Mit várunk el egy hálózattól? Az agykérgi területek működésének időosztásos működése (multiplexelése)
A második rész (Az idegsejthálózatok működése) fejezeteiben bemutattuk azt, hogy egy idegsejtekből szerveződő hálózat lehet előrecsatolt és visszacsatolt. Szerkezetétől függően képes egyszerű döntésekre, vagy tanulás útján a döntéseket módosítani. A mátrixmemóriánál megtudtuk, hogy egy hálózat képes lehet 1) információt előhívni, 2) információt tárolni 3) információt feldolgozni, manipulálni. Azaz asszociációkat, társításokat végezni, melynek eredményeként képes a) mintázatokat átalakítani, egy mintázathoz egy másikat rendelni, b) mintázatokat előhívni, c) mintázatsorozatokat előállítani, d) mintázatokat kiegészíteni, e) elválasztani (kategorizálni, ortogonalizálni); esetleg ennek ellentéteként f) éppenséggel mintázatokat általánosítani (több mintázatot is ugyanabba a csoportba sorolni).
A visszacsatolt hálózatok esetében azt a megközelítést is bemutattuk, amikor a hálózat aktivitásának alakulását egyfajta energia (potenciál) tájképen, a domborzat szerint a völgyek vagy a hegycsúcsok felé folydogálással, felmászással írtuk le. Az, hogy egy hálózat milyen eredményre jut (milyen mintázat lesz a kimenet) két dologtól függ, egyrészt, hogy a korábbi tanulás során beállított szinaptikus súlyok milyen domborzatot (attraktorokat) határoznak meg, másrészt, hogy a tájkép mely pontjáról indul a megoldás keresése. Hogy a tájképen merre haladunk, hogyan fejlődnek az idegsejt mintázatok, azt a feladat és a kiindulási állapot szabja meg, a tájképen többféle képpen lehet keresgélni, mehetünk a völgyekbe lefelé vagy a hegycsúcsokra fölfelé. Ebben a megközelítésben is megjelennek eltérő típusú feladatok.
A fenti feladatlista meglehetősen hosszú és úgy tűnik az agykéreg serkentő és gátlósejtekből álló hálózata nem is tudja mindet egyszerre tökéletesen elvégezni. Amikor tárolunk, nem hívunk elő jól, amikor kategorizálunk nem tudunk éppenséggel jól általánosítani, hiszen pont ennek ellentéte a célunk.
Mindezek alapján a hálózatoknak egymásnak ellentmondó működési állapotaik vannak. Ahhoz, hogy egy hálózat az információ fogadás, tanulás, feldolgozás egymásnak ellentmondó feladatait helyesen tudja megoldani, az állapotok között időben gyorsan kell váltania. A híradástechnikában, számítástechnikában sok feladat egymás utáni megoldásának szervezését időbeli multiplexelésnek (időosztásos feldolgozásnak, time-division processing) hívják. Ilyenkor egy információ átvivő csatornán (Wi-Fi csatorna, optikai kábel, telefondrót) gyors egymásutánban eltérő címzetteknek szóló információcsomagokat küldenek rövid, egymás utáni időszakokban (időosztásban). Hasonlóan, egy operációs rendszer a futó programoknak gyors egymásutánban, rövid időkre, felváltva adja oda a processzor (CPU) feldolgozási kapacitását. Sorban (serial) történnek a dolgok, egyenként, de a sebesség miatt egyidejűnek, párhuzamosnak (parallel) tűnnek.
Erős érvek szólnak amellett, hogy az agyban is ilyen multiplexelés történik, valamint, hogy az egyes feldolgozási állapotok közötti váltakozás hozza létre az eltérő EEG mintázatokat.
Az agy működését agyi aktivitásszintek (fMRI) és EEG mintázatok váltakozásának finom összehangoltsága jellemzi. Az egyes állapotok alatt, az agyterületeken a serkentő és gátló idegsejtek aktivitásának szintje és mintázata eltér. Mint az EEG kialakulásának részleteinél láttuk, az EEG jelek millónyi sejt sokezer nyúlványán folyó viszonylag erős áramainak tér és időbeli átlagából megmaradt finom kis feszültségek. Egy idegsejt hálózatban a gátlósejtek, valamint a sejtek felszínén elszórt moduláló transzmitter receptorokon ható moduláló transzmitterek szabályozzák, hogy a serkentő sejtek dendritfájának és sejttestének mely részein milyen áramok milyen összehangoltságban folynak. Az egyes eltérő aktivitási szintű és szinkronitású állapotokban a neuronhálózatok tömegét adó serkentő sejtek egyes részeinek potenciálja a feldolgozási feladathoz igazodóan eltérő. Az EEG elektródokkal az állapotváltozásokat jellemző potenciálváltozásokat, periódikus változások esetén hullámokat figyelhetünk meg.
A sokcsatornás elvezetések (EEG és fMRI) elemzése alapján a kutatók feltételezik, hogy amikor az egyik hálózat (agyterület) elkészül a feldolgozással és az eredményt elkezdi továbbküldeni, akkor egy másiknak (vagy többnek) fogadó, majd információ feldolgozó vagy az ezzel ellentétes tanuló állapotba kell kapcsolnia megfelelő időzítéssel, mielőtt a keletkezett kimenetet továbbküldi (szintén pontos időzítéssel). Ezek az átkapcsolások nyilvánulnak meg pontosan időzített EEG jelek formájában.
A következőkben azt próbálom meg körüljárni - a hippokampusz nevezetű ősi agykérgi terület működésének vizsgálata során tanultak alapján - hogyan történhet meg a multiplexelés, az állapotok közötti átkapcsolás egy valós idegsejthálózatban, az agyban. Ennek fontos elemei lesznek a serkentő és gátló agykérgi idegsejtkölcsönhatások, valamint, a kéreg alatti területekről származó, moduláló ingerületátvívő anyagokat (acetil-kolin, szerotonin, dopamin, etc.) felszabadító pályák. Arra is fényderül, hogy miért alakulnak ki a különböző típusú EEG jelek.
Szerző: Gulyás Attila