A tengericsikó meséje III: A sejtek és a szinaptikus átvitel tulajdonságainak hangolása vált a hálózati működési módok között
Idáig eljutottunk oda, hogy megmutattuk a két állapotban milyen időzítésben történnek a dolgok egymás után, de azt hogy miért, azt még nem értettük. Ugye hálózatot vizsgálunk, a hálózatoknak pedig vannak csomópontjai és élei, sejtjei és szinapszisai.
A váltás megértéséhez meg kellett vizsgálnunk, milyen hatása van az aktivitás átkapcsolást okozó charbacolnak (az acetil-kolin hatását utánzó hatóanyagnak) a serkentő és gátlósejtek tulajdonságaira (csomópontok), illetve szinaptikus kapcsolataik erősségére (élek). Ugye egy hálózatnak vannak anatómiai és élettani tulajdonságai. Az összeköttetés-rendszer (anatómia) adott, de azt hogy milyen erősen hatnak kölcsön a sejtek és hogyan összegzik bemenetüket (élettan) az könnyen változhat.
Alaphelyzetben (kolinerg hatás nélkül) a hippokampusz CA3 serkentő sejtjeinek ingerelhetősége alacsony, ritkán szólalnak meg. Ugyanakkor a sejtek közötti serkentő és gátló szinapszisok hatékonysága magas, azaz ha egy sejt kisül, ingerülete hatékonyan terjed tovább vagy a gátlás hatékonyan csendesíti. Amikor a szeletekhez carbachol-t adtunk, azt tapasztaltuk, hogy annak kettős hatása van. Egyrészt, hatására mind a serkentő mind a gátlósejtek depolarizálódnak, membránpotenciáljuk pozitívabb lesz, azaz serkenthetőbbé válnak, könnyebben szólalnak meg. Másrészt carbachol hatására jelentősen csökken a serkentő és kisebb mértékben a gátló szinaptikus potenciálok mérete, azaz csökken a sejtek egymás közötti jelátadásának hatékonysága.
De miért viselkedik ezek miatt a hálózat két különböző módon?
SWR állapotban (alacsony kolinerg tónus) a sejtek lusták, ritkán szólnak, viszont hatékonyan tudnak egyással kommunikálni. Gamma állapotban (magas kolinerg tónus) a sejtek izgágák, beszédesek, de rosszul kommunikálnak egymással. A hippokampusz CA3 területére ugye jellemző, hogy a sejtek között erős a visszacsatolás, egymás serkentése. Ez a kapcsolat fontos az aktivitás kialakulásában.
SWR állapotban idönként megszólal egy-egy serkentő sejt, de mivel erősen össze vannak kapcsolva, ha egy kritikus időablakon belül elegendő sejt szólal meg (akár véletlenszerűen), akkor elkezdik egymást serkenteni, és a hatékonyan kapcsolt hálózatban megindul a serkentő aktivitás felépülése, megindul egy aktivitás lavina. Mivel a sejtek lusták, ritkán indul be egy lavina. De ugyanakkor a kapcsolatok erősek, ha egyszer beindult egy lavina sokáig és nagyra fejlődik, sok sejt lesz aktív. Ezért van az hogy az SWRek ritkán és szabálytalanul jelennek meg, de magas és hosszú ideig tartó sejtaktivációval járnak.
A magas kolinerg tónusú Gamma állapotban a sejtek izgágák, könnyen tüzelnek, de a kommunikációjuk gyengécske. Az izgágaság miatt a hálózatban gyakran indul meg az aktivitás felépülése, de mivel a kommunikáció nem jó az elinduló gyakori lavinák csak rövid ideig tartanak és viszonylag kevés sejt vesz bennük részt, mielőtt a gátlás megállítja őket (aztán az izgágaság újraindul).
A két aktivitás alakulása hasonlítható ahhoz, mint amikor egy teremben komoly szótlan filozófusok beszélgetnek valamiről, vagy egy csapat óvodás civakodik. 
A filozófusok ritkán szólnak, de alkalmanként felmerül egy téma, ami aztán hatékonyan terjed és hosszan tartó, mindnekit magával ragadó beszélgetésbe torkollik. A csacsogó óvodások közt ezzel szemben gyakran tör ki civakodás, de ez nem terjed hatékonyan, hamar elhal, azonban hamarosan egy másik kezdődik.
