtek állapotában kódolja az információt és a kapcsolatokban a funkciót, valamint a tudást, a memóriát.

Hú de rég volt már #agyséta. Kicsit elhanyagoltam a sok esemény hatására, hogy az agyműködést bemutató útvonalon haladjunk.
Nos, túl vagyunk azon, hogyan alakultak ki az idegsejtek, hogyan fogadják, összegzik és adják tovább az ingerületet, illetve remélhetőleg megemésztettük azt is, hogyan lehet működésüket egyszerű egyenletekkel leírni és ezáltal számítógéppel modellezni. De, mint majd látjuk a most induló minisorozatban, az agy és benne az idegsejtek ennél jóval bonyolultabbak. Körülbelül ott tartunk, hogy elmagyaráztuk hogyan működik és hogy néz ki egy korábbi korszak népautója a Trabant. Ha ennél a hasonlatnál maradunk agyunk valós idegsejtjei inkább egy önvezető, szépen megtervezett, kifinomult autóra hasonlítanak, a világra kiterjedő kommunikációs és szervízhálózattal, autómentő villámszolgálattal.

Tehát, ahhoz hogy afrikai őseink 4 millió évvel ezelőttől a táplálékban szegény szavannán meg tudjanak élni, mindenevőkké kellett válniuk és ezért nagyobb agyra volt szükségük. Az agynak pedig sok energiára, táplálékra van szüksége és hőleadása miatt nagyon kell hűteni! Itt van egy körkörösség, mert ugye a több táplálékhoz nagyobb agy kell, annak meg több táplálék. De a két dolgot szépen összecsiszolta az evolúció. A gyümölcsökben sok a cukor, sok az energia. De ugye az már nincs… Ezért őseink rákaptak az állati fehérjére és még inkább az állati zsiradékra. Ennek megszerzése persze megint nagyobb agyat igényel 😊.

A sok kemény tény után lazítunk egyet egy mesélősebb résszel.
Agyunk a testméretünkhöz képest a többi élőlényhez viszonyítva hatalmas (bár a Neandervölgyi embernek térfogatra nagyobb volt). Ráadásul nem csak hatalmas, hanem energiazabáló is. Egy ember nyugalomban 100W energiát használ, kb. mint egy erős régimódi villanykörte, vagy mondjuk egy lakás teljes LEDes kivilágítása. Ezt hő formájában adjuk le a környezetünknek, ugyanúgy, mint laptopunk. Ezért van az, hogy egy nagy előadótermet, amiben sok ember van nem fűteni, hanem hűteni kell. 10 ember 1kW, 100 ember 10kW (mint 3 keményen dolgozó villanyradiátor). Ha nekiállunk sportolni hőleadásunk felmehet 3-400W-ra is.

Az #agyséta előző cikkeiben egyszerűen, majd részletekbe menően is átvettük, hogy egy biológiai idegsejt hogyan összegzi a rá érkező ingerületeket és a kiváltott válasz jel hogyan terjed. Most azt mutatom be hogyan lehet egyszerű matematikai leírását adni egy idegsejt jelintegrációjának. Sajnos sokan ódzkodnak a matematikától, pedig tudni kell, a matematikus alapjában lusta, mindig a legegyszerűbb leírását próbálja adni egy problémának. Sokan ott buknak el, hogy ehhez a matematikus a saját nyelvét, a képletekkel leírt egyenleteket használja.

Az idegsejtekből induló dróton, az axonon a jel egy 2msec-ig tartó 80mV-os feszültségugrás formájában terjed. Ez úgy alakul ki, hogy amikor a sejtesten a membránpotenciál értéke (a serkentés eredményeként beáramló Na⁺ és Ca²⁺ ionok hatására) kellően pozitívvá válik (tüzelési küszöb ~45mV), akkor feszültségre érzékeny Na-csatornák nyílnak meg és a Na⁺ ionok elkezdenek egyensúlyi potenciáljuk (+20mV) irányába áramlani, azaz beáramlanak a sejtbe, pozitívvá teszik azt.

Ha az idegsejtek csak jeleket továbbítanának, mint egy hálózati kábel, nem sok érdekeset csinálnának, a túlélést nemigen segítenék elő, mint ahogy a hálózati kábelen küldött zokni megrendelés sem válik útközben szerelmesverssé. Az idegsejtek funkciójuk szempontjából legfontosabb tulajdonsága, hogy összegzik a rájuk érkező jeleket és ezáltal egyszerű számítási feladatok elvégzésére képesek.

rovat: #agyséta

Az idegsejtek közötti jelátadási procedúra az eddigiek alapján feleslegesen bonyolultnak tűnhet. Joggal kérdezhetné meg az Olvasó, hogy minek ez az egész elektromos jelből kémiai, majd vissza jelátadás? Miért is nem elektromosan kommunikálnak az idegsejtek?

Folytatjuk a durva részt. A membránpotenciál kialakulásánál vannak még bonyolultabb dolgok, ugyanis a sejthártyában található csatornák és pumpák képesek megváltoztatni egyrészt az egyes ionok esetében a sejthártya átjárhatóságát, másrészt a koncentráció különbség ellenébe is képesek ionokat szállítani (meg is teszik, hiszen a sejtek belsejében pontosan meghatározott ionkoncentrációkat kell beállítani a finnyás fehérjék miatt). Szerencsére a fizikusok kitalálták hogyan lehet viszonylag egyszerűen számolni a membránpotenciált.

Kicsit el kell merüljünk abban is, hogy pontosan mik az ionáramok és a feszültségek, amelyek a sejthártyán folynak és kialakulnak, majd összegződnek. Tengerből jöttünk (az ősóceánban alakultak ki az első sejtek) és tengervízből vagyunk. Testünk sejtjeiben a Na⁺, K⁺, Ca²⁺ és Cl^- ionok hasonló sűrűségben (koncentráció) találhatók meg, mint az ősóceánban, hiszen az első óriásmolekulák (makromolekulák) a fehérjék és a nukleinsavak ott alakultak ki és megfelelő működésükhöz ezekre az ionokra van szükségük megfelelő koncentrációban.

Itt az ideje, hogy visszatérjünk a sok technika után az agyműködésről szóló #agyséta szálra. A leges-legalapabb idegtudományi tudnivalókat foglalom ma össze: Hogyan összegzik az idegrendszer alap építőkövei az idegsejtek a rájuk érkező jeleket és hogyan válaszolnak rájuk?

Az agyműködés megértéséhez az egyik kulcs annak megértése, hogy mi az a kódolás, mi az hogy reprezentáció? Hogyan képződik le a világ, a feladatok és a megoldások az agyban. Ezt járjuk most egy kicsit körül.
A dolog aktualitását az adja, hogy Újfalussy Balázs (ELKH-KOKI) és Orbán Gergő (ELKH-Wigner) meglehetős sikerrel járták körbe azt a kérdést: „hogyan kódolja az egér agya a lehetséges döntések bizonytalanságát”, ugyanis munkájuk eredményét az eLife című online folyóirat megjelentette. A KOKI weboldalán írunk a cikkről. Azonban úgy gondoltam mielőtt valaki azt elolvasná érdemes egy kis alapozást tartani.

Most, hogy átvettük azt, hogyan, miért és milyen mechanizmusokat felhasználva zajlott le az idegrendszer kialakulása, itt az ideje, hogy a lényegre térjek. Milyen lépésekben alakult az állatot védő hámsejt ingerület felvevő és szállító idegsejtté.

A génduplikációt megelőző bejegyzésben a biofilmekig jutottunk el.
De mi az a biofilm? Nem David Attenborough műsora, hanem egy vagy több fajta egysejtű élőlény által kialakított szívós bevonat. A biofilmek jelen vannak mindenhol, ahol az ember nem takarít rendesen, a fogunkon a lepedék, majd az ebből kialakuló fogkő biofilm, a zöldes-fekete trutyi a nedvesedő házfalon biofilm, a mosdókagyló falára tapadt szürke, zsíros réteg biofilm, de az érfalakon lerakodó, a rettentő koleszterin által okozott meszesedés is az.

... és hozzájuk tartozó eltérő helyzetben bekapcsolódó szabályozó rendszerek?
Ha van otthon egy bögrénk mit csinálunk vele? Iszunk belőle. Ha van 4? A család minden tagja iszik egyből. És ha 42?

A mostanában elhanyagolt #agyséta rovat elkövetkező bejegyzéseiben azt járjuk körbe, hogy milyen evolúciós hajtóerők hatására és hogyan alakultak ki az idegsejt és ettől miért lett jobb az állatoknak.

No most fogunk eljutni a belső egyensúlyig (Ommmm).

Lehet, és ezért van is, a fizikai rendszereknek egy igen speciális csoportja, mely utazásunk szempontjából a legfontosabb. Ezek is változó (dinamikus) rendszerek, de ellentétben a kaotikus rendszerekkel, ha valamilyen hatás kitéríti őket eredeti állapotukból akkor beindulnak olyan folyamatok, amelyek visszaterelik őket az eredeti állapot felé. Ezeket hívják homeosztatikus rendszereknek.

Nézzetek körül. Csukjátok be a szemeteket és 10 másodperc múlva újra nézzetek körül. Láttok változást? Mindenhol láttok változást? Ahol láttok milyen az a változás? Ha 10 másodpercre újra becsukjátok a szemeteket meg tudjátok mindenről mondani mit fog csinálni?

Reméljük sokatokat lelkesíti a tervünk, hogy megpróbáljuk az agyműködés alapjairól és a tudatossághoz vezető folyamatok kialakulásáról összegyűlt tudást megosztani.

A kérdés nagyjából egyidős az emberiséggel és sokan sok irányból közelítették, közelítik. Hogy a leendő olvasók tisztában legyenek azzal mire is számítsanak az utazás során, beszélnünk kell itt arról, hogy miről nem fogunk beszélni és miért!

Nézzük meg kicsit alaposabban mi történik a szerveződési szintek lépcsőfokain. Van egy rendszerünk mely elemekből áll. Például egy léggömb tele gázmolekulákkal (amik szintén struktúrák, de ezt itt most elhanyagolhatjuk, hiszen az atomi szerveződési szintet itt nem kell vizsgáljuk, itt). Tudjuk, hogy a molekuláknak van tömege, alakja, és hogy ütközések útján kölcsönhatnak egymással. Azt is tudjuk, hogy a magasabb szintű struktúrának - a gáznak - a lufiban van nyomása, fajhője, megtöri, szórja a fényt, meghatározott sebességgel terjed benne a hang és netán még gyúlékony is lehet. Ezek teljesen más tulajdonságok, mint ami a molekuláit jellemzi. Amikor összerakjuk a molekulákat kölcsönhatásba lépnek egymással (hihetetlen nagy számúba) és felbukkan valami új, számos újabb tulajdonsággal.

A tudományos nyelvben az idegrendszerrel kapcsolatos kutatásokat „neuroscience”-idegtudományok vagy „brain science”- agytudományok neveken azonosítják. Azért van ennek a diszciplínának külön neve, mert több szerveződési szintet vizsgál, több klasszikus tudományág módszereit és megközelítéseit is igénybe véve.

A mai szösszenetben azzal kezdjük mit is jelent az, hogy szerveződési szint.

A kémikusok a világot vizsgálva feltárták, hogy az általunk érzékelhető világ molekulákból és atomokból áll. A fizikusok tovább ástak és kimutatták, hogy az atomok atommagból és elektronokból, a mag protonokból és neutronokból áll. De még ezek sem bizonyultak alapegységeknek, hanem kvarkokból állnak össze. A húrelmélet szerint az összes elemi részecske mögött sokdimenziós rezonáló húrok állnak, de idáig már nem megyünk le. Felfelé indulva a biológusok felderítették, hogy a molekulák sejtalkotórészekké, ezek sejtekké, majd szövetekké állnak össze. Több szövetből állnak a következő funkcionális egységek a szervek, amelyek szervezeteket, élőlényeket alkotnak. Az etológusok és ökológusok azt kutatják, hogy egy faj egyedei vagy több faj együtt hogyan viselkednek, milyen közösségeket alkotnak. Az emberi közösségek esetében közgazdászok és történészek vizsgálják, hogy mi történik a közösségek kölcsönhatása során.

Hogy megértsük a Természetes Kiválasztódás elméletét és annak következményeit érdemes összefoglalni annak 3 elemét: Öröklődés, Változatosság, Szelekció. Mi is történik az Evolúció során? 1) Az élőlények tulajdonságaikat DNS-ükön keresztül átadják utódaiknak, akik azt tovább adják. 2) Egyik generációról a másikra az átadott információ nem teljesen pontosan kerül át, az utódok tulajdonságai kicsit eltérnek a szülők tulajdonságaitól. 3) Az adott környezetben az utódok egy része az adott génekkel jobban boldogul, mint mások, több utódot nevel és ezek továbbadják az adott környezetben hatékonyabbnak bizonyuló génjeiket.

Ezzel a bejegyzéssel indítjuk az #agyséta rovatot, ami egy túra lesz az agy szerveződési szintjein felfelé. Túrázáshoz nem csak útiterv, de felszerelés is kell. Felszerelésünk legfontosabb elemei azok a fontos alapelvek, elméletek és azok tanulságaik lesznek, amiknek keretében az agyműködés jelenségeit és szintjeit könnyebben megérthetjük.

Kedves Érdeklődő!

A SzürkeÁllomány tudományos blogot azzal szándékkal indítjuk, hogy bemutassuk hol tart most az agykutatás. A lendületet az az élmény adta, hogy az elmúlt évtizedben két fontos dolog történt az agy kutatásában. Egyrészt a számítástechnika és elektronika fejlődésének köszönhetően számos új módszert dolgoztak ki, melyek képesek finom tér és időbeli felbontással elemezni az élő és működő agy nagyszámú idegsejtjének működését. Másrészt a matematikusok és fizikusok által kidolgozott, „big data” adatelemző módszereket is bevetették az agyban megfigyelt kölcsönhatások elemzésében. Egy bátor állítással azt mondhatjuk, hogy van már fogalmunk arról, hogy a hálózatokat alkotó idegsejtek kölcsönhatásából hogyan alakul ki a tudatos gondolkodás.