Hogyan látják az idegsejtek a világot? A kódolás trükkjei.

Ha barátunk fejére készül szakadni a virágállvány elkiáltjuk magunkat: Vigyázz! Ez hasznos, de nem túl informatív. Mire vigyázzon, merről jön a baj? Bizonyos majmok és madarak ennél messzebbre jutottak, eltérő vészjelzést adnak a földön támadó kígyó vagy a levegőből támadó ragadozómadár jelzésére. Valamit, egy azt helyettesítő jellel illetnek. A jelek bonyolításával a leírandó dolgok is bonyolultabbak lehetnek. Idegsejtjeink működési mintázatai is ilyen jelentéseket hordoznak. Sok sejt együtt bonyolult dolgokat képes jelezni.
A legkönnyebben emészthető példa hogyan kódolják a szemünk recehártyájában (retina) található csapok és pálcikák amit éppen látunk. Körülbelül ugyanúgy, mint egy digitális fényképezőgép. A fényképezőgépben a lencserendszer a tárgyról érkező képet a CCD kamera felszínére vetíti. A kamera minden egyes pixelére a kép egy pontja jut és a beérkezett fény mennyiségével arányos elektromos jel keletkezik. A képet a CCD chip tehát elektromos jelszintek táblázatává alakítja, amely pedig a memóriakártyán számok táblázataként raktározódik. A külvilág képét tehát egy szám-mintázat le tudja írni.

Ugyanígy, szemünkben az egyes csapok és pálcikák aktivitásmintázata reprezentálja (írja le, kódolja) a külvilágot. Ez egy nagyon egyszerű reprezentáció. De ahogy végigsétálunk agyunkban a látóingert szállító idegpályákon, az információ több helyen is átkapcsolódik. Először a thalamusba kerül, onnan az elsődleges látókéregbe, majd onnan egyre magasabb látó és asszociációs agyterületekre. Az átkapcsolások során az információ mindig kicsit másképp kódolódik (új nyelvre fordítódik). A V1-ben (elsődleges látó, azaz Vizuális kéreg) található egyes idegsejtek akkor kapcsolódnak be (aktiválódnak) ha a retina megfelelő területén megfelelő irányú (ferde, vízszintes, függőleges) sötét/világos határvonalat érzékelnek. Ennek felismeréséért kapta Hubel és Wiesel az 1981es élettani Nobel díjat. A sejteknek azt a tulajdonságát, hogy a látótér egy bizonyos pontján egy bizonyos irányú vonalra érzékenyek érzékelő mezőnek (receptive field) nevezik. Ahogy a látókérgekben a képfeldolgozás előrehalad, ezek az érzékelő mezők is egyre bonyolultabbak lesznek és függetlenné válnak az aktuális kép tónusától, színétől, fényerejétől, a kép állásától. A magasabb szinteken élek helyett sarkokat, szögeket, formákat érzékelnek a sejtek. A többi érzékszervből is hasonló feldolgozási lépcsőfokokon keresztül halad végig az információ. Egy ponton a különböző érzékszervekből érkező információk összefutnak és egy, az összes érzéket összefogó élménnyé alakulnak. Ez a terület a hippokampusz, az itt található idegsejtek érzékelő mezői különböző élményeket, helyzeteket, szituációkat azonosítanak. Én most épp a szobámban ülök, már este van, sötét, a radiátor kellemesen meleg, érzem a készülő vacsora illatát. Ezt mind az agykérgem részét alkotó hippokampuszom sejtjei kódolják. A hippokampusz működését legegyszerűbb patkányokban és egerekben vizsgálni. Mivel ők hulladékevő állatok ezért életük nagy részét a táplálék felderítésével töltik, sokat mozognak viszonylag összetett környezetben. Ezekben az állatokban a leggyakoribb szituáció, hogy valahol elhelyezkednek a térben. Hippokampuszukban a szituációkat kódoló sejtjeik érzékelő mezejét térbeli-mezőknek, angolul „place field”-eknek, a reagáló sejteket hely-sejteknek nevezik. Amikor az állat például végigszalad egy kísérleti labirintuson, az egyes hely sejtek egymás után bekapcsolódnak. A helysejtek azonban nem összevissza, hanem pontos időzítésben kapcsolnak be, igazodva a mozgás alatt a hippokampuszban előforduló theta nevezetű EEG hullámokhoz. A theta hullámok alatt másodpercenként 7szer visszajátszódik, hogy éppen merre mozgott az állat, sőt egy kicsit olyan helysejtek is aktiválódnak, ahol még nem járt az állat, de a jelenlegi pont közelében található helyet jeleznek.
A kutatók feltételezik, hogy a theta hullámok alatt az állat a memóriájából előhívja azt, hogy az aktuális helyszínhez (élményhez) milyen dolgok társulnak (jó, rossz), illetve kicsit előre is gondolkodik, hogy mi lehet a közelben, merre érdemes menni. A hippokampuszban egy pillanatban egyszerre működő sejtek mintázata egy külső megfigyelő számára kb. olyan érthetően kódolja a külvilágot, mint a Mátrixban a képernyőn lefelé sodródó zöld hieroglifák a Mátrixban zajló történéseket. Nekünk idegen, de a patkány agyának élményszerűen írja le a történéseket, mint ahogy az áruló operátor Cypher számára is képpé alakultak a hieroglifák.

Amikor érzék-mezőkről és helysejtekről beszélünk fontos kiemelni, hogy egy-egy kép, térbeli hely vagy egy élmény érzékelésekor sohasem egyetlen idegsejt aktiválódik, hanem sejtek nagyobb csoportjai. A feldolgozás során ezek a sejtcsoportok más sejtcsoportokat aktiválnak és ha már megfigyeltük egy ideig a sejtek viselkedését, az aktív sejtek mintázatából vissza lehet fejteni, hogy mit lát az állat vagy merre jár. A kódolás megfejtésének még igencsak az elején járunk. Azt például nem tudjuk, hogy amikor agyunk megpróbálja kitalálni mi történhet hamarosan (jóslatot tesz, a dolog statisztikai értelmében) milyen módon kódolja azt, hogy a jóslatot mennyire tartja megbízhatónak. Nos ezt a kérdést vizsgálja a nemrég megjelent cikk. A szerzők azt nézték meg, hogy a megfigyelt sejtaktivitás mintázatok melyik lehetséges kódolási formának felelnek meg. Eredményeik ötleteket adhatnak, hogy a mesterséges intelligencia kutatói milyen megoldásokhoz folyamodjanak, amikor változó környezetben kell dönteni.