A tengerinyúl és a csikóhal története: a tanulás útjai
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.
A kutatók észrevették, hogy ezt a reflexet bizonyos ingerekkel erősíteni vagy gyengíteni lehet, azaz az ösztönös visszahúzásválasz tanítható. De ez még nem egy társításos (asszociatív) tanulás, ahol az időbeli egybeesés alapján tanul az állat, hanem nem-társított tanulás, ahol csak meghatározott ingerek képesek módosítani a válasz erősségét. A gerinctelenekre jellemző, hogy idegrendszerük viszonylag kevés és genetikailag jól meghatározott helyzetű sejtből áll. A tengeri nyúlban is pontosan lehetett tudni melyek azok a sejtek, akik a reflexben és annak hangolásában (modulálásában) részt vesznek és milyen szinaptikus kapcsolatokat alkotnak. Eric Kandel és csoportja ezért rajtuk vizsgálta a tanulás szinaptikus mechanizmusát a 70es évek elején. Munkájáért 2000-ben Orvosi Nobel díjat kapott.
6 mozgató idegsejt vesz részt a kopoltyú visszahúzásában. Ha az érintést érzékelő idegsejtet aktiválják akkor erős ingert ad szinapszisán keresztül a mozgató idegsejtre és az parancsot ad a kopoltyút visszahúzó izmoknak, hogy csomagolják össze a kopoltyút. Ha sok gyenge inger érkezik az érzéksejtre akkor az fokozatosan egyre kevesebb ingerületátvivő anyagot szabadít fel a mozgatósejtre és ennek válasza is csökken. Ennek a folyamatnak a molekuláris lépéseit is sikerült Kandel-éknak felderítenie.
A következő nagy, és igazából végleges nekifutás az asszociatív tanulás eseménysorozatának felderítésére Terje Lømo és Tim Bliss eredményeivel kezdődött, nagyjából a tengeri nyúl kísérletekkel egyidőben. Ők elektrofiziológusok voltak, azaz az idegsejtek elektromos jeleit vizsgálták finom mikroelektródák segítségével. Vizsgálati modellként patkány agyának hippokampusz nevű részéből készített, megfelelő módon életben tartott szeleteket használtak (én is hasonló szeleteken dolgoztam, hasonló módszerekkel). A hippokampusz agyunk azon része, ahol memóriánk kialakul és segítségével tárolódnak el a memórianyomok agykérgünk egyes területein. Nevét a tengeri csikóról kapta, mert alakja a tengeri csikó alakjához hasonló kunkorokat mutat.
Nem az összes tanulási formáért felelős (erről majd később) de remek terület a memórianyomok tárolásának felderítéséhez.
A kísérlet során a hippokampusz egyik területén nézték meg azt, hogy egy bemenő pálya ingerlésével mekkora válasz váltható ki az itt található sejteken. Azt találták, hogyha a pályát gyengén ingerlik, viszonylag nagy időközönként, akkor a kiváltot válasz erőssége hosszú ideig ugyanaz marad. Ha azonban sokkal nagyobb gyakorisággal (frekvenciával) vagy néhányszor nagyon erősen aktiválják a bemenetet akkor a sejtek válasza megnő, és ami fontos a kiváltott válasz hosszú ideig (órákig) erősebb marad. Ezt az alapmegfigyelést és rendszert azután közel 25 éven keresztül vizsgálták és működését molekulák kölcsönhatásának szintjén sikerült megérteni. Praktikusan azt találták amit Pavlov, csak nem elvont fogalmak mint feltétlen és feltételes inger, hanem az idegsejtek szintjén:
HA egy idegsejtre érkező bemenet aktív (az axonterminális aktiválódik és belőle serkentő ingerületátvivő anyag szabadul fel) ÉS ugyanekkor a bemenetet kapó idegsejt is aktív (membránpotenciálja depolarizálódott), AKKOR a két elem közötti szinapszis hatékonysága megnő (nagyobb szinaptikus áram folyik rajta keresztül, ami erősebben serkenti a sejtet) és hosszú ideig úgy is marad.
A jelenséget long-term potentiationnek, LTP-nek, azaz hosszantartó erősödésnek nevezték el.
Ez egy asszociatív (társításos) tanulási mechanizmus. HA a bemenet aktív ÉS ugyanakkor a sejt is aktív AKKOR a kettő közötti kapcsolat erőssége megnő, azaz a későbbiekben ez a bemenet a sejtet akkor is hatékonyan aktiválja amikor az éppen nem aktív. Idővel azt is bizonyították, hogy a mechanizmus nem csak asszociatív, hanem arra is érzékeny melyik bemeneten keresztül történik a tanulás. Azaz, ha a sejtünk két bemenetet is kap (A és B), akkor az A bemeneten társítással kiváltott hatékonyság növekedés a B bemeneten nem jelenik meg és fordítva. Ez biztosítja az új információ pontos tárolását.
Valamivel később a folyamat fordítottját is leírták és LTD-nek (long-termdepression-nek), azaz hosszútávú csökkenésnek nevezték el. Ez akkor következik be, amikor a bemenet és a sejt kisülése NEM korrelál egymással.
Az eredmény tehát praktikusan feltárta a Hebb szabály sejtszintű mechanizmusait. Ennek technikai részleteiről a következő #agyséta bejegyzés szól majd.
Szerző: Gulyás Attila