Most már látjuk, hogy a sejt és hálózati paraméterek hangolása hogyan okozhat eltérő hálózat aktivitási mintázatokat. De mire jó ez? Mit tudhat mást a hálózat az egyik vagy a másik állapotban?
Erre is vannak tippeim, de míg eddig szigorúan és tényeken alapuló következtetésekre alapoztam a gondolatmenetet, innen feltételezések következnek, melyek bizonytásához még hiányoznak kísérletek.
A két állapot között az a különbség, hogy a gamma alatt az aktivitás számos sejtből indul és viszonylag gyengén terjed a serkentősejtek között, a visszacsatolt hálózatban csak néhány körig fejlődhet az aktivitás, mielőtt a felépülő gátlás megállítja azt. Az SWR-ek alatt kevés sejtből indul és viszonylag hosszú idő alatt épül fel a visszacsatolt hálózatban egy sok sejtet magába foglaló aktivitás, mely számtalanszor megjárhatja a visszacsatolt hálózatot. Eközben a PV sejtektől származó gyors gátló oszcilláció keskeny időszakokba szorítja mikor tüzelhetnek a sejtek, mielőtt az aktivitás elhal. Ha visszaemlékszünk a a visszacsatolt hálózatok viselkedésénél az attraktorokra és a hegyek-völgyek képre, akkor abban a képben is benne volt, hogy egy hálózat esetében az aktivitás fejődését két dolog határozza meg. Milyen a szinaptikus súlyok által meghatározott domborzat, merre fejlődik az aktivitás, illetve hogy mely pontból indultunk el, mi volt a kezdeti sejtaktivitás mintázat. A szinapszisok súlyai ugye a múltat, a korábban tanultakat hordozzák, az indító sejtaktivitás mintázatok pedig a jelent, mi történik éppen (mi a hálózat bemenete). Gamma alatt az indító aktivitást nagyobb számú sejt határozza meg mind SWR-ek alatt, viszont az utóbbiban jelentősen tovább fejlődik, a szinaptikus súlyok által meghatározott aktivitás. Azaz a gamma aktivitás alatt a sejtek végállapotát erősebben határozza meg a jelen, mint a múlt, mint az SWRek alatt, ahol az aktivitás, a korábban tanultak alapján sokáig fejlődik. A két állapot tehát máshogy dolgozza fel az információkat. A theta alatt történő gamma szakaszok a felderítés alatt valószínúleg valamiféle gyors jelintegrációt jelenthetnek, segítenek előhívni a környezeti ingerek alapján a tárolt információkat. A SWR-ek alatt pedig a theta alatt tárolt egymás után bekövetkező szituációkból áll össze egy összetett „történet”, mely a memóriában rögzül.
A fenti példa a hippokampusz és a kolinerg hangolás esetében szemléltette, hogyan tudja ugyanaz a hálózat időosztásos (multiplexelt) módon különbözőképpen feldolgozni a kapott információkat. A többi moduláló hatású ingerületátvivő anyag (szerotonin, dopamin, hisztamin, noradrenalin) hatását még nem vizsgáltuk ilyen részletesen, nem tudjuk mi történik amikor azok aktívak. De azt például tudjuk, hogy a hippokampuszban a szerotonin tartalmú rostok hatékonyan modulálják a dendritikus gátlósejtek működését. Róluk pedig tudjuk, hogy hatékonyan befolyásolják a serkentősejtek dendritfájában a Ca2+ áramok erősségét. A Ca2+ áramok pedig képesek befolyásolni hogyan integráljanak a sejtek, és milyen erősen működjenek a szinaptikus tanulás mechanizmusai. Feltételezhető tehát, hogy a szerotonin képes befolyásolni mikor tanuljon a hálózat és mikor ne. De ennek bizonyítására még kísérleteket kell végezni, sokat.
Az túra következő szakaszán azt járjuk körbe hogyan vizsgálható a hálózatok állapotváltása és a metahálózatok kölcsönhatása.
Szerző: Gulyás Attila