Tartalomjegyzék

Beindítjuk a SzürkeÁllományt!

Elméleti keretek

Keretezzünk elméletekkel I: A vak órásmester

Keretezzünk elméletekkel II: A szerveződési szintek fogalma

﻿Mi az az idegtudomány?

Keretezzünk elméletekkel II: Az Emergencia fogalma

Miről nem beszélünk

Állandó, Változó, változó állandóság és állandó változás: a Homeosztázis fogalma I.

Állandó, Változó, változó állandóság és állandó változás. A Homeosztázis fogalma II.

A korai evolúció és a többsejtűek kialakulása

Hogyan alakulnak ki új funkciókat megvalósító rendszerek (gének, sejtek, szervek)?

A biofilmek ragadós trutyijától a bukfencező hidráig

Köpönyegből messzelátó, az idegsejt és a környezetre adott válasz feltalálása

Hogyan látják az idegsejtek a világot? A kódolás trükkjei.

A legalapabb alapok: A jeláramlás lépései az idegsejtekben

Tengerből jöttünk és tengervízből vagyunk: a membránfeszültség kialakulása az idegsejtekben.

Merre húzzák K+ovácsék a kötelet:? A szinaptikus áramok és az akciós potenciálok kialakulása

Kvadrillió mikroerősítő az agyban: a szinapszis

Jelterjedés és jelösszegződés az idegsejtekben

Miért ugrál terjedés közben az akciós potenciál?

Mesterséges idegsejtek: hogyan írják le a matematikusok az idegsejtek jelfeldolgozását?

A két lábra állás meséje: az energiazabáló agy.

A két lábra állás meséje: mi kell egy nagy agyhoz?

Dadusok és bestiák: Felvezetés

Dadusok és bestiák: A gliák kialakulása és fejlődése

Dadusok és bestiák: A vér-agy gát és az agyi immunrendszer.

Dadusok és bestiák: A gliák funkciója

Mit írt az elektrubadúr a gliasejtekről?

Az idegrendszer részeinek evolúciója

Az agy darabolása: az agykéreg és a kéreg alatti területek funkciója

Miben tér el az agykéreg a kéreg alatti területektől?

Agyunk PPU-ja a kisagy!

Az idegsejtek működésének hangolása I: A jelátvitel szintjei.

Az idegsejtek működésének hangolása II: A jelösszegződés finomhangolásának módjai

SzürkeÁllomány második évad: a hálózatok kialakulása

Rendrakás az agy, elme és AI fiókjaiban I.: A tudatos agy funkcionális darabolása

Rendrakás az agy, elme és AI fiókjaiban II.: Agyi szószedet

NI és AI, esetleg AGI: ki tudatos és ki intelligens?

Az AGI, a tudatosság és a jövő

Az örvényféreg meséje I: hogyan készül egy modell állat?

Az örvényféreg meséje II: Hogyan dönt az idegrendszer?

A kutya meséje: a tanulás feltalálása

A tengerinyúl és a csikóhal története: a tanulás útjai

Technikai: A Hebb szabály molekuláris mechanizmusai

Neuronhálók újratöltve: A mátrix memória

Mátrix forradalmak: Mintagenerálás, önálló aktivitás, általánosítás, csoportosítás …

Hogyan kódolják az idegsejtek a külvilágot: reprezentáció – receptív mezők, populációs kód

A macskakölyök meséje: Hogyan formálódnak a hálózatok és hova jutnak el?

A visszacsatolás dícsérete: a percepció modern elmélete

A harmadik elméleti keret: Konnekcionizmus és PDP I.

A harmadik elméleti keret: Konnekcionizmus és PDP II.

Soros vs. párhuzamos feldolgozás

Soros és párhuzamos egymás tükörképei

Az űrhajós meséje: a biológia tervrajz helyett programot használ

Az agyfejlődés programja I.: idegsejtfejlődés, kapcsolatépítés

Az agyfejlődés programja II.: túltermelés és térképek az agyban

Az agyfejlődés programja III: a második program, a tanulás

A hálózattervezés csúcsa: Az agykéreg I.

A hálózattervezés csúcsa: Az agykéreg II.

Az agykérgi modulok szerveződési alapelvei

Az agykérgi oszlop finomszerkezete: mit csinálnak az egyes rétegek?

Az agykérgi oszlop finomszerkezete: hogyan áramlik az információ az oszlopokon belül, az oszlopok és az agyterületek között?

A kérgi mikroszerkezet evolúciós kontextusban: Hogyan fejlesszünk agykérget?

Az agyi stabilitás keretei

A gátlósejtek szerepe és működése I.

A gátlósejtek szerepe és működése II: Előrecsatolt és visszacsatolt gátlás

A gátlósejtek szerepe és működése IIII: A dendriteken és sejttesten végződő gátlás hatásai

A bonyolult neuron modell I

A bonyolult neuron modell II

A gátlósejtek és a hálózatok aktivitásának modulálása

A visszacsatolás dicsérete: miért jobbak a visszacsatolt hálózatok?

Összefoglalás: Mit tudnak az idegsejthálózatok?

Harmadik évad: Az agyterületek kölcsönhatása és a belső modellek

Hálózatok két szinten: nem minden agyi hálózat skálafüggetlen

Az agy felparcellázása: honnan tudjuk, hogy az agy egyes részei mással foglalkoznak?

A Makákó meséje: a látórendszer szerveződése

Az agykérgi feldolgozás szintjei és kölcsönhatásai: tudja a bal kéz mit csinál a jobb!

Hogyan tanulhatok hatékonyabban? A memóriák fajtái és kölcsönhatásaik.

Ki-ki mellé telepedik az agykéregben? A modalitások kölcsönhatásai.

Multimodális asszociációs területek, ahol az információk összefutnak: a hippokampusz, az amigdala és a homloklebeny

Hippokampusz - Az élmény: hogyan éljük át a pillanatot és mit tanuljunk meg I.

Hippokampusz - Az élmény: hogyan éljük át a pillanatot és mit tanuljunk meg II

Az amigdala – Az érzelmek: mitől-kitől tartsunk és mitől-kitől ne I

Az amigdala – Az érzelmek: mitől-kitől tartsunk és mitől-kitől ne II

A válasz megtervezésének hierarchiája: A jelfeldolgozás és a válasz kapcsolódása

A homloklebeny funkciói

A homloklebeny szerveződése

Hol mi történik a homloklebenyben

Jobb és bal félteke: miben mások

Jobb és bal félteke: kiegészítik egymást

A visszacsatolás dícsérete III.: A mozgástervezés és a gondolkodás hurkai

A mozgástervezés hurkainak anatómiája

A tervezés lépései a homloklebenyben és a mozgató kéregben

A törzsdúc- és a kisagy-kör működése I.

A törzsdúc- és a kisagy-kör működése II.

A visszacsatolás dícsérete IV.: A tanulás hurkai

Az emlékezés labirintusa: a memória fajtái

A memória típusai

A memória időbelisége, memórialánc és megerősödés

A tanulás típusai

A jutalmazási rendszer:

A jutalmazási folyamat első lépése, az RPE kiszámítása

A jutalmazás folyamat második lépése, a dopaminfelszabadulás többszörös hatása

Hogyan és hol vált ki a dopamin tanulást?

Hogyan vált ki a dopaminfelszabadulás örömet és sikerélményt

Egyszer hopp, máskor kopp: A jutalmazási rendszer és a tanulás működése különböző esetekben

Az agyi (meta)hálózatok összefoglalása: Visszatekintés – kitekintés

A világ többszintű megjelenése az agyban és a számítógépben.

A világ többszintű megjelenése az agyban és a számítógépben II.

Az emberi gondolkodás plusszai: belső állapotok és többlépcsős gondolkodás

Beköszöntő a SzürkeÁllomány negyedik évadához

Mit várunk el egy hálózattól? Az agykérgi területek működésének időosztásos működése (multiplexelése)

Az EEG és a viselkedés összefüggése I.

Az EEG és a viselkedés összefüggése II.

A tengericsikó meséje I: A hippokampusz kapcsolatrendszere és működési módjai

A tengericsikó meséje II: A gamma és az éleshullám aktivitás keletkezése

A tengericsikó meséje III: A sejtek és a szinaptikus átvitel tulajdonságainak hangolása vált a hálózati működési módok között

Már-már klasszikusnak számító genetikai módosító módszerek

Cikkek

# Beindítjuk a SzürkeÁllományt!

Kedves Érdeklődő!

A SzürkeÁllomány tudományos blogot azzal szándékkal indítjuk, hogy bemutassuk hol tart most az agykutatás. A lendületet az az élmény adta, hogy az elmúlt évtizedben két fontos dolog történt az agy kutatásában. Egyrészt a számítástechnika és elektronika fejlődésének köszönhetően számos új módszert dolgoztak ki, melyek képesek finom tér és időbeli felbontással elemezni az élő és működő agy nagyszámú idegsejtjének működését. Másrészt a matematikusok és fizikusok által kidolgozott, „big data” adatelemző módszereket is bevetették az agyban megfigyelt kölcsönhatások elemzésében. Egy bátor állítással azt mondhatjuk, hogy van már fogalmunk arról, hogy a hálózatokat alkotó idegsejtek kölcsönhatásából hogyan alakul ki a tudatos gondolkodás.

Nem titkolt reményünk, hogy az agykutatás egymásra épülő eredményeinek bemutatásával fel lelkesítsük a fiatal agyakat a tudomány művelésére és jövendő kollegákat toborozzunk.

Gulyás Attilának hívnak, neurobiológus vagyok. 30 éve dolgozom a KOKIban (MTA majd HUN-REN Kísérleti Orvostudományi Kutató Intézet) ahol először, mint neuroanatómus kutattam az agykérget alkotó idegsejtek fajtáit, tulajdonságait, összeköttetéseik szabályait majd, mint elektrofiziológus vizsgáltam, hogy ugyanezek a sejtek hogyan működnek és hogyan lépnek kölcsönhatásba egymással és ezek során hogyan képesek megalapozni az agy működését? [Hogy a neuro meg az elektro mit jelent, azt elmagyarázzuk amikor az agykutatás módszereit mutatjuk be.]

A Szürke Állományt elsősorban én szerkesztem és nagyrészt írom is, de gyakran fogok kollegáim segítségére hagyatkozni, hiszen a kutató ismérve az, hogy tudatában van annak mit nem tud és mit szeretne megtudni. Az agykutatást több szálon mutatjuk majd be. Nem egy kimerítő, részletekbe menő anyagot akarunk a fejetekbe tömni. Inkább az alapelvekre, szerveződési és működési szabályokra tesszük a hangsúlyt, sok példával és személyes élménybeszámolókkal. Szeretnénk, ha kialakulna egy „kérdezz-felelek-szerintem így lehet” beszélgetés a blog szerkesztői és olvasói között. Hiszen a tudást interaktív módon lehet igazán hatékonyan átadni. Ezért bárkinek bármilyen kérdése merül fel azt ossza meg velünk (hozzászólásban vagy szurkeallomany kukac koki pont hu email címre küldve). A kérdésekre mielőbb, vagy ha a tervezett gondolatfolyamokhoz kapcsolódhat, az adott alkalommal lelkesen válaszolunk.

És akkor a szálak:

#agyhírek: Érthető, élvezhető módon szeretnénk bemutatni, hogy az ELKH Kísérleti Orvostudományi Kutató Intézetében, illetve tágabban a magyar agykutatásban milyen új eredmények láttak napvilágot, és ezek mit is jelentenek, miért fontosak? A száraz és unalmas „THX1138 hatása a béta-galaktozidázra” típusú, kutatóknak szóló címek mögött rejlő tartalom jelentését, fontosságát próbáljuk meg bemutatni, szándékunk szerint érthető módon.

#agyséta: Ez lesz a Szürke Állomány gerince. Túrúra hívjuk azérdeklődőket, hogy bejárjuk az agy szerveződési szintjeit, bemutatva az egyes szintek szerkezetét, működését, illetve, hogy a szintek hogyan épülnek egymásra, hogyan juthatunk el az idegsejtek működésétől a tudatosságot megalapozó folyamatokig? Összefoglaljuk az idegsejtek felépítését és működését, hogyan alkotnak az idegsejtek agykérgi hálózatokat, ezeknek mik a szabályai és hogyan működnek? Hogyan kapcsolódnak össze az egyes agyterületek a viselkedéssel összefüggően, térben és időben precíz mintázatokat mutató információ feldolgozó rendszerekké? És végül ezek hogyan szolgálják a tudatos folyamatok, személyiségünk és viselkedésünk kialakulását?

#agytechnikák: Szót ejtenénk az agykutatásban és megismeréstudományban használt módszerekről, hogy érthetőek legyenek az eredmények és megismertessük, hogyan és miért tudunk következtetéseket levonni? Mi az a 3D pásztázó konfokális mikroszkóp? Miért használ egy agykutató PCR-t és mi is az? Hogyan lehet egy fluoreszkáló transzgénikus egér segítségével megérteni az agyműködést?

#diákélet: „Meghívjuk” az Intézetünkben kutató diákokokat (Tudományos Diák Körösök, TDKsok) illetve doktoranduszokat (PhDisták), hogy mondják el hogyan csatlakoztak hozzánk, milyen módokon vesznek részt a kutatásban, milyen témákon dolgoznak és milyen is a kutatói pálya.

#agykérdések: ezen a szálon a beérkezett kérdésekre próbálunk meg választ adni. Küldjetek tehát minél több, minél vadabb kérdést a szurkeallomany kukac koki pont hu címre. Pl: Mi az az MSG és miért kapok tőle fejfájást? Mi a déja vu? Miért nem tudok egy verset megtanulni amikor a matek meg jól megy? Miért van (vagy volt) taurin az energiaitalokban (és már miért nincs)?

#könyvajánló: ebben a rovatban újonnan megjelent vagy már régóta elérető figyelemre méltó, szemléletformáló könyvekről írunk. Olyan könyveket is megemlítünk majd amelyek angolul íródtak és még sajnos nincs magyar fordításuk, de fontosnak tartjuk. Hátha ez vesz rá valakit hogy angol nyelvtudását csiszolja.

#AI: A mesterséges intelligencia és az ember agy kapcsolatát érintő témák

A blognak Bluesky @szurkeallomany.bsky.social, X/Twitter @SzurkeallomanyB, Instagram @szurkeallomany és Facebook @SzurkeAllomanyBlog jelenléte is van. Elérhető RSS feeden is.

írhatsz nekünk a szurkeallomany@koki.hu címre.

Vágjunk hát bele Együtt!

Jó utat

Dr. Gulyás Attila

# Elméleti keretek

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.

Iránytűnek szolgáljon a kíváncsiság és a kételkedés. A legfontosabb, hogy tudjuk, ha valaki valamiről kételkedés nélkül azt állítja, hogy az biztos úgy van az nem tudós elme, hanem dogmatikus. A tudomány tényeken alapul. Ezek olyan megfigyelések, amiket bizonyítékok támasztanak alá és jelenlegi tudásunk szerint nem mond nekik ellen semmi. Egy tudományos elmélet, pedig egy olyan magyarázat, mely az eddig megismert tényeken alapul és nincs neki ellentmondó tapasztalat. Egy tudós mindig nyitott kell legyen arra, hogy ha olyan adattal találkozik, ami ellentmond az eddigi tényeknek és ezeken alapuló elméletnek, akkor az elméletet elvesse és az új tényeket beillesztve akár gyökeresen új elméletet dolgozzon ki. Lásd ugye az elcsépelt példákat, hogyan váltotta fel az Einsteini általános relativitás elmélete a Newtoni mechanikát, mivel az nem tudta megmagyarázni a Merkúr perihélium vándorlását. Illetve, hogy a kvantum mechanika hogyan nőtt ki abból, hogy a statisztikus fizika nem tudta megmagyarázni a fekete test sugárzás színképét.

Lévén az agy biológiai objektum, természetesen a természettudomány Darwin által feltárt egyik legfontosabb mechanizmusát a Természetes Kiválasztódás-t, az Evolúció elmélet-ét tekintjük át először. Utána a természettudományok mindegyikében megjelenő szerveződési szintek fogalmát és a hozzá kapcsolódó Emergencia (Felbukkanás?) jelenségét tárgyaljuk. Kicsit majd később az ideghálózatok működésének egyik legelfogadottabb elméletét a Parallel Disztributed Processing-et (PDP, magyarul Párhuzamos Megosztott Feldolgozás-t) és állításai mutatjuk be röviden.

# Keretezzünk elméletekkel I: A vak órásmester

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.

Az evolúciós mechanizmus 3 fő leme: replikáció, mutáció, szelekció

Mik is ennek a következményei? 1) Először is az evolúciós mechanizmus vak, nincsenek céljai, nem halad semmilyen kiválasztott irányba (Dawkins: A vak órásmester). Hogy melyik gének kedvezőbbek és melyik irányba fejlődnek az élőlények, azt a véletlen és a környezet határozza meg. 2) Ugyanezek miatt az evolúciós megoldások nem feltétlenül elegánsak, hatékonyak és átgondoltak hiszen csak arra választódtak ki, hogy adott környezetben jobb megoldást adjanak, mint egy másik. Az evolúció leginkább a barkácsolásra, buherálásra (angolul tinkering) hasonlít, abból építkezik, amit a megörökölt sufniban (genomban, DNS készlet) talál. 3) Ennek egyik megnyilvánulása, hogy sok esetben egy-egy gént vagy mechanizmust teljesen más célra használ fel az evolúció, mint amire eredetileg kifejlődött. Így lettek például a kétéltűek álkapocs csontjaiból hallócsontok az emlősökben, a halak oldalvonalszervéből így alakult ki az egyensúlyt érzékelő szervünk, vagy a nyálmirigyekből méregmirigyek alakultak a kígyókban. 4) Az evolúció során keletkezett megoldás hordozza az összes felmenő történetét. Lásd a már csak gondokat okozó bölcsesség fog és vakbél esetét (bár utóbbiról kezdik sejteni, hogy az immunrendszer fontos eleme lehet). De példa erre, hogy bár a madarak már elvesztették fogaikat (mert feleslegesen nehezek) de a fogzománc készítésének génjei még mindig ott lappanganak genomjukban. 5) Egy gén és egy ezáltal meghatározott tulajdonság önmagában nem jó vagy rossz, hanem csak egy adott környezetben minősül. De igaz ez az élőlényekre is. Sikeresebb-e az ember, mint a multidrog-rezisztens Staphilococcus aureus vagy az Antarktiszi krill ami jelenleg a legtömegesebb élőlény a világon? Az adott környezetben nem állíthatjuk ezt. Az ember jóval összetettebb és ha csak ki nem irtjuk magunkat minden esélyünk megvan arra, hogy jelentősen megváltozott környezetben is túléljünk. Bizonyíték erre, hogy emberek a föld minden égövén megélnek, sőt mostanában már a tengerek mélyén és a világűrben is.

Még egy fontos dolog: amikor pl. az emberi agy bonyolultságát csodáljuk, ne felejtsük el az iszonyatos számokat, amivel az evolúció dolgozik. Számoljunk egy kicsit. A Föld, jelenlegi tudásunk szerint (ugye sosem állítunk valamit bizonyosan) 4,54 milliárd éves. Az első életre utaló nyomokat 3,2-3,8 milliárd évesnek teszik. Mivel őseink az evolúció során elsősorban rövid generációs idejű élőlényekként léteztek, legalább ennyi generációja élt az élőlényeknek, de valószínűbb ez 1-2 nagyságrenddel nagyobb (~1x10^11). Ezzel megbecsültük az idő léptékét. Most becsüljük meg a tér léptékét, azaz, hogy egy adott pillanatban egy fajnak hány egyede élhetett, akinek utódjai hosszútávon versenyeztek egymással a túlélésért. Ez nehezebb feladat, hiszen nem tudjuk hány faj élt egy időben a különböző korokban. De ez a szám nem valószínű, hogy kisebb volt, mint jó néhány milliárd (~1x10^10). Vagyis 1x10^11 x 1x10^10 azaz 1x10^21 szelekciós esemény legalább történt időközben.

Hogy az evolúciós szelekció szigorúságát megértsük gondoljuk át azt, hogy a földtörténet során 1 egyednek átlagosan 1 utódja marad életben. Amennyiben ez nem így lenne a Földön egyre több élőlény lenne, márpedig nem ez a helyzet. Akinél ez kisebb, mint 1, az kihal, akinél pedig nagyobb, az elterjed, de ez kiátlagolódik a kihalókkal. Képzeljük el, hogy egy tölgyfa 300 évig él és évente 10,000 makkot terem, azaz élete során 3 milliót. Azonban ennek a tölgyfának hosszútávon és statisztikusan csak 1 utódja fog makkokat teremni. Ez azt jelenti, hogy a tölgyfa esetében 1 a 3 millióhoz az esély, hogy nagyszülő legyen! Ilyen számokkal dolgozik a természetes szelekció! Nyilván a tölgy esetében sok függ a véletlentől, hiszen, hogy egy makk felnő-e függ attól hova hullik a makk, milyen az időjárás az adott évben és jár-e arra turkáló vaddisznó. Nem véletlen, hogy az állatokban kialakult az idegrendszer, hiszen az jelentősen csökkenti a véletlen hatások esélyét (erről is beszélünk majd) és ezért kevesebb utódot kell létrehozni.

Agyunk kialakulása tehát egy igen hosszú, szigorú, de vak folyamat eredménye és amikor elemeit próbáljuk megérteni ezt ne felejtsük!

# Keretezzünk elméletekkel II: A szerveződési szintek fogalma

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.

Az anyag alkotóelemei tehát különböző szinteken egyre összetettebb rendszereket alkotnak. Az egyes szintekre jellemzőek kölcsönhatási módok. A kvarkokat a gluonok ragasztják az erős kölcsönhatás útján nukleonokká. A nukleonokat a gyenge kölcsönhatás tartja össze atommaggá. Az atomban a magot és az elektronokat az elektromágneses kölcsönhatás köti. Ugyanez a kölcsönhatás dolgozik a molekulák szintjén is. A fehérjéket is az elektrosztatikus erők kapcsolják molekuláris szerkezetekbe, majd sejtekbe. A sejtek jelátvivő anyagok és felszíni receptorok útján kommunikálnak és állnak össze szövetekké és szervekké. Az egyedet alkotó szervek az idegrendszer elektromos és hormonális utasításait követik. Az egyre fejlettebb közösségeket alkotó fajok viselkedését illat, mozdulat, hang (szélsőséges esetben beszéd) útján hatnak kölcsön és szervezik közösségeiket. A társadalmakat az eszmék, a pénz, az adózás és még sok más kölcsönhatási mód szervezi. Jellemző tehát minden szintre egy vagy több azt szervező kölcsönhatás.

Fontos alapelv, hogy egy szerveződési szint vizsgálatához és megértéséhez nem feltétlenül kell az összes szerveződési szintet értenünk. Ez látszik a tudományok kialakulásának történetében is. A még mindennel foglalkozó klasszikus filozófusokat az ismeretanyag halmozódása miatt a középkorban felváltották a természet egy-egy aspektusát vizsgáló kutatók: csillagászok, alkímisták, matematikusok, filozófusok. Ezekből a tudományágakból aztán kialakultak az iskolában tanított természettudományos tárgyakkal foglalkozó tudományágak, melyek rájuk jellemző mérési módszereket, megközelítéseket és műszereket használnak.

Ám ahogy ismereteink és kérdéseink sza porodtak a XX. században kiderült, hogy minden mindennel összefügg. Kialakultak a határtudományok (biokémia, biofizika, fizikai kémia, stb), hiszen az alaposabb megértéshez szükség van arra, hogy feltárjuk a szerveződési szintek hogyan függenek össze és egy szint kölcsönhatásai hogyan vezetnek a felette álló szint tulajdonságaihoz. Ez nem egy könnyű kérdés, a szintváltásoknál ugyanis látszólag új, megmagyarázhatatlan tulajdonságok bukkannak fel. A felbukkanás kifejezés angolul-latinul „emergence”, magyarosan „emergencia”, mely a jelenséget leíró fogalommá vált (http://consc.net/papers/emergence.pdf ). Az elemekből összeálló rendszer megértésének legújabb módszerei a számítógépes modellezés és a big-data elemzése összetett matematikai módszerekkel.

# ﻿Mi az az idegtudomány?

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.

## Alulról felfelé

Az agyműködés megértését, mint számos összetett fizikai jelenségét, két irányból lehet közelíteni: alulról a molekulák, sejtek felől indulva és az idegsejthálózatok felé haladva (ez a „bottom-up”, azaz az alulról felfele építkező megközelítés), illetve felülről, a viselkedés és gondolkodás felől indulva az agyműködés szabályainak megértésének szándékával (ez a „top-down”, azaz felülről-lefelé haladó megközelítés). Az előbbit a neurobiológusok az utóbbit a pszichológusok, neurológusok, megismeréskutatók (cognitive scientist) művelik, az agy működését más szerveződési szinteken, eltérő módszerekkel vizsgálva. A neurobiológust gyakran keverik össze a neurológussal. Míg az előbbi egy biológus, aki az idegsejtek működésének alapelveit próbálja felderíteni, elsősorban kísérleti állatokban, az utóbbi orvosi diplomával rendelkezik és embereket gyógyít.

A neurobiológusok (jómagam is) az apró dolgok felől indulnak. Az idegsejtek felépítését és kölcsönhatásait, valamint a magatartás, viselkedés, mentális betegségek idegsejtek szintjén megnyilvánuló jellegzetességeit vizsgálják anatómia és élettani módszerekkel. Mikroszkópot, elektronmikroszkópot, különböző szövet festési technikt, valamint egy vagy több sejt működésének vizsgálatára alkalmas elektrofiziológiai módszereket alkalmaznak. A technikákról bővebben lesz majd szó az #agytechnikák rovatban.

## Felülről-lefelé

A másik irányból, a viselkedés felől közelítő pszichológusok és megismeréskutatók a magatartás, gondolkodás, memória elemeit, kapcsolatait és struktúráit vizsgálják kérdésekkel, reakcióidő mérésével és egyéb tesztekkel. A neurológusok és pszichiáterek a megbetegedett agy elváltozott struktúráinak, illetve megváltozott gondolkodásmódjának vizsgálatával járulnak hozzá ahhoz, hogy megértsük az agy működését.

Az agy megértésének problémáján dolgozók között egyre fontosabb szerepe van az idegrendszer működését modellező és a komplex mérési eredmények feldolgozásában résztvevő, idegtudósokhoz csatlakozó matematikusoknak, fizikusoknak és adatbányászoknak. Ők fontos új szemléletmódokat és szaktudást hoznak magukkal tudományágaikból.

Ugyanígy fontos a tudat-filozófusok hozzájárulása is, akik új nézőpontokkal és irányok kijelöléséve mutatnak új kutatási irányokat (pl. Daniel Dennet, Steven Pinker (ő inkább pszichológus/nyelvész), John Searle, Thomas Nagel).

## Középen összeértünk: A neuropszichológia

A két klasszikus megközelítés követői több mint száz éve dolgoztak egy alagút két végének építésén, egymás munkáira nem sokat reagálva, ritkán kölcsönhatva.

A kétezres évek második évtizede viszont hihetetlenül izgalmas volt. A számítási kapacitás hihetetlen fejlődése lehetővé tette egyrészt az agyi folyamatok finomfelbontású műszeres vizsgálatát (fMRI, sokcsatornás EEG), másrészt a big-data és a hálózatkutatás módszereinek az agyműködés elemzésére való felhasználtását. Ezzel lehetővé vált, hogy a két, ellenkező irányból induló megközelítés találkozzon egymással. Alapvonalakban mostanra megértettük azt, hogy idegsejtek kölcsönhatásából hogyan alakulhat ki az idegi mintázatok térben és időben szervezett váltakozása, mely a tudatosság kialakulásához vezet.

# Keretezzünk elméletekkel II: Az Emergencia fogalma

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.

Ez a jelenség az emergencia (felbukkanás).

Aki hallott már Conway Életjáték nevű igen egyszerű szabályokon alapuló sejtautomatájáról az már ismer is egy emergens rendszert. Ha nagy nagyítással nézzük a fejlődő sejteket akkor villogó kis alakzatokat látunk, amik az igen egyszerű szabályok alapján egymásba alakulnak vagy eltűnnek.

De ha szigorú rendben helyezünk el egy hatalmas területen pontokat akkor abból egy nagy, bonyolult viselkedést mutató struktúra is kialakulhat. Ügyes matematikusok még számítógépet is építettek az életjáték sejtjeivel, ami tetszőlegesen bonyolult feladatokat is meg tud oldani (igaz rettentően hosszú idő alatt). Egy ilyen gép központi „processzora” látható alant. Alkatrészei, apró, folyamatosan változó elemekből állnak.

A fenti "számítógép" rengeteg elemből áll, nagyon bele kell nagyítani ha az egyedi "sejteket" látni akarjuk. Hasonló a lépték-különbség egy sejt aminosavakból álló fehérjéi és egy működő sejt között is. Hasonlóan sok funkciót ellátó tulajdonságok fakadnak a fehérjék kölcsönhatásából.

De hogyan fakadnak az egyik szint tulajdonságaiból a magasabb szint tulajdonságai?

A kutatók/filozófusok megkülönböztetnek gyenge és erős emergenciát. Az erős emergencia azt jelenti, hogy a felbukkanó tulajdonságok váratlanok, nem egyértelműen fakadnak az összetevők tulajdonságaiból, nem tudjuk megmagyarázni őket. A gyenge emergencia azt jelenti, hogy ugyan a tulajdonságok mások, de könnyen levezethetők az alkotórészek tulajdonságaiból és kölcsönhatásaiból. A tudomány története során persze gyakran válik az erős emergencia gyengévé. A levegővel tellt lufi példájával is ez történt. A hangsebesség és fajhő megmagyarázhatatlan értékeit a Maxwell, Boltzman és Gibbs által megalapozott statisztikus mechanika tökéletesen megmagyarázta. Az ütköző molekulák között statisztikusan terjedő nyomáshullám sebessége a hangsebesség, a molekulák növekvő sebessége, forgása és rezgése által elnyelt energiamennyiség a fajhő, stb.

Hogy a következő szinten miért jelennek meg a tulajdonságok, arra talán a legjobb magyarázat az, hogy az elemeknek vannak olyan tulajdonságaik amik az alacsonyabb szinten nemigen nyilvánulnak meg. Ha azonban sok elemet összeteszünk akkor ezek a látszólag elhanyagolható tulajdonságok elkezdik alakítani a rendszer viselkedését. A gázzal tellt lufiban az elemek az atomok (ha héliumos lufiról van szó) vagy molekulák (ha levegővel fújtuk fel). Az atomi szinten a protonokat és a neutronokat, valamint az atommagokat az erős és a gyenge kölcsönhatás tartja össze, az atomban a magot és az elektronfelhőt, pedig az elektromos vonzás (ami az elektromágneses kölcsönhatás egyik megnyilvánulása). Amikor sok molekulát a lufiba zárunk, az atommagban ható kölcsönhatások nem nagyon fognak látszódni, csak az, hogy vannak atomok. Az összevissza pattogó molekulák egyetlen kölcsönhatás útján az elektromos erőtér útján hatnak kölcsön. Amikor két molekula összeütközik, elektronjaik taszítják egymást, eltorzulnak a pozitív atommag körül, majd amikor visszarendeződnek, a két molekula elpattan egymástól. Az elektronmágneses tér rugóként nyilvánul meg. Ebből az új -emergens, felbukkanó- tulajdonságból, a rugalmasságból származik a hangsebesség, az összenyomhatóság. A molekulák mellett elcikázó fotonok szintén kölcsönhatásba lépnek azok elektronfelhőjével és lelassulnak, eltérülnek, ebből fakad a gázok törésmutatója és fényszórása. Amikor atomokat molekulákká rendezünk újabb emergencia is feltűnik, az atomok molekulákon belüli térbeli helyzete. Az atomokat kettesével rendezve (O2, N2) kicsi pálcikákat kapunk, hármasával rendezve (H2O) kicsi háromszög alakot. Amíg egy magányos atom nem tud forogni, rezegni, addig egy molekula már tud pörögni és az atomok egymáshoz képest rezegni a kötések mentén (szintén az elektromos erőnek köszönhetően). Ezek mind hozzájárulnak ahhoz, hogy a molekulák mennyi energiát tudnak elraktározni, megjelenik a fajhő (emergens) tulajdonsága.

Vannak persze olyan emergenciák, amik továbbra is erősek és ez már a filozófusok kenyere, hogy biztos azok is maradnak-e majd, vagy idővel minden emergenciát sikerül megértenünk.

Lehet nem tűnt úgy, de amit eddig végig-gondoltunk az igencsak fontos sétánk szempontjából. A mai tudomány egyik legerősebb emergenciája (egyesek szerint az egyetlen) az agy működése során a tudatosságot kísérő belső élmény (kválé), mely kialakulásának megmagyarázására egyelőre lövésünk sincs. Részletesebben lásd majd a hamarosan megjelenő: „Miről nem beszélünk" bejegyzést.

A séta végére majd látni fogjuk, a tudatosság körül van egy gyenge emergencia is. Remélem, hogy akik követnek megértik a tudatosság sok vonását és, hogy ezeket hogyan alapozzák meg az agy szerkezetének és működésének egymásra épülő szintjei a maguk emergens tulajdonságaikkal.

Zárásként egy gyors útiterv az agyműködés megértése során érintett szintekről és emergenciákról:

-Az idegsejtek felszínén található ioncsatornákon és receptorokon folyó áramok alapozzák meg az idegsejtek jelintegrációjának szabályait és vezetnek ahhoz, hogy az idegsejtek kölcsönhatásba tudnak lépni egymással

-A kölcsönható idegsejtek hálózatában megjelennek a sejtaktivitás mintázatok, amik a külvilágot reprezentálják és kölcsönhatnak, illetve a szinaptikus súlyok módosulása kapcsán memórianyomok alakulnak ki, amik befolyásolják az idegsejtek aktivitásának fejlődését, az információ feldolgozását

-Az egyes agykérgi hálózatok összekapcsolódnak egy magasabb rendű hálózattá, melyek alacsonyabb szinten az ingerek alapvető tulajdonságait értékelik, magasabb szinten összetettebb mintázatokat, fogalmakat alakítanak ki

-Az eltérő szintű információfeldolgozást végző agyterületek térben és időben pontosan összehangolt kölcsönhatása alapozza meg a tudatosságot. A feldolgozás korai fázisait végző agyterületeken az információ feldolgozása mindig megtörténik, a tudatosságba akkor kerül be az információ amikor a magasabb rendű agyterületek is aktiválódnak és egy az adott feladatra jellemző kölcsönhatás alakul ki.

# Miről nem beszélünk

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!

Először is áltudományról nem fogunk beszélni. De mi is az és miért nem beszélünk róla?
Az emberek, vérmérsékletük szerint kétféle módon viszonyulnak a világhoz. Vannak, akik hisznek és vannak, akik meggyőződnek-vizsgálódnak. Mindkét megközelítés elfogadható, ha a maga keretei között marad (számomra legalábbis), de tudni kell, hogy teljesen eltérő alapokon állnak és eltérő, egymást kizáró módszereket használnak. A hit(ek) igazságaikat onnan nyerik, hogy valaki kinyilatkoztatta. Akik hisznek nem keresik az okokat, hanem elfogadják és igyekeznek hitüknek megfelelően élni.
Akik a vizsgálódás hívei, azoknak a Newton által javasolt tudományos módszertant kell szigorúan követniük. Azaz csak azt fogadják el aktuális igazságnak, amit a korábbi megfigyelések (kísérletek) igazoltak és semmilyen rendelkezésünkre álló ismeret nem mond neki ellen.
Az áltudományt onnan lehet megismerni, hogy a hit és a tudomány zavaros egyvelege. Valaki valamit gondol, majd állít, utána pedig, hogy igaznak tűnjön a tudományos módszertanból kölcsönzött szavakkal és fogalmakkal hadonászik, de nem építi fel az „igazságát” szilárd, tényeken álló, minden ponton támaszkodó alapokra. Gyakran figyelmen kívül hagyja az ellentmondó eredményeket, igen gyakran összeesküvés elméletet citál bizonyíték helyett. Nem személyeskednék itt példák felsorolásával.
A másik dolog, amiről nemigen írnánk, azok a megalapozatlan elméletek. Például hideglelést kapok tőle amikor (gyakran igen híres) fizikusok a kvantumelméletet citálják, mint a szabad akarat és tudatosság alapját. Ezzel szerintem több baj van. Egyrészt nem tudok arról, hogy bármiféle bizonyíték lenne rá, másrészt a kvantummechanika nélkül is meg tudunk magyarázni minden idegi jelenséget (egyelőre úgy tűnik a tudatosság kialakulását is). Occam borotvájára utalva, ha valamit egyszerűen meg tudunk magyarázni, akkor ne magyarázzuk bonyolultan. Mióta megírtam ezt a bejegyzést, olvastam Carlo Rovelli, magyarul is megjelent, Helgoland című könyvét. Akit érdekel a fizika mindenképp olvassa el, mert a kvatummechanika furcsaságainak egy nagyon egészséges gondolkodású feloldását adja, kellő tiszteletet mutat a komplexitás iránt és ami fontos, Ő is elveti a tudat-kvantummechanika hókuszpókuszait.
A telepátiáról és „agyhullámok” útján zajló távoli kommunikációról és gondolatbefolyásolásról se beszélünk (időközben megírtam egy szösszenet arról miért nem). Nagyobbrészt azért nem, mert nem vagyunk szakemberek a témában. Kisebb, de nem elhanyagolható részben pedig azért, mert nem támogatja létezésüket egyetlen komolyan vehető kísérlet sem. Sőt a fizika törvényei (hozzá kell tennem: mai tudásunk szerint) nemigen teszik lehetővé. Hogy miért, az az EEG jelek keletkezéséről szóló bejegyzésből sejthető lesz majd. De ha valaki rákérdez (szurkeallomany@koki.hu) szívesen kifejtem az #agykérdések rovatban.
Végül egy teljesen ideillő -filozófusok által sokat vizsgált - problémával sem fogunk foglalkozni, mert egyelőre, nem látjuk milyen módon lehetne megragadni. Ez pedig a „hard problem of consciousness”, a tudatosság nehéz problémája. Más néven „the problem of qualia”, a belső élmény, a kvália problémája. Az én pirosom ugyanolyan-e, mint másé? Van-e egyáltalán másnak piros érzete? Attól, hogy nekem van, nem kell szükségszerűen másnak is lennie, azaz lehet, hogy rajtam kívül mindenki zombi, vagyis látszólag úgy viselkedik, mint én, aki tudja magáról, hogy tudatos, de közben nem az. Valamelyest ugyanide tartozik a „hard AI”, azaz erős mesterséges intelligencia állítása is, hogy ha van egy fizikai rendszerünk, ami felépítésében pontosan megegyezik az emberi agyéval akkor azon automatikusan megjelenik a tudat és a tudat élménye. Az utóbbi kérdéshalmazra egyelőre nem tudunk kísérletet tervezni, ezért nem vizsgálható tudományosan és emiatt nem fogunk vele foglalkozni.
A két utóbbival ellentétben viszont, az „easy problem of consciousness”-t a tudatosság könnyű problémáját, a séta végére kb. megmagyarázottnak tekinthetjük. https://www.quora.com/What-is-the-easy-problem-of-consciousness

# Állandó, Változó, változó állandóság és állandó változás: a Homeosztázis fogalma I.

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?

Ha körülnézünk a minket körülvevő világban, a dolgok lehetnek állandóak vagy változhatnak. Az állandóság persze viszonylagos, de egy földön heverő sziklára mondhatjuk, hogy az állandóságot testesíti meg (legalábbis a mi életünk időléptékében). Ezt az állapotot mondják a fizikusok statikusnak.
A világban azonban a legtöbb dolog változik, még a kontinensek is vándorolnak. A változásoknak sok fajtája van. Ezeket a rendszereket a fizikusok dinamikus rendszereknek nevezik. A legegyszerűbb eset, hogy a rendszer elindul valahonnan és eljut valahova (szükségszerűen valami határhoz). Ilyen, amikor leesik egy alma a fáról, kihűl egy pohár tea vagy egy naprendszeren kívüli hiperbolikus pályán haladó aszteroida elszáguld a Föld mellett.

Állapotváltozói elindulnak valahonnan és változnak valameddig (esetenként a végpontban valami durva történik).

A változások gyakran lehetnek ismétlődőek, visszatérőek, körkörösek, azaz ciklikusak. Tavasz-nyár-ősz-tél-megint tavasz, leng az inga, kering a Hold a Föld körül stb. Ezekben az esetekben az állapotot leíró mérőszámok szabályos időközönként felveszik ugyanazokat az értékeket és a folyamat akár a végtelenségig ismétlődhet.
Történnek olyan változások is, amikor a következő pillanat megjósolhatatlan, valami más állapotba kerül a rendszer. Véletlennek mondjuk a viselkedését. Kihúzzák a lottószámokat, elbomlik egy atom egy radioaktív anyagban, a Dungeons and Dragons-ban 17-est dobunk az ikozaéder alakú dobó „kockánkkal”. A változók egy széles tartományban bármilyen értéket felvehetnek és ebben nincs szabályosság.
Az első három - a tömény unalomtól a mérsékelten érdekesig terjedő viselkedésű - rendszer (állandó, folyamatosan változó és visszatérő) leírását viszonylag gyorsan tudták kezelni a világ szabályait kereső fizikusok. A véletlennel már nehezebb a helyzet. Ugye akár mondhatjuk azt is, hogy véletlen nincs, csak nem tudunk eleget a rendszerről. Elképzelhető, hogy vannak olyan rendszerek, amik valóban véletlenek, másokról meg tudjuk, hogy nem tudunk eleget, ezért tűnnek véletlennek. De az embert érik meglepetések. Nagyon sokáig úgy gondolták, hogy a radioaktív bomlás az aztán igazán véletlen. Aztán valaki kimérte, hogy lehet mégsem, mert a klór izotópok felezési ideje függ az évszaktól. Ezt azzal magyarázták, hogy az év során a Föld-Nap távolság változik és emiatt a Napból a Földet elérő elemi részecskék, a neutrínók száma is. Ők pedig kellenek a negatív béta bomláshoz, azaz, hogy mikor bomlik el egy atom függ attól, hogy kölcsönhatásba lép-e egy igen kis hatáskeresztmetszetű neutrinóval. Így mondják flancosan a fizikusok azt, hogy nagyon-nagyon-nagyon kicsi az esélye annak, hogy egy neutrínó eltaláljon egy neutront és a negatív béta bomlás megtörténjen. Véletlennek látszik, pedig nem az.
A következő viselkedéstípust a fizikusok és matematikusok találták nem is olyan régen, amikor a véletlen és a bonyolultság határmezsgyéjén kutakodtak. Ezt a viselkedést kaotikusnak mondják és a viselkedést leíró elmélet a káosz elmélet. Ez azt mondja ki, hogy viszonylag egyszerűtől egészen bonyolultig léteznek olyan rendszerek, melyek a lehetséges állapotok közül nem veszik fel az összeset, hanem viselkedésük behatárolt. Annak ellenére, hogy jövőbeli viselkedésüket egyértelműen meghatározza jelenlegi állapotuk (azaz determinisztikusan, meghatározottan viselkednek) azt, hogy egy bizonyos időpontban pontosan hol lesznek, még elméletileg sem lehet pontosan megjósolni. Klasszikus példa az időjárás. Azt tudjuk, hogy Magyarországon egyelőre nem szokott -20 foknál hidegebb lenni és 40 foknál melegebb, illetve, hogy van, amikor szárazság van, de van, amikor csapadék hullik. Viszont azt, hogy jövő év március idusán milyen lesz a hőmérséklet és a csapadékmennyiség csak körülbelül lehet megmondani, pontosan nem. Kaotikus még a tőzsde viselkedése, a szakálldivat és ha nagy időtávlatban nézzük, akkor a naprendszerben keringő égitestek mozgása is az.
A kaotikus rendszerekre jellemző, hogy pici beavatkozások idővel nagy különbségekhez vezethetnek (pillangó effektus), mivel a bennük lévő elemek sokat lépnek kölcsönhatásba egymással és ez felerősíti az eltéréseket. A lezajló folyamatok ugyan szigorúan meghatározottak (a kiinduló állapotból következik a végállapot, determinisztikusak), de mivel nem tudjuk végtelen pontossággal megmérni a kiindulási állapotot, ezért nem tudjuk tetszőlegesen távoli időpontra kiszámolni hol lesz akkor a rendszer.
Egy kicsit leegyszerűsített példa: van egy dobozunk, aminek két fala között oda vissza pattog egy labda (tegyük fel, hogy ez végtelenségig mehet). Ha tetszőleges időpontban ránézünk a labdára akkor az a dobozon belül van valahol, de kívül nincs (most felejtsük el a kvantummechanika viccelődéseit). Azaz mondjuk az 1 méter hosszú dobozban 0 és 100 cm között lehet. Amikor elindítunk egy stoppert akkor indul a labda az egyik faltól. Ha sebességét egy tizedesjegy pontossággal tudjuk megmérni, az azt jelenti 10% bizonytalanságunk van sebességét illetően (mert a második tizedesjegyben bizonytalanok vagyunk). Ha a labda sebességére 1m/s-ot mértünk akkor tudjuk, hogy 1 másodperc múlva valahol a doboz másik falánál lesz és 2 másodperc múlva, valahol a kiindulás környékén. De van 10% bizonytalanságunk, tehát a labda 2 másodperc múlva egy 20cm-es szakaszon bárhol lehet. Ez azt mondja, hogy 10 másodperc múlva akárhol lehet a dobozban. Ha pontosabban mérünk, mondjuk 2 tizedesjeggyel akkor is eljön az az idő, amikor a labda bárhol lehet (ez példánkban 100 másodperc múlva következik be). Akármilyen pontosan is mérünk mindig eljön az az idő amikor fogalmunk sincs arról hol van a labda, pedig mozgása determinisztikus, követi a fizikai törvényeket. Ha dobozunkban nem 1 hanem 2 labda van akkor a kölcsönhatások miatt még hamarabb bekövetkezik, hogy nem tudjuk ki hol van. Minél több a rendszerben a kölcsönhatás annál hamarabb következik be, hogy nem lehet tudni a kiindulásból, hogy milyen állapotban lesz a rendszer később.

A káoszelmélet komoly tudománnyá fejlődött, komplex matematikai fegyvertárral. Egyik fontos eredménye az, hogy megfigyelve, hogy a rendszer a lehetséges állapotok közül melyeket veszi fel és milyen útvonalakon (trajektóriákon) halad végig a lehetséges állapotok között, következtetéseket lehet levonni arról hány meghatározó eleme lehet a rendszernek és ezek hányféle módon hatnak kölcsön.

De hol itt a homeosztázis?

Türelem, egy hatalmas épületnek komoly alapokat kell ásni. Ezzel szerencsére meg is vagyunk. De hogy ne legyen emészthetetlen a mai bejegyzés, no meg mindneki izgatottan várja hova futunk ki, a földszintet és a tetőt a következő részben építjük fel.

# Állandó, Változó, változó állandóság és állandó változás. A Homeosztázis fogalma II.

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.

Ezt a viselkedést, azaz a homeosztázisra (belső egyensúlyra) való törekvést elsősorban az élőlények mutatják. Számos olyan anyagcsere és viselkedési folyamattal rendelkeznek, melyek a túlélést biztosító állandósághoz elengedhetetlenek: hőmérséklet szabályozás, vércukorszint szabályozás és vízháztartás szabályozás.

De néhány homeosztatikus folyamatot a Föld is mutat. Például: ha erős a napsugárzás, akkor az elpárolgó víz felhőket alkot, amelyek pedig visszaverik a napfényt és csökkentik a napsugárzást, ezáltal a Földfelszínre jutó hőmennyiséget. Sok ilyen folyamatnak az élővilág is fontos eleme. Ezeket a folyamatokat megfigyelve alkotta meg James Lovelock és Lynn Margulis a Gaia – Földanya elméletet, mely azt mondja ki, hogy a Földön azért alakulhatott ki és maradhatott fenn az Élet, mert kezdetben olyan geológiai, majd később olyan biológiai-geológiai folyamatokat mutatott fel, melyek a Föld állapotváltozóit az élet fennmaradásához alkalmas értékek között tartják.
Azt, hogy az élőlényekre jellemzőek a belső környezet aktív beállításának folyamatai Claude Bernard írta le 1849ben. A homeosztázis fogalmat pedig Walter Bradford Cannon alkotta meg 1926-ban.
Hogy a Föld már az élet megjelenése előtt homeosztatikus folyamatokat mutatott, az a puszta szerencse eredménye. Úgy szerveződtek geológiai, meteorológiai kölcsönhatások, hogy kiegyenlítették egymást. De mondhatjuk azt is, hogy azért vannak ezek a Földön, mert nekünk, élőlényeknek, tudatos embereknek nem lett volna lehetőségünk megjelenni egy ilyen tulajdonságokat nem mutató bolygón (antropikus elv).
Azt, hogy az élőlények homeosztatikus folyamatokat mutatnak már a természetes kiválasztódás eredménye, azaz az evolúció terméke (amiben van persze jócskán véletlen is). Daniel Dennett, Freedom evolves (A szabadság kifejlődik) című könyvében zseniális képben mutatja be az élő rendszerek egyik alapvető trükkjét, az elkerülést, mely a homeosztázis biztosításának egyik elegáns módja. A könyv a determinizmus (a fizikai törvények által szigorúan meghatározott viselkedés) és a szabad akarat látszólagos ellentmondásának feloldásában csúcsosodik ki, szóval fogunk még vele találkozni.
A példában ülünk Newton almafája alatt, amiről leszakad egy alma és a fejünk felé kezd esni. A gravitáció kérlelhetetlen törvényei szerint a fejünkre kell essen. De mivel mi szemmel és aggyal rendelkező élőlények vagyunk, akik mozgásra is képesek, amikor látjuk, hogy az alma megindul, felugrunk, félrelépünk, és ezzel elkerüljük, hogy a fejünkre essen. Hoppá! Minden determinisztikus, mégsem esett fejünkre az alma! Ezt annak köszönhetjük, hogy azon őseink éltek túl az evolúció során, akikben kialakultak olyan rendszerek, melyek képesek voltak a környezet hatásait elkerülni, homeosztázist biztosító folyamatokat fejlesztettek. Dennett azt hangsúlyozza, hogy az élőlényekben elkerülő rendszerek fejlődtek ki az evolúció során, hogy testi épségüket egy változó környezetben is képesek legyenek megőrizni. Enélkül nem élnének túl! Ezekből, szervezetük szerveződési szintjein számtalan van pozitív és negatív visszacsatolás formájában, kezdve a baktériumok lacZ operonjától mely érzékeli, ha feldolgozható cukor jelenik meg a környezetben és elkezdi ennek feldolgozó enzimjét termelni, folytatva az izzadással, mely párolgás útján hűti testünket, ha meleg van vagy komoly fizikai munkát végzünk és befejezve agyunkkal, mely az energiaárak emelkedése hallatán födém hőszigetelésre sarkall minket.
Ezen az egész kacifántos, nem is az ókori görögöknél, hanem a prekambriumban kezdődő történeten azért sétáltunk végig, mert agyunk homeosztázisunk biztosításának egyik legkifinomultabb szerve. Az #agyséta során majd végigmegyünk az agy szerveződésének 4 szintjén. Mint látjuk majd mindegyik szinthez tartozik egy-egy, egyre magasabb szintű homeosztázist biztosító funkció. Az idegsejtek reflexeket, egyszerű elkerüléseket képesek végrehajtani. A kis hálózatok már egyszerű döntéseket tudnak hozni. A hálózatokból összeálló agykérgi területek modellezni és megjósolni képesek a világot, ezáltal a homeosztatikus folyamatokat felkészítik a jövőre. Végül az agykérgi területek kölcsönhatásának térben és időben precízen szervezett összjátéka a tudatosság és a gondolkodás képességét hozza létre, melyek egy igen kifinomult előrejelző és tervező lehetőséggel testünkön túlra is kihelyezi a homeosztázis biztosítását.
Túllépünk az egyénen. A társadalomban élő emberek technológiával, törvényekkel és szervezetekkel terjesztik ki a homeosztázist egyre nagyobb területekre. A búvárok oxigén palackja, az űrhajósok űrruhája és a sarkkutatók pehelykabátja kiterjeszti azt a teret, ahol megélhetünk, hiszen magunkkal visszük mesterséges, homeosztatázist biztosító rendszereinket. Ha innen nézzük az Alapvető Emberi Jogok között számos van, ami homeosztázisunkat hivatott szavatolni: az élelemhez, lakhatáshoz, neveléshez, kultúrához való jogok.

Kérdés: Milyen élettelen homeosztatikus megoldásokat ismertek? Milyen szinteken jelennek meg még egyensúlyt biztosító rendszerek?

Jó gondolkodást!

# A korai evolúció és a többsejtűek kialakulása

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.

Az élet története igen hosszú. A Föld 4,54 milliárd éves, az óceánok 4,5 milliárd éve jelentek meg. A jelenlegi becslések alapján az élet már nem sokkal ezután, 4,41 milliárd éve megjelenhetett, de 3,465 milliárd éve már egész biztosan kialakultak az első egysejtű élőlények. Ezután sok-sok száz millió évig nagyon lassan haladtak a dolgok. 2,1-1,7 milliárd évvel ezelőtt megjelentek a sejtmaggal rendelkező sejtek, az eukarióták, és közöttük kialakultak az endoszimbióta mitokondriumokkal felszerelt egysejtű „állatok” (és „gombák”) valamint a mitokondriumokkal és színtestekkel (chloroplasztokkal) bíró egysejtű „növények”. Ekkor begyorsult a fejlődés, mivel a sejtmag bonyolultabb genetikai szabályozási mechanizmusokat tett lehetővé. Az evolúció hatékonyabban kezdhetett el kísérletezni, illetve több üzemanyag is állt a rendelkezésére, mert az endoszimbionták hatékonyan gyorsították az eukarióták anyagcseréjét. Azért még így is 1 milliárd évet kellett várni az első többsejtűek felbukkanására, ami azután következett be 650 millió éve, hogy megúsztuk, a Föld örökre hógolyóvá fagyjon. Ezek kezdetben csak hasonló sejtekből álló kupacok, majd kicsit később testüreggel rendelkező szivacsszerűségek voltak. Ezek a jószágok legtöbbnyire csak lebegtek, táplálékot szűrögettek a tengerből, sok érdekeset nem csináltak (meg se kövesedtek). Aztán valami történt és mint az 575 millió évvel ezelőtti Avalon robbanást megörökítő ausztráliában talált Ediacara fauna, majd az ezt követő Kambriumi robbanást megőrző kanadai Burghess pala bemutatja, hihetetlen sebességgel alakultak ki a bonyolultabb életformák. Megjelentek a lábak, karmok, szemek, állkapcsok. Ezeknek azonban csak akkor van szerepe, ha az állat tudja merre kell menni, mit kell elkapni és mi elöl kell menekülni.
Az idegrendszer kialakulása tehát alapvető lépése volt a testszerkezet bonyolódásának. Az idegrendszer meghatározó szerepe meg is őrződött az alapvető embrionális folyamatokba kövesedve.

Egy megtermékenyített petesejtből kialakuló zigóta (egyszerű soksejtű sejtcsomó) felszínén lemezbe kezd tömörödni az osztódó sejtek egy része. Ezek alkotják majd az élőlény kültakaróját, bőrét, szaknyelven az ektodermát (hám), az első csíralemezt. Az első struktúra, ami ezeken a lemezeken kifejlődik az egy redő, az alján egy hosszanti mélyedéssel. Ez a hosszú mélyedés lefűződik, ebből lesz a velőcső, a központi idegrendszer alapja és őse. Ekkor az állatkának még se bele, se izmai, se csontjai nincsenek. Ezek kialakulását majd a velőcső és az ektoderma (hám) összjátéka fogja kialakítani. A gerinc őse a notochord (a harmadik csíralemez, a mesoderma egyik első eleme) a velőcső alatt kezd kialakulni a belet alkotó entoderma (második csíralemez) pedig ennek túloldalán. Az idegsejtek és bőr hámsejtjei tehát igen közel állnak egymáshoz kialakulásukban és genetikai szabályozásukban. A hámsejtek bizonyos fajtáinak külvilág felé eső felszínén csillók találhatók. De találhatunk csillókat érzéksejteken is, sőt sokszor találtam az elektronmikroszkópos vizsgálódásaim során olyan agykérgi idegsejtet, amely „megfeledkezett” arról, hogy ő már nem hámsejt és néhány csilló fityegett a sejtmagja közelében.
De miért alakultak ki többsejtű szervezetek és mi történt a többsejtűség megjelenésekor?
Ha egy élőlény többféle feladatot tud megoldani, több vagy nehezebb környezetben is hatékonyan meg tud élni és ezzel előnyre tesz szert versenytársaival szemben. Egy sejt a genetikai szabályozás, a sejtfelépítés megkötései és a sejten belüli jel-átvivő rendszerek kis száma miatt egyszerre viszonylag kevés feladatnak tud jól megfelelni és kevés ingerre tud megfelelően reagálni. Az például, hogy egy sejt ellenálló legyen, ellentétes kívánalmakat támaszt azzal, hogy egy sejt hatékonyan tudjon tápanyagot felvenni. Az egyik esetben egy erős, ellenálló sejthártya szerkezetet kell építeni a másikban egy olyat, mely tele van anyagokat átengedő csatornákkal. Hasonlóan ellentétesek a merevség és a rugalmasság, alakíthatóság molekuláris szerkezeti elvárásai. Ezt a problémát az evolúció úgy oldotta meg, hogy míg korábban a sejtosztódás során (a szaporodás egyetlen formája) a két utódsejt egyforma tulajdonságokkal bírt és szétvált, a többsejtűség kialakulásakor a sejtek összetapadva maradtak és eltérő tulajdonságokat kezdtek el mutatni. A feladatmegosztásból az együtt maradt sejtek mindegyike előnyöket szerzett, igaz ezzel elköteleződött a közösségi élet felé (önmagában már nem lenne életképes), kialakult egy magasabb szintű életforma az egyed.
A feladatmegosztás során a felszínen maradó sejtek más szerkezeteket építettek és eltérő anyagcsere folyamatokat kezdtek el használni, mint a mélyebben fekvő sejtek. Ehhez persze szükség volt arra, hogy a megfelelő szabályozó rendszerek és az őket megvalósító genetikai szabályozó mechanizmusok, illetve szerkezetet és működést megvalósító fehérjék ki is alakuljanak. Megjelentek a sejtfelszínen a különböző sejt-azonosságot mutató molekulák, aminek az alapján két összeérő sejt jelezni és érzékelni tudta szomszédjának mi a feladata és hogy ő maga milyen irányba specializálódjon, milyen szakértelmet „fejlesszen”, miben legyen jó. Egy nemrég feltárt érdekes tény - hogy bár azt hisszük a sejtek feladatmegosztása csak a többsejtűekre jellemző és viszonylag késői evolúciós lépés – a baktériumok genetikai szabályozási hálózatának, génkészletének vizsgálata kimutatta, hogy az egyedi sejtfunkciók kialakulásának jelensége már itt megjelent.
Egy élőlény több ezer gént tartalmaz. A genetikusok igáslova a kóli baktérium (Eschericia coli) kicsit többet, mint 4.000-et. Az ember genomja 24.000 fehérje kódoló gént és 34.000 olyan szakaszt tartalmaz, ami részt vesz a szabályozásban. Egy fehérjét kódoló gén nem csak a fehérjét leíró információt hordozza, hanem a DNS szálon ennek környezetében olyan szakaszok is megtalálhatók, melyek azáltal, hogy szabályozó molekulákat kötnek meg be vagy képesek be vagy kikapcsolni az adott fehérje készítését.
No ez az a pont, ahol nem kanyarodunk el a szakadék fele és nem megyünk bele a hihetetlenül érdekes genetikai szabályozás mechanizmusaiba, mert másfelé vezet az utunk (de azért lásd nemrégiben megjelent #agyhírek rovat cikkünk felvezetőjét). A lényeg, hogy a gének szabályozó elemei egy hihetetlen bonyolult hálózatot alkotnak. A hálózat-elemzés módszereit használva a biológusok kimutatták, hogy ezek a szabályozó hálózatok is nagyon korán kialakultak és az evolúció során megőrződtek. Az többféle tápanyag feldolgozására szakosodott anyagcsere alrendszerek mellett megtalálható a DNS másolás, javítás és sejtosztódás szabályozás alrendszere, a sejtet fenyegető környezeti hatásokra reagáló alrendszerek és meglepő módon már a baktériumokban megjelennek a feladatmegosztáshoz szükséges gének és szabályozó rendszerek, melyek a mozgás szabályozásában és a biofilmek kialakításában játszanak szerepet.

# Hogyan alakulnak ki új funkciókat megvalósító rendszerek (gének, sejtek, szervek)?

... 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?

Akkor 4ből iszunk, 4 esetleg a mosogatógépben van, de a többiben a gyerekek ceruzáit tartjuk, virágokat ültetünk beléjük, vagy a háziállatokat itatjuk belőle.

Az élőlények génjei az információt hordozó DNS molekulán, illetve ennek sokszorosan felcsavarodott változatában a kromoszómákon egymás után sorban helyezkednek el, mint egy könyvben a mondatok. A sejtosztódás során gyakran előfordul, hogy egy gén hibásan másolódik le. Ha egy fontos génben keletkezik hiba az élőlény elpusztulhat, mert alapvető anyagcsere vagy testfelépítési funkció esik ki. Ritka esetben a gén megváltozása egy, az adott környezetben hatékonyabban működő gént eredményez, ez lassan hajthatja előre az evolúciót. De létezik egy másik típusú hiba, amikor is egy DNS szakasz és a rajta lévő gén vagy gének, illetve szabályozó területek egymás után többször íródnak bele a genomba.

Mint amikor egy fáradt kódexmásoló elfelejt lapozni és ugyanazt a szöveget kétszer másolja át. Ennek hatására új lehetőségek nyílnak meg az élőlény számára. Amíg egy génből egyetlen példány van nagyon kell „vigyázni rá”, hiszen károsodása vagy funkciójának megváltozás veszélyes lehet. De ha a génből több van akkor a gén egyik példánya továbbra is változatlan marad, a többin viszont szabadon kísérletezhet az evolúció. Új funkciókat, új szabályozásokat találhat ki egy gén számára, idővel a gén megváltozik, mást csinál. Ha egy megsokszorozódott DNS szakasz nem egy funkcióért, hanem más gének szabályozásáért felelős elemeket tartalmaz az élőlényben, akor új sejttípusok, vagy testtájak alakulhatnak ki.

Így alakultak ki például az eltérő molekulákat érzékelő szaglóreceptor molekulák, a vérben oxigént szállító hemoglobin molekula magzati és felnőtt változatai, a különböző típusú ideg-, izom-, stb-. sejtek, valamint az ízeltlábúak ízei, amelyik egyikén láb, a másikán csáp nő (a rovarokén 3 pár láb, a pókokén 4 pár a rákokén meg 5 pár). De, mint majd látjuk, az agy evolúciója során is alakultak kis hasonló megkettőződés folytán eltérő feladatokat megoldó agyterületek (a mozgás vagy tárgy érzékelésért felelős látókérgi területek, vagy a külvilágot eltérő aspektusból megértő bal és jobb agyfélteke).

Az oxigénkötő globin fehérjecsalád génjeinek leszármazása. Ide tartoik a bálnák izmaiban oxigént raktározó mioglobin, illetve az eltérő magzati és felnőtt vérben található eltérő tulajdonságú hemoglobinok.

# A biofilmek ragadós trutyijától a bukfencező hidráig

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.

Arra, hogy a biofilmek ravasz dolgok az orvosok és mikrobiológusok kezdtek rájönni amikor azt találták, hogy a Petri csészében szabadon úszkáló baktériumokra remekül ható antibiotikumok a betegekben nem olyan jól működnek, mint kellene. Kiderült, hogy a baktériumok koránt sem egyedül kószáló, önfejű lények, hanem ravaszan csoportosulnak, telepeket hoznak létre, melyek felszínén más tulajdonságokkal rendelkező egyedek találhatók, mint a belsejében. A kívül található sejtek erősen kapcsolódnak egymáshoz és egy nyálkás ragadós bevonatot választanak ki, melybe beleragadnak a károsító dolgok, például az antibiotikumok vagy az immunrendszer rendőrei a fehérvérsejtek, de átszűrődnek rajta a tápanyagok, amiket a csomó belsejében található sejtek testük építésére, osztódásra használnak. A felszíni sejtek tehát nem szaporodnak, feláldozzák magukat azért, hogy a többi (közös anyasejtből származó, rokon) sejt hatékonyan szaporodni tudjon.

No de mi köze mindennek az agyhoz? A valódi sejtmagvas élőlények, jóval bonyolultabb genetikai szabályozási lehetőséggel rendelkeznek, mint a baktériumok, bár ahol most tartunk, 650 millió éve a szivacsoknál, ez egyelőre még alig látszik. A szivacs egy egyszerű szerkezet. Van neki felszíne, amit kicsit szívósabb sejtek alkotnak, és van neki egy egyszerű, vagy elágazó üregeket tartalmazó űrbele, amit csillós-ostoros, táplálékfelvételre alkalmas sejtek alkotnak. A két sejtréteg között egy a sejtek által kiválasztott váz (matrix) található, mely merevíti a szivacs testét (a szivacs fajától függően ennek anyaga lehet szilikon, mészkő vagy kollagén). Itt találhatók azok a sejtek is, akik majd a szaporodásban részt vesznek. A szivacs sejtjei még annyira laza kapcsolatban vannak, hogy azt is túlélik, ha a szivacsot ledarálják, azaz sejtjeire szedik szét. Ha ezt a sejtpépet nyugalomban hagyják viszonylag rövid idő alatt a sejtek kiválogatják magukat és egy új, megfelelő szerkezetbe rendeződő szivacs áll össze. A sejtek felszínén található molekulák segítenek abban, hogy melyik sejt melyikkel és milyen elrendezésben tapadjon össze. Ha két különböző szivacsfajt darálunk össze akkor a két faj sejtjei különválnak egymástól és kialakítják saját szerkezetüket. Ez a kísérlet azt bizonyítja, hogy az egyes sejtek fajukra jellemző felszíni, úgynevezett sejt adhéziós molekulákat fejeznek ki, amiknek segítségével a megfelelő sejtek megfelelő helyen tapadnak össze. Ezekből a molekulákból fejlődnek majd ki a szövetek kialakításáért felelős rendszerek a magasabb rendű állatokban. Az evolúciós fán egyre feljebb haladva a megjelenő gének igen jelentős hányada az immunrendszer és az idegrendszer sejtjeinek felszínén megjelenő összekapcsolódást és sejtazonosságot kifejező, adhéziós molekula, illetve a sejtek kölcsönhatásában résztvevő érzékelő, receptor molekula (ezek egy része mindkét feladatot ellátja).

A szivacs nem egy zseni, csak ül, szűrögeti a vizet, és nagyon rosszul érzi magát, ha egy másik szivacs vagy egy kő elzárja a külvilágtól. Nem tud odébb menni, mert egyrészt nincs mivel, másrészt nem érzi merre is lehetne. Ez az ostoba üldögélés folyt közel 50 millió évig, mikor is megjelentek a fésűsmedúzák, majd újabb 10 millió év múlva a csalánozók (590 millió éve, ide tartoznak a hidrák, korallok és medúzák). Ezek az állatok „találták fel” az idegrendszert és a mozgást (a fésűsmedúzák testfelszíni csillósorokkal eveznek előre, a csalánozókat izmaik mozgatják). Ehhez az kellett, hogy szivacsősök sorában kialakuljanak véletlenszerűen a felszínen lévő (kültakaró, hám) sejtekben olyan fehérjék, amelyek a fényt vagy a tápanyag ízét érzékelték. A szivacs mélyén, pedig kialakultak olyan sejtek, amelyek összehúzódásra lettek képesek (izomsejtek). Ahhoz, hogy az állat hatékonyan mutasson valamiféle reakciót még annak is ki kellett alakulnia, hogy az érzék és mozgató sejtek egymással kommunikálni tudjanak. Az evolúciós mechanizmust elvető kreacionisták kedvenc érve az, hogy „De hát az a sok bonyolult dolog nem alakulhatott ki csak úgy, kicsi a valószínűsége”! Hát nem is egyszerre alakult ki, hiszen, mint az evolúcióról szóló bejegyzésben írtuk, az evolúció vak, nincs célja és véletlenszerűen működik. Egyetlen dolog számít, hogy a változás eredményeképpen az egyednek több utódja lesz-e, mint másnak. Az 50 millió év buta üldögélésbe bőven belefért, hogy mondjuk csak az izomsejt alakuljon ki, vagy csak az érzéksejt. Mindkettő előny már önmagában is. Ha a szivacs izmaival tudja belső üregét tágítani-szűkíteni, függetlenül attól mi van a környezetében, máris hatékonyabban szűri a vizet, mint ha csak a csillóival-ostoraival hajtaná, több táplálékot szűr ki és több utódja lesz. Ha csak érzi a felszíni sejtjeivel a környezet tápanyagtartalmát és erre megfelelő géneket kapcsol be, az is javítja a túlélését. Ez a két véletlen valószínűleg sokszor kialakult, de mivel külön-külön kevésbé hasznosak, mint együtt, a továbblépéshez az kellett, hogy valamelyik tulajdonság után a másik is kialakuljon egy egyedben. Utána még a harmadik nagy lépésnek - az érzéksejtek összekapcsolódásának a mozgató sejtekkel – is be kellett véletlenül következnie, hogy kialakuljon az első - érzékelő és mozgás válaszokat mutató, a legegyszerűbb idegsejtekkel rendelkező - ős-csalánozó.
Hihetetlen előnye volt a környezetében üldögélő szivacsokkal szemben, hiszen odébb tudott menni, ha valami elválasztotta a táplálékforrástól, sőt idővel meg is tudta keresni a táplálékdús helyeket. Arról ne is beszéljünk, hogy hamarosan megtalálta és megette a nála kisebb és menekülésre képtelen élőlényeket. Megjelentek az első ragadozók és beindult az evolúciót gyorsabb fokozatba kapcsoló fegyverkezési hajsza. Ne felejtsük, az élet megjelenésétől a sejtmagvasokig 2 milliárd év telt el! Innen már „csak” 1 milliárd évet kellett várni az első soksejtűre. A szivacsokig 150 millió év alatt jutott el a törzsfejlődés. A csalánozókra már csak 50 millió évet kellett várni, az összetett testű gerincesek pedig újabb 40 millió év múlva már ki is alakultak. Azaz az idegsejtek megjelenése után kialakult összetettebb életformák az élet evolúciótörténetének utolsó 1/7-ed részében robbantak be az állandó küzdelembe.

Föld kialakulása | Óceánok | Élet talán | Élet biztosan | Sejtmagvasok | Első többsejtűek | Szivacsok | Bordásmedúzák, Csalánozók | Gerincesek elválása |
4.54 | 4.50 | 4.41 | 3.465 | 2.1-1.7 | 0.800 | 0.650 | 0.600-0.590 | 0.560 |

# Köpönyegből messzelátó, az idegsejt és a környezetre adott válasz feltalálása

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.

Előszőr is a vízben élő állatok hámsejtjei nem csak védik az állatot a környezetétől, hanem valamilyen szinten a táplálék megtalálásában, oldott anyagok felvételében is szerepet játszanak (az elszarusodó, páncél-szerű hám a vízi ragadozók, illetve a szárazföld kihívásai ellen véd majd jóval később). Már a legegyszerűbb egysejtűek a prokarióták, (Eubactériumok és Archebaktériumok) valamint az egysejtű eukarióták (Protisták, Növények, Gombák és Állatok) sejtjei is érzékelik a külvilágot és reagálnak annak változásaira. Ingerek hatására gének kapcsolódnak ki vagy be, illetve a sejtet mozgató ostorok vagy csillók mozgása megváltozik. A külvilág jeleinek felfogására számos fehérjecsoport fejlődött ki, melyek a sejt felszínén ülnek és azáltal, hogy bizonyos molekulákat megkötnek érzékenyek ezek jelenlétére, mennyiségére. De miután felfogták a jeleket, az információt valahogy tovább is kell juttatni a sejt többi része felé, hogy arra valamiféle válasz következzen be.

Erre alapvetően 2 módszert használnak a sejtek: vagy valamilyen apró molekulát szabadítanak fel a sejt belseje felé (másodlagos hírvivők: ciklikus AMP, G-fehérjék, inositol-trifoszfát, stb) vagy kinyitnak egy apró csatornát, ami igen válogatósan pozitív vagy negatív töltésű ionokat ereszt be a sejtbe vagy ki a sejtből. Itt dolgozhat a sejt a nagyon alacsony koncentrációban jelenlevő Ca2+ ionokkal (ők másodlagos hírvivőként szolgálnak) vagy a jelentősebb mennyiségben jelen levő Na+, K+ és Cl- ionokkal. A nagy mennyiségben átáramló ionok elektromos jeleket hoznak létre egy sejt felszínén. A genetikai és anyagcsere folyamatokat inkább a lassú hatású másodlagos hírvivők útján szabályozza egy sejt, a gyors folyamatokat, mint a mozgást, pedig inkább a sejten kialakuló, gyorsan terjedő elektromos jelek szabályozzák.
Egy hámsejtnek van egy külvilág felé néző része, melyet csúcsi, apikális felszínnek neveznek és van egy az állat belseje felé néző része, melyet alapi, bazális felszínnek neveznek. Ezeken a felszíneken eltérő szerepeket betöltő fehérjemolekulák találhatók. Értelemszerűen az apikális felszínen, mely a külvilág fele néz találhatók a különböző molekulákat érzékelő fehérjék a receptorok, illetve a különböző molekulák, ionok felvételére alkalmas csatornafehérjék. A külső felszínen felvett anyagokat a sejtek a test felé néző felszínükön pedig le tudják adni. Vagy az alapon található sejthártyában elhelyezkedett csatorna és pumpa fehérjék segítségével, vagy azáltal, hogy a sejten belül kicsi sejthártya hólyagokba (vezikulák) csomagolják az anyagokat, majd a kis hólyagok az alapi sejthártyába olvadva tartalmukat a test belsejébe ürítik a sejtek közötti térbe. Ezt a lépést jól jegyezze meg mindenki, mert fontos lesz az idegsejtek jelátvitelében!
A történet másik szereplői, az izomsejtek a test belsejében találhatók és egy dologra rendezkedtek be, hogy a bennük kötegekbe rendezett izomfehérjék átrendeződésének hatására összehúzódjanak. Az összehúzódás akkor következik be, amikor a sejtbe Ca2+ ionok áramlanak be. Ez két hatásra történhet meg. Egyrészt, a sejt felszínén található, bizonyos anyagokra érzékeny receptorok, ha a megfelelő anyagot érzékelik akkor Ca2+ ionokat engednek a sejtbe, másrészt, ha a sejthártyán kialakult feszültségkülönbséget más ionok áramlása hirtelen megváltoztatja (áram folyik a sejthártyán keresztül) szintén Ca2+ lép be a sejtbe. Az izomsejtek tehát képesek arra, hogy a környezetüket érzékelve megfelelő hatásra összehúzódjanak. Ez a folyamat kezdetben lassú volt, mivel a hámsejtek és az izomsejtek nem feltétlenül helyezkedtek el egymás közelében. Ott volt például a szivacsok esetében, vagy a medúzáknál felelhető kocsonyás váz, melyen keresztül csak lassan szivároghattak az izomsejtek felé az ingert szállító anyagok.
Ahhoz, hogy kialakuljon az első reflexív, amiben egy sejt a külvilágot érzékelve mozgásba hoz egy izomsejtet már „csak” az kellett, hogy a hámsejtek átalakuljanak olyan hosszan elnyújt sejtekké melyek ingerület felvevő vége (apikális felszín) megmarad a felszínen, másik vége (az alapi, bazális) pedig hosszan megnyúlik, egészen a test belsejébe az izomsejtekig. Ahol megközelítve őket és a jelátvitelben felhasznált anyagokat azok felszínére szabadítja fel, hogy aztán az izomsejtek azok azt észlelve összehúzódjanak. Így a percekig tartó lassú molekula diffúzió helyett a másodperc töredéke alatt jutott el az ingerületátvivő anyag az evolúció alatt lassan idegsejtté alakuló hámsejttől az izomsejtig.

Aki résen van, az most megkérdezi: Na jó, de a megnyúlt idegsejt egyik végéről hogyan került gyorsan az információ a másikra? Mert ehhez a diffúzió a sejten belül éppen úgy lassú, mint a sejtek között. Emlékezzünk arra, hogy már a hámsejtek is ionáramok hatására kialakuló feszültségváltozásokat használnak arra, hogy gyorsan vigyenek át jeleket. A molekulák lassú diffúziójával szemben az elektromos tér nagyon gyorsan épül fel egy sejt felszínén és viszonylag hatékonyan is terjed. Azt történt tehát, hogy a megnyúlt hámsejtből alakuló idegsejt amikor az érzékeny végén „szagot fogott”, a felszínén Na+ és K+ ionok (illetve kevés Ca2+) kezdtek gyorsan átáramlani, melynek hatására megváltozott, és a hosszú nyúlványon végig terjedt a külső és belső felszíne közötti feszültségkülönbség. Az izomsejthez tapadt végén, pedig ez a változás felszabadította a kicsi hólyagokba csomagolt ingerületátvivő anyagot, mely ráömlött az izomsejtre. Az izomsejt ezt az anyagot érzékelte, Ca2+-ot eresztett magába, mely izomösszehúzódást váltott ki. Kialakult az első szinapszis! Míg az első csalánozókban ebből csak egy tucat lehetett az ember agyában 1015 (kvadrillió) szinapszis található.
Az idegsejtekről az izomsejtekre a jelet átvivő anyag az acetil-kolin (az angol rövidítést használjuk ezután: ACh). Ez a molekula megint emlékeztet minket arra, hogy az evolúció a lomtárban talált, régi alkatrészeket használja új célokra és/vagy hatékonyabban. Az ACh-t már a biológia „ókori görögjei” a baktériumok is használták jelátvitelre, majd a növényi és állati szövetekben is jelátvitelre használt molekula vált belőle. Nem meglepő, tehát hogy az első idegrendszeri kapcsolatokban jelen van. Mindössze itt már nem a szövetek közötti térbe szabadul fel, hogy lassan szétterjedve a környező sejtekre hasson, hanem egy jól célzott kapcsolatban, a szinapszisban, gyorsan fejti ki hatását.
Az első idegsejtek érzékelő vége érzékelhetett mozgást, tápanyagot, hőmérsékletet vagy fényt. Az utóbbiakból alakultak ki a szemek. A legegyszerűbb idegrendszerrel rendelkező állatok a szépséges fésűs medúzák. Ezek testének négy oldalán 4 csillósor fut végig, amelyek az állatot mozgatják. Ahol a 4 csillósor találkozik az állat kupolájának tetején, található egy érzékszerv, egy kis harang, amelyben apró kvarcszemcsék ülnek 4 nyomásérzékelő idegsejt csoport tetején. Amikor az állatot a víz áramlása elferdíti akkor az alulra került idegsejtekre guruló kvarcszemcsék erősebben ingerlik azokat. Az idegsejtek jeleket küldenek az azon az oldalon elhelyezkedő csillósorhoz, mely gyorsabb evezésbe kezd és újra függőleges helyzetbe hozza a fésűsmedúzát. Hogy mire képes már egy ennyire egyszerű rendszer, azt a fényt kerülő és követő házi készítésű robotokat bemutató YouTube videó szemlélteti.
Így lett tehát a köpönyegből messzelátó. Hogy mi történt ezután azt a következő, kevésbé mesés és valószínűleg keményebb diónak bizonyuló #agyséta bejegyzések fogják bemutatni.

# Hogyan látják az idegsejtek a világot? A kódolás trükkjei.

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.

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 1981-es 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.

# A legalapabb alapok: A jeláramlás lépései az idegsejtekben

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?

Az idegrendszer fejlődésénél láttuk, hogy a hámsejtekből kialakult idegsejtek hosszú nyúlványokat növesztettek és a sejtek két jelátvivő rendszerét is átvették (elektromos és kémiai), majd továbbfejlesztették. Az idegsejtek 20 µm méretű sejttestében található a genetikai információt hordozó sejtmag és az azt körülvevő sejtplazmában készülnek a sejtet alkotó molekulák. A sejttestről két-féle nyúlvány ered. A 4-6 viszonylag vastag (2-3 µm), 300-600 µm távolságra futó, többször elágazó dendritágra érkeznek más idegsejtektől a jelek. Ezzel szemben egy idegsejtről egyetlen axon indul, mely vékony (0.5 µm), igen hosszú (össz-hossza akár 1 méter is lehet) és nagyon gazdagon elágazik. Az axonágakon apró gombócok, axonvégződések (axonterminálisok, boutonok) ülnek, amelyek ingerületátvivő kapcsolatokat, szinapszisokat alkotnak más idegsejtek denritjeivel. Az axonok ezeken keresztül adják át az információt. Az idegsejteken tehát elkülönül a jel begyűjtésének helye (dendritek) a jel összegzésének (sejttest) és a jel leadásának (axonvégződések) helyétől. Az ingeráramlás iránya szinapszis -> dendrit -> sejttest -> axon ágak -> axonvégződés -> szinapszis.

A jel a hosszú nyúlványokon (axon és dendrit) gyorsan, elektromos áram formájában terjed, de amikor egy szinapszishoz ér, akkor ott az axonvégződés egy kémiai jelátvivő molekulát, transzmittert önt a szinapszis túloldalán található dendritre. A dendritben található érzékelő molekulák ezt a kémiai jelet újra elektromos jellé alakítják. Ennek a látszólag értelmetlen, kicsit lassú és bonyolult elektromos-kémiai-elektromos átkapcsolásnak -mint a biológiában sok mindennek- történelmi (evolúciós) okai vannak, de mint majd a későbbiekben látjuk egy igen kifinomult tanulásra képes idegrendszer megalapozásához elengedhetetlen.

No akkor újra ugyanez, egy kicsit részletesebben. Először is, mi az a szinapszis? Két idegsejt közötti kapcsolat. Egyik felét (pre-szinaptikus, szinapszis előtti oldal) az axonterminális alkotja, amelyben szinaptikus hólyagocskákba, 40 nm átmérőjű gömböcskékbe van becsomagolva az átvivőanyag (transzmitter). A szinapszis másik felét (poszt-szinaptikus, szinapszis utáni oldal) a dendrit egy része alkotja, amelynek szinapszishoz közeli részében az átvivő anyag érzékelésére alkalmas jelfogó fehérjék (receptorok) találhatók. A szinapszis két fele között található a szinaptikus rés, mely 20nm széles. Amikor az axonon eleketromos jel érkezik, a végződésben található hólyagocskákból felszabadul az ingerületátvivő anyag a szinaptikus résbe. Ezen igen gyorsan (1 msec) átdiffundál, majd hozzákötődik a túloldalon várakozó receptor molekulákhoz. Ezek közvetlenül vagy közvetve ionokat engednek át a sejthártyán, ezzel elektromos jeleket állítanak elő, melyek végigterjednek a dendriteken. Az ingerületátvivő anyag az axonokat adó sejt (preszinaptikus sejt) típusától függően más és más. Az agykéregben ez leggyakrabban egy glutamát vagy egy GABA nevezetű aminosav lehet. A glutamát egy serkentő transzmitter, mivel olyan áramokat vált ki a célsejtben (posztszinaptikus sejt) amelyek hatására a célsejt aktivitás nő. A GABA a gátlósejtek transzmittere, mivel az általa kiváltott áramok csökkentik a sejtek aktivitását.

Nomármost, egy átlag agykérgi idegsejt dendritfájára, melynek teljes hossza milliméterekben mérhető, átlagosan 20.000 szinapszist kap, melyeknek 85% serkentő, a maradék pedig gátló. Egy adott pillanatban több száz szinapszis aktiválódik egy sejt dendritfájának felszínén. Az egyes szinapszisokba beömlő áramok meglehetősen bonyolult szabályok alapján összegződnek és eljutnak a sejttesthez. A serkentő áramok és a gátló áramok kivonódnak egymásból, mivel ellenkező előjelűek. Ha a serkentés erősebb, mint a gátlás és a sejttesten kialakuló feszültség elér egy küszöbértéket, akkor a sejt egy gyors és erős elektromos impulzust, akciós potenciált küld végig az axonján. Ez hatékonyan és gyorsan (2-3 msec) eljut az axonvégződésekig és azokból (akár mind a 20.000) felszabadítja a sejtre jellemző ingerületátvivő anyagot. És kezdődik a dolog elölről… Két egymás után kapcsolt idegsejt között az ingerületátvitel ideje 3-6msec. Azaz 1 másodperc alatt 1000/5 = 200 idegsejten ugrálhat végig a válasz.

A folyamat tehát: jel felfogása, jel összegzése, jel leadása. A hidra példáján már láttuk, hogy már egy egytagú idegrendszer is mekkora előny, amikor reagálni kell a környezet kihívásaira. De, mint a sétán majd kibontakozik, a legfontosabb lépés a jel összegzése. Ez teszi majd az idegsejteket képessé arra, hogy tanuljanak, döntsenek, kódoljanak. Azáltal, hogy egy idegsejt 20.000 másiktól kap jeleket a felszínén folyó áramok bonyolult kölcsönhatásokba lépnek és bonyolult számítási műveleteket képesek végrehajtani.
Legyen mára ennyi elég, a következő #agyséta alkalommal elmélyedünk abban hogyan alakul ki az idegsejtek sejthártyáján a feszültségkülönbség, a szinaptikus áram és hogyan történik a jelek összegzése.

# Tengerből jöttünk és tengervízből vagyunk: a membránfeszültség kialakulása az idegsejtekben.

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.

Szerintem az egész #agyséta során ez a legnehezebben megérthető rész, a többi könnyebb lesz, ígérem! A dolgot el lehet mesélni egyszerűen, de akkor nem megérteni, hanem legfeljebb megtanulni lehet mi, hogy van. Ezért elmesélem hosszabban is, az alapoktól.

Egyszerűen mesélve:
Az idegsejt hártyájának belső és külső felszíne között, az ion koncentráció különbségek miatt feszültség különbség alakul ki. Ha egy sejtet békén hagynak a belseje 60 mV-al (a milliVolt a Volt ezredrésze) negatívabb a felszínénél, ezt a -60mVos feszültségszintet hívjuk a sejt nyugalmi potenciáljának (5). Ha egy serkentő szinapszisban a felszabaduló átvivő anyag, a glutamát, aktiválja a dendriten elhelyezkedő megfelelő glutamát receptorokat, akkor azokon áram folyik be, és a sejt potenciálja elmozdul a 0 felé, azaz a -60mVos feszültség csökken, mondjuk -50mV-ra (1). Ha egy gátló bementből a gátló ingerületátvivő anyag, a GABA szabadul fel, akkor ez a GABA receptorait nyitja ki, melynek hatására ellentétes irányú áram folyik a dendriten és a membránpotenciál negatív irányba, -75mV felé, tolódik el. Ha egyszerre folynak serkentő és gátló áramok azok előjelesen összeadódnak (kioltják egymást) és ezután terjednek a sejttest felé. Ha a sejt testén a potenciál kellően messze elmozdul a 0 felé (2), mondjuk -35mV-ra, a sejt egy gyors és nagy, +20mV-ig ugró akciós potenciált állít elő (2-3), mely végigszalad az axonon. Tehát, ha a sejtre kellően sok serkentés érkezik, melyet nem ellensúlyoz gátlás, a sejt aktiválódik, kisül, és jelet küld ki. Mint később látni fogjuk, a haladó szinten az idegsejtek dendritjein a jelterjedést sok, a dendritekben elhelyezkedő ioncsatorna befolyásolja, ezzel a sejtek erősítik, pontosítják, szűrik, összegzik a rájuk érkező jeleket.

No és innen csak a bátrak kövessenek…
Alaposan, keményen:
Először azt vizsgáljuk meg hogyan alakul ki feszültségkülönbség az idegsejtek felszínén. Stanislaw Lem Kiberidájának hősei Trurl és Klapanciusz robotok voltak, áramkörökkel. A regényben megjelenő „sápatagok”, az emberek, puha, nedves lények voltak, szemükből víz jött, szájukból dohos levegő. Míg az elektromos szerkezetek nem szeretik a vizet és a huzalokban elektronok vezetik az áramokat, az élőlények sejtjeiben és a sejtek közötti térben vízben oldott, elektromos töltéssel rendelkező atomok és molekulák, úgynevezett ionok vezetik az áramot. Mivel az elektromos kölcsönhatás igen erős, ezért általában az egymást vonzó pozitív és negatív töltések (vizes közegben ionok) egyenlő arányban fordulnak elő, nincs töltés-szétválás. Ahhoz pedig, hogy valahol feszültségkülönbség alakuljon ki a két töltésnek el kell különülnie egymástól. Hogy ennek a mechanizmusát megértsük el kell merüljünk a biológus hallgatók rettegett tantárgyában a fizikai kémiában.
A molekulák mozgását nem csak elektromos töltésük és a rájuk ható elektromos erőtér (vonzás-taszítás), hanem a koncentrációjuk is befolyásolja. Ha egy tömény oldat, pl. sós tengervíz vagy hihetetlenül cukros üdítő találkozik egy hígabb oldattal (sima víz) akkor a töményebb (nagyobb koncentrációjú) oldatból az oldott anyagok igyekeznek elmozdulni a hígabb oldat felé, az oldószer (jelen esetben a víz), pedig a töményebb oldal felé. Ez a mozgás mindaddig tart amíg a két részben az oldott anyagok mennyisége (töménysége, koncentrációja) ugyanakkora nem lesz, a koncentrációk kiegyenlítődnek. Ez a koncentráció különbség (gradiens) irányába történő áramlás alapelve. Mindennapi példával, amikor a szupermarketben kinyitnak egy új pénztárt akkor az emberek egy része odaszalad (időnként túl sok is). Rövid felfordulás után minden sorban ugyanannyi ember fog állni. De ugyanez van egy kocsmában is, ha felszabadul egy asztal. Mint a kocsmalátogatók, a molekulák is igyekeznek egyenletesen kitölteni a rendelkezésükre álló teret.
Szervezetünk sejtjeiben elsősorban Na+, K+ és kisebb mértékben Ca2+ valamint Mg2+ ionok hordozzák a pozitív töltéseket. A negatív töltéseket praktikusan egyfajta ion, a kloridion (Cl-) hordozza. Illetve a fehérjék jelentős része is negatív töltésű. Nem véletlen, hogy szervezetünknek hihetetlenül fontos a NaCl, a konyhasó, hiszen sejtünk oldatait nagyrészt ez alkotja. Az izotóniás sportitalok az izzadás során elvesztett sókat pótolják, ezek hiányában idegeink és izmaink rosszul működnek, amiről kellemetlen görcsök vagy a fejfájás formájában szerzünk tudomást.
Ionos (töltéssel rendelkező) oldatokban bonyolult a molekulák mozgása. Amikor egy töményebb sóoldat hígabbal találkozik, a molekulák elkezdenek rohanni az „üres asztalok” felé. Ámde a különböző ionok más sebességgel tudnak mozogni, mivel eltérő súlyúak és méretűek. A könnyebb és kisebb, gyorsabban mozog és gyorsabban diffundál. Viszont mivel elektromos töltéssel rendelkeznek, ezért hiába gyorsabbak mondjuk a pozitív ionok, nem tudnak előre szaladni, mert az elektromos vonzóerő hozzájuk köti a lomhább negatív ionokat. Azaz ilyen esetben, hiába hajtja az ionokat a koncentráció különbség, nem válnak el egymástól, mivel a lomhábbakat nem csak a koncentrációkülönbség hajtja előre, hanem az előre szaladt ellentétes töltésű ionok elektromos vonzása is.
De a helyzet lehet még ennél bonyolultabb, és a sejtekben lesz is. A sejthártya alapját szigetelő zsírokból álló hártya alkotja, melybe különböző szerkezetű és funkciójú fehérjék épülnek be. Szerepük, hogy a sejt a környezetéből felvehessen kisebb méretű tápanyag molekulákat, illetve leadhasson kisebb méretű salakanyag molekulákat vagy a működéséhez szükséges anyagokat válasszon ki környezetébe, de mindeközben megőrizze a számára fontos anyagokat és kizárja a nem kívántakat. A sejthártyán kicsi nyílásokat létrehozó fehérjék szerepe, hogy válogassanak abban mit engednek át és mit nem. A sejt számára fontos anyagokat: cukrokat, ionokat, működéséhez szükséges fehérjéket és vizet a sejthártya bent tartja a sejten belül. Az ilyen hártyát félig áteresztő hártyának nevezik és sok érdekes tulajdonsága van (lásd pl. ozmózis).
Alap esetben egy nyíláson az átengedett anyagok a koncentráció gradiensnek (különbségnek) megfelelően mozognak, rohannak az üres asztalokhoz. De léteznek olyan fehérjék is, amik energiát felhasználva képesek arra, hogy az alacsonyabb koncentrációjú helyről a magasabb koncentrációjú hely felé hajtsák a molekulákat, ionokat (mint amikor a koncerten a Rendezők elzavarják az üres VIP ülésekről az élelmesen odaszivárgott nézőket). Olyan fehérjék is léteznek, amelyek a membrán két oldala között kicserélnek anyagokat. Ilyenkor az egyik anyagot hajtó koncentráció különbség hajtja a másik molekula mozgását.
Mindennek az lesz a következménye, hogy a sejthártya nem lesz egyformán átjárható a különböző anyagok számára. Bizonyos ionok és molekulák eltérő sebességgel, vagy egyáltalán nem tudnak átmenni a sejthártyán. Ennek következtében alakul ki feszültségkülönbség a sejthártya két oldala között. A Gibbs-Donnan hatás magyarázza meg mi is történik.
A bonyodalom abból származik, hogy minden résztevő anyagra két erő hat: a koncentráció különbségből fakadó hajtóerő (diffúzió), illetve az elektromos erő (Coulomb erő). A sejtekben a pozitív töltést a fent felsorolt pozitív töltésű ionok hordozzák. A negatív töltés egy részét a Cl- ionok, másik részét a sejtekben található fehérjék.

Hogy mi is történik világítsuk meg egy hasonlattal. Tegyük fel, hogy egy koncerten a VIP belépővel rendelkező párokon kívül azok a lányok is ingyen bemehetnek a kerítéssel elválaszott VIP területre, akiknek aznap születésnapja van. Amikor elkezdődik a koncert, akkor az érkező párok egyenletesen kitöltik a nézőteret, a fiúk és a lányok nem különülnek el. Egyre nagyobb lesz a tömeg. A VIP belépővel rendelkező párok gyorsan bemennek a VIP területre, mert ott nincs tömeg (hajtja őket a koncentráció különbség). De egy idő után a születésnapos lányok is bemennek oda, mert nagy a nyüzsgés. Viszont ők nem akarnak szívük választottjától (akit nem engedtek be, számukra nem átjárható a határ) messzire kerülni (elektromos vonzóerő), ezért ők a VIP terület kerítésének belső oldalán fognak állni, velük szemben, a kerítés külső oldalán pedig felhalmozódnak az őket kísérő fiúk. Ha megnézzük a koncerttermet mindenhol fiú lány párokat fogunk találni (A VIP területen belül is meg kívül is), kivéve a kerítés mentén, ahol belül a lányok, kívül a fiúk fognak felhalmozódni és kialakítanak egy fiú-lány kettős réteget (a nemek feszültség különbségét).
Hasonló történik az idegsejtek felszínén is. A sejt belsejében lévő fehérjék számára (melyek legtöbbje negatív töltéssel rendelkezik) nem átjárható a sejthártya. A negatív Cl- ionok és pozitív fémionok (kationok) számára igen. Az elektromos vonzás és koncentráció különbségek hatására egy olyan egyensúly áll be, hogy egy kicsit több negatív töltés van a sejthártya belső felszínén és egy kicsit több pozitív töltés a külső felszínén. A sejtben rekedt negatív fehérjék töltését a külső felszínen halmozódó pozitív ionok ellensúlyozzák. A kettős töltésréteg eredményeképpen a sejthártya két felszíne között 60mV feszültség különbség alakul ki. A sejt belseje ennyivel negatívabb a felszínénél.
Hogy ebből hogyan lesz jelátvitel azt a következő alkalommal beszéljük meg.

Kérdés?

# Merre húzzák K+ovácsék a kötelet:? A szinaptikus áramok és az akciós potenciálok kialakulása

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.

Ha tudjuk egy ion belső és külső koncentrációit, a Nernst egyenlet segítségével kiszámolhatjuk az ezekhez a koncentrációkhoz tartozó egyensúlyi potenciált. Azaz, hogy mekkora feszültségkülönbség kell ahhoz, hogy ez a koncentrációkülönbség fennáljon és fordítva, ekkora koncentráció különbség mekkora feszültség esetén áll be. Mivel a csatornák és pumpák pontosan beállítják az egyes ionok belső és külső koncentrációját (mint ahogy az ősóceánban volt), ezért az egyes ionoknak mind megvan a saját jellegzetes egyensúlyi potenciálja. Ez a Na+ esetében nagyon pozitív (+60mV), mivel kint sok a Na+, míg a K+ esetében nagyon negatív (-120mV), mivel bent sok a K+. A harmadik meghatározó ion a Cl- esetében pedig valahol a nyugalmi potenciál környékén, -70mV körül van.

Egy meglehetősen egyszerű összefüggés adja meg a sejthártyán beálló feszültségkülönbséget. Minél áteresztőbb a sejthártya egy ion számára, annál jobban „húzza” az adott ion a saját egyensúlyi potenciálja felé a membránpotenciált. Szemléletesebben. Képzeljünk el egy magas épületet, aminek a homlokzatán végig fut lentről felfelé egy kötél, ami egy árnyékoló ponyvát mozgat. Sajnos a vállalkozó ellopta a ponyva árát, ezért az csak akkora, hogy egyszerre csak egy emeletet lehet vele árnyékolni. A földszinten laknak K+ovácsék (Ők jelképezik a K+ -120mVos egyensúlyi potenciálját), valahol középtájt Cl-aude-ék (Ők a Cl- -60 mV os potenciálját) és az épület tetején pedig Na+gyék laknak, a maguk +20mV-os egyensúlyi potenciáljával. Mindenki igyekszik maga felé húzni a ponyvát, mert igen süt a nap, nekifeszülnek mindannyian. K+ovácsék és Na+gyék húzzák majd megszakadnak, de a ponyva csak valahol kettejük közt félúton áll meg. Ez -120 - +20 = -140 / 2 azaz -70mV lenne, de ott vannak még Cl-aude-ék is, akiknek már nagyon nem is kell húznia, hogy a ponyva megálljon a közelükben -60mVnál.

No de mi történik, amikor jel érkezik a sejtre?

Egy serkentő axonvégződésből a glutamát nevezetű aminosav szabadul fel. A másodperc 10ezred része alatt átússza a szinaptikus rés 30 nm-es távját, majd rövid időre (1-2msec) hozzákötődik a dendrit sejthártyájában ücsörgő valamelyik glutamát receptor típushoz. Ezek leggyakoribb típusa az AMPA receptor, egyben egy Na+ és Ca2+ ionokat átereszteni képes ioncsatorna is. Amikor az átvivő anyag kötésének hatására kinyílik, a sejtbe (mivel ott kevés van) bezúdulnak a pozitív töltésű Na+ ionok (és valamennyi Ca2+ is) és a sejt membránpotenciálja a pozitív irányba mozdul el egy időre. Ezt hívják serkentő szinaptikus potenciálnak (angolul: excitatory postsynaptic potential, a rövidítésével: EPSP még sokat fogunk találkozni).

A fenti huzakodós példában az történne, hogy Na+gyékhoz villámlátogatásra érkezik a nagynénjük és ő is beszáll a kötélhúzásba egy időre. Ezt a ház előtt sétálgató abból látja, hogy ez időre a ponyva kicsit feljebb emelkedik, majd visszatér az eredeti állapotába.

Ha több szinapszison egyszerre több serkentés érkezik a kiváltott áramok összeadódnak és a sejt erősebben depolarizálódik (mozdul el a pozitív irányba). Ha a serkentődés (membrán potenciál) szintje eléri a küszöbértéket a sejt akciós potenciál formájában kisül (lásd lejjebb), azaz aktiválódik, jelet bocsájt ki magából.

Viszont, itt vannak még azok a sejtek, akik GABA-t, gátló átvivő anyagot szabadítanak fel az axonvégtalpaikból. A jelfogadó oldalon, a célsejt denritjén itt a GABAnak találhatók receptorai. A legtöbb a GABA-A típusú receptorából van. Ez egyben egy Cl- csatorna is. Amikor GABA-t köt, kinyílik rajta egy nyílás és Cl- ionokat ereszt át magán. Mivel a Cl- egyensúlyi potenciálja a sejt nyugalmi potenciálja környékén van (-65mV) ezért a kötélhúzásban a Cl- mindig a nyugalom felé húzza a sejtet. Azaz, ha egy sejt membránján eső feszültséget a sok serkentés erősen eltolja az aktiválódás irányába, akkor a Cl- visszahúzza, csökkenti az aktiválódás lehetőségét, azaz gátolja a sejt aktivitását. Ezt hívják szinaptikus gátló potenciálnak (angolul inhibitory postsynaptic potential, rövidítve IPSP, amivel szintén sokat fogunk találkozni). A GABA-A receptoron keresztül könnyen áramlanak át az ionok (magas a vezetőképessége, konduktanciája). Ez a kötélcibálós modellben úgy néz ki, hogy hiába jönnek Na+gyékhoz sokan és cibálják felfelé a ponyvát, Cl-audék családja igen kiterjedt, mindig sokan érkeznek és hatékonyan vissza tudják rángatni a ponyvát maguk felé.

Egy sejtre ugye több 10ezer szinapszis érkezik. Egy adott pillanatban, ebből több száz lehet aktív. Azt hogy a sejt jelet bocsájt-e ki vagy nem, az dönti el, hogy a serkentő és a gátló áramok eredője elmozdítja-e a membránpotenciált a tüzelési küszöbig (hányan és merre rángatják a ponyvát).

Amikor a membránpotenciál értéke (a serkentés hatására beáramló Na+ és Ca2+ ionok hatására) kellően pozitívvá válik (tüzelési küszöb ~40mV) akkor feszültségre érzékeny Na-csatornák nyílnak meg (kék görbe) és a Na+ ionok elkezdenek egyensúlyi potenciáljuk (+60mV) irányába áramlani, azaz beáramlanak a sejtbe, pozitívvá teszik azt. Az akciós potenciál (piros görbe) csúcsán a membránpotenciál értéke nagyon közel van a Na+ ionok egyensúlyi potenciáljához mivel nagyon sok csatorna nyílt ki (Na+gyékhoz az egész rokonság megérkezett és mindenki húzza a kötelet). Az akciós potenciál azért nagyon rövid, mert amikor a membrán potenciál pozitív irányba mozdul el, kinyílnak a feszültség érzékeny K+ csatornák (zöld görbe) is és a sejtből kiáramló K+ ionok (egyensúlyi potenciáljuk -120mV) csökkentik a sejt belsejében a pozitív töltést (a nagy bulit látva K+ovácsékhoz is megérkezik a rengeteg rokon, hogy visszacibálják a ponyvát). A membránpotenciál visszatér a nyugalmi szintre (-60mV). Persze a beáramlott Na+ és kiáramlott K+ ionokat az ioncserélő pumpák elkezdik visszapumpálni. Mivel itt a koncentráció különbség ellen kell dolgozni ezek a pumpák a sejtek valutáját az adenozin-trifoszfátot (ATP-t) használják fel. Igen sokat. A membránpotenciál fenntartása igen energiaigényes.

Egy ember nyugalmi állapotban 100W energiát használ, ennek 20%-át agyunk fogyasztja. Azt, hogy ekkora agyat növeszthettünk (és ezáltal hatékonyabban tudjunk túlélni), az emberré válás során számos evolúciós fejlesztésnek kellett megelőznie. Kialakult mindenevő fogazatunk, mely a táplálékot, majdnem bármilyen táplálékot, képes hatékonyan megrágni, hogy energiatartalmát emésztéssel kinyerhessük. A rengeteg hőt termelő agyunkat hűteni kell. Ez egyik oka annak, hogy szőrzetünket elvesztettük, így egész testfelszínünkön képesek vagyunk izzadni (nagyon kevés emlős képes erre) és a két lábra állás egyik hajtóereje is az volt, hogy ezáltal a trópusokon kisebb felszínen sütötte testünket a nap. Hajunk azért maradt meg, hogy védje a napfény ellen fejünket.

No ezzel végére is értünk a legkeményebb két bejegyzésnek. Mindenkinek gratulálunk aki idáig túlélt! Egy könyedebb témával a szinapszisokkal folytatjuk legközelebb.

Mindenkinek Békés Ünnepeket kívánunk!

# Kvadrillió mikroerősítő az agyban: a szinapszis

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?

A helyzet az, hogy az idegrendszerben sok helyen található elektromos kommunikáció. A szemben, a kisagyban, a minap emlegetett talamuszban és még néhány helyen a sejtek között réskapcsolatok találhatók (angolul: gap junction) amelyeken keresztül közvetlenül folyik az áram a sejtek között.

.

Azonban ezek a hatások igen gyengék, mivel ahogy az egyik sejten keletkezett áram beáramlik a sok sejtbe, erőssége csökken, felhígul. A sejtek ugyanazzal a problémával szembesülnek, mint amivel a drótos és drót nélküli távírás hőskorában a mérnökök szembesültek: a jel erőssége a terjedés során jelentősen csökken és egy idő után beleolvad a zajba. Ahhoz, hogy nagy távolságra tudjunk jeleket továbbítani, időnként jelerősítőket kell beépíteni. Igaz ez az elektromos kábelre, rádióhullámokra, de még az üvegszálban futó optikai jelekre is. A Hőskorban az elektromos jeleket relékkel erősítették. A bejövő gyenge áram bekapcsolt egy elektromágnes vezérelt kapcsolót, mely egy akkumulátorról újra erős áramot küldött a tovább futó kábelbe. A relé szó az angol „relay” szóból származik, melynek jelentése továbbadni. A technika fejlődésével aztán a reléket elektroncsövek majd tranzisztorok váltották fel. Az optikai kábelben pedig furcsa tulajdonságú kristályok működnek erősítőkként.

A szinapszis egy ilyen jelerősítő. Az axonvégtalpba érkező gyenge áram felszabadítja az átvivő anyagot, ami a túloldalon kinyit egy ioncsatornát (a relé elektronmágnese) amin nagy mennyiségű ion áramlik keresztül (bekapcsolt kapcsoló a relében) és kialakul egy felerősített jel. Egy emberi agyban 1011 idegsejt van, sejtenként 15.000 szinapszissal, azaz kb 1015 azaz kvadrillió erősítő! A jelenlegi csúcsprocesszorokban 5x1010 tranzisztor, azaz 5000x kevesebb erősítő van. Mindemellett az agy csak 30W teljesítményt használ 😊.

A szinapszisnak még más szerepe is van. Nagyon fontos a jelek modulációjában, hangolásában. A későbbiekben finomítani és bonyolítani fogjuk majd az idegsejtek működésének alapelveit. Itt majd látni lehet, hogy az agy eltérő helyzetekben máshogy dolgozza fel az információt, működésmódja modulált, hangolt. A jelfeldolgozás modulációjának egyik helye a szinapszis. A szinapszisnak mindkét oldalán az eddig tárgyaltakon kívül még sok egyéb receptor és csatorna molekula található, melyek befolyásolják, hogy az AP hatására milyen erős áram keletkezik a túloldalon.

Hogy megértsük hogyan állítható a szinapszis erősítője, vegyük át részletesebben mi is történik a jelátvitel során.

Ugye az axonon végigfut az akciós potenciál (AP, hogy hogyan a következő bejegyzésben olvashattok róla). Amikor eléri az axonvégtalpat (bouton, axonterminális) pozitív töltés halmozódik fel a sejthártya belső felszínén és a membránpotenciál a külső térhez képest +10 mV-ra változik. Az axonvégtalp sejthártyájában olyan fehérjék ülnek, melyek Ca2+ ionokat eresztenek a sejtbe, ha a membrán potenciál értéke pozitív lesz. Az AP érkezésekor tehát a feszültség érzékeny kalcium csatornákon keresztül Ca2++ ionok áramlanak a végtalpba. A végtalpban az átvivő anyagok jónéhány tucat 40nm (a nm a milliméter egymilliomod része) átmérőjű hólyagocskába, vezikulába vannak betöltve. A vezikulák felszínén olyan fehérjék találhatók melyek ha Ca2+ ionokat kötnek, a vezikulát hozzákapcsolják az axonvégtalp szinapszis felé néző sejthártyájában található fehérjékhez és az átvivő anyag a szinaptikus résbe ömlik.

A szinapszis túloldalán, a fogadó sejt dendritjén olyan fehérjék találhatók (receptorok) melyek, ha találkoznak a nekik megfelelő ingerületátvivő anyaggal, akkor megváltoztatják alakjukat és, vagy ionokat és ezáltal elektromos áramot engednek át magukon, vagy a sejten belül kapcsolnak be olyan más fehérjéket amelyek ionokat és így áramokat engednek a sejtbe. A serkentő ingerületátvivő anyag, a glutamát receptorai vagy direkt engednek be Na+-ot és kisebb mértékben (esetleg egyáltalán nem) Ca2+-ot (ezek az AMPA és NMDA típusú receptorok), mellyel pozitívabbá teszik a sejt belsejét vagy indirekt hatásúak, azáltal, hogy másodlagos hírvivőket szabadítanak fel a sejt belsejében, melyek aztán a sejtek működését befolyásoló fehérjéket kapcsolnak be (metabotróp receptorok). A gátló transzmitter GABA (gamma-amino vajsav) is kétféle receptoron hathat. A GABAa receptor egymaga egy ion csatorna, mely GABA kötésére Cl- ionokat enged a sejtbe és ezáltal annak hártyáját negatívabbá teszi. A GABAb receptora egy metabotróp receptor, azaz közvetve nem vezet áramot, de másodlagos hírvivő útján K+ csatornákat nyit meg, és a koncentráció különbségnek megfelelően a sejtből kiáramló pozitív K+ ionok távozása után a sejt belseje szintén negatívabb lesz.

OK. Tehát: akciós potenciál -> Ca2+ beáramlás az axonvégtalba -> a jelátvivő anyagot tartalmazó hólyagok Ca2+-t kötnek és -> a jelátvivő anyag a szinaptikus résbe ömlik -> hozzáköt a megfelelő receptorokhoz -> a sejtbe vagy sejtből közvetlenül vagy közvetve ionok áramlanak -> az áram hatására serkentő esetben a sejt hártyája pozitívabbá, gátlás esetén negatívabbá válik. Ha jól látom itt 6 áttétel 6 "->" található. Ez feleslegesen babrásnak tűnik, de ugyanakkor 6 helyen lehet a folyamatot befolyásolni és még így is csak 2-3 msec (msec a másodperc ezred része) kell az egészhez. Egy igazi Rube-Goldberg masina, csak gyorsabban és hasznosabbat csinál.

A szinaptikus jelátvitelt sokféle módon és ponton lehet hangolni. A mechanizmusok egy része preszinaptikus, a szinapszis előtt az axonvégtalpban történik, másik részük posztszinaptikus, azaz a szinapszis után, a dendritben történik. A preszinaptikus oldalon csavarni lehet azon, hogy mennyi Ca2+ áramoljon be az AP hatására, illetve azt, hogy a beáramlott Ca2+ milyen hatékonyan váltsa ki a transzmitter kiürülését. A cannabis hatóanyagai például ezen a ponton befolyásolják az agyműködést, azáltal, hogy serkentő és gátló axonok jelátviteli hatékonyságát csökkentik. A másik oldalon azon lehet csavargatni, hogy egy receptor mennyi iont engedjen be közvetve vagy közvetlenül, illetve, hogy hány receptor üljön a dendrit membránjában.

Ezen a helyen hat a dopamin, a jutalomhormon, ha jól cselekedtünk akkor felerősíti a szinaptikus áramokat, amiket a jelátvivő anyag felszabadulása kivált. Ha nagy mennyiségben szabadul fel ingerületátvivő anyag az AP hatására, valamint a túloldalon sok receptor ioncsatorna várja, amik alaposan kinyílnak, sok áram fog a sejtbe folyni és erős lesz a jel. Ha csak kevés ingerületátvivő anyag szabadul fel és kevés csatorna nyílhat, akkor a jelerősítés gyenge lesz. Azt már csak megsúgom, hogy a teljes zűrzavar, vagy inkább összetett moduláció érdekében az egyik szinapszisból felszabaduló ingerületátvivő anyag eljuthat egy másik szinapszisba és annak hatását befolyásolhatja. De ezen a mellékúton most nem megyünk tovább.

A szinaptikus jelátvitel modulációjának egyik legfontosabb szerepe a szinapszis erősségének változása tanulás során. Mint majd a későbbiekben bemutatjuk, a memória, tudásunk a sejtek közötti kapcsolatok erősségében, a szinapszisok hatékonyságában, tárolódik. Mindent, amit tanultunk, agyunk 1015 erősítőjének egyedi hangerő gombjának a beállításában tárolódik.

Végezetül egy kis színes kitérő, hogy legyen fogalmunk egy apró szinapszis méreteiről. Mi fér bele? A nyugalmi esetben 50-100nM a sejten belüli Ca2+ koncentráció, aktiválódáskor néhány 10 µM-ra (százszorosára) megy fel a Ca2+ koncentrációja azáltal, hogy a sejten kívüli tér 1mM-os (tízezerszerese mint bent) koncentrációban található Ca2+ ionjai közül jónéhány beáramlik a sejtbe. No de mennyi is ez a jónéhány? Egy nagyobbacska axonterminális térfogata megfelel egy 1x1x1 um-es kocka térfogatának. Ez 10-15 liternek felel meg. Ekkora térfogatban, ha a koncentráció 10 uMól (10-6 Mól), akkor 10-15 x 10-6 = 10-21 Mólnyi Ca2+ van, ezt kell megszorozni az Avogadro számmal, azaz a kapott érték megfelel 6x1023 x 10-21 = 600 Ca2+ ionnak. Ennyi áramlik be tehát az axonvégtalp aktiválódásakor (a kezdeti 100nM os koncentráció elhanyagolható). És hány átvivő anyag molekula fér be egy vezikulába? Egy átlagos hólyagocska átmérője 40nm, ez kb. 10-20 liter. A transzmitter töménységét a hólyagban csak becsülni lehet, mérni nem, olyan Mólos koncentrációjúra teszik. Mindezek alapján az ideg-izom átvitelben használt acetil-kolin esetében azt becsülték 1-2000 molekula szabadulhat fel egy hólyagocskából.

Erre mondanánk, hogy ezt csináljátok utánam! Hát jelentem már a természet után csinálták a mérnökök. Amikor egy SSD memória NAND kapujában egy bit tárolódik akkor néhány tucattól néhány száz atom mozdul el! Igaz a nagy számítógépek és tárolórendszerek energiafelhasználásban még nagyon távol állunk az agyétól.

Az agysétát az órarugó gerincű ugráló akciós potenciálról szóló mesével folytatjuk majd.

# Jelterjedés és jelösszegződés az idegsejtekben

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.

SZOLGÁLATI KÖZLEMÉNY: Hiányoztak idáig az ábraaláírások. Dolgozunk a problémán. Mostantól, ha az egeret az ábra fölé viszitek, akkor egy felugró mezőben megjelenik az ábraszöveg.

Egy átlagos idegsejt kiterjedt denritfájára 10-20 ezer szinapszis érkezik, ezek jelentős része serkentő, kisebb része megfelelően elhelyezett gátló. Ahhoz, hogy a serkentő és gátló áramok összegződését megértsük, először tisztában kell lenni azzal, hogyan terjednek az elektromos jelek az idegsejtek nyúlványain. Amikor a biológusok ezt megpróbálták leírni, hamar rájöttek, hogy a probléma fizikai leírását már egy évszázaddal korábban kidolgozták azok a mérnökök, akik a tenger alatti távírókábeleken terjedő jelek viselkedését próbálták megérteni a XIX század közepén.

Amikor az első hosszabb tenger alatti távírókábeleket lefektették, azt tapasztalták, hogy a kábel egyik végén beküldött rövid és erős (nagy amplitúdójú) morzejel a másik végén elnyúlt, gyenge pittyenésként jelent meg, ráadásul az egymás utáni impulzusok elkezdtek összemosódni. Ennek oka, hogy a kábel szigetelése sosem lehet tökéletes. A kábelben vezetett áram két módon is elszivárog a környező tengervízbe (kisebb mértékben a levegőbe, ha ott fut). A két komponens az elektron-áram és a kapacitív áram, melyek a szigetelés ellenállásától és kapacitásától függenek. Hogy melyik micsoda, abba dzsungelbