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.

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.

Ez az #agytechnikák rovat bemelegítő bejegyzése. Ahhoz, hogy segítsük a más szálakon bemutatott eredmények megértését, ezen a szálon bemutatjuk majd az agykutatásban használt modern módszereket. A bejegyzés áttekinti a kérdéseket és hogy melyikre milyen módszerrel lehet válaszolni.

A szerszámosláda

Az agyat alkotó sejtek kicsik (a sejtek központjának a sejttestnek az átmérője 20-30 mikrométer, azaz a méter milliomod vagy a milliméter ezred részéből kell 20at venni). Az őket összekötő nyúlványrendszer ágainak vastagsága (0.3-2 mikrométer) és a közöttük levő szinapszisok (150 nanométer) még kisebbek. A sejteket felépítő fehérjék még ennél is apróbbak. Neo a Mátrixban azt mondta: „I want guns! Lots of guns!”. Az agykutató anatómus azt mondja: „Mikroszkópokat akarok! Sok mikroszkópot!”

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, mivel 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 funkcionális egységekké 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.

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.

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). 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, azok kölcsönhatásba lépnek egymással (hihetetlen nagy számúba) és felbukkan valami új, számos újabb tulajdonsággal.

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!

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?

No most fogunk eljutni a belső egyensúlyig (Ommmm).

A fizikai rendszereknek egy igen speciális csoportja létezhet és ezért létezik is, 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.

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

... 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 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.

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.

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?

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 Nátrium- Na⁺, Kálium- K⁺, Kalcium- Ca²⁺ és Klorid- 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.

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.

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.

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.

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 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.

Az #agysétában eddig láttuk, hogyan működnek az egyszerű idegsejtek és milyen kölcsönhatásokba lépnek. 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?

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.

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.

„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.

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?

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.

Az #agyséta előző cikkeiben egyszerűen, majd részletekbe menően is átvettük, hogy egy biológiai idegsejt hogyan összegzi a rá érkező ingerületeket és a kiváltott válaszjel 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, így 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 sejttesten 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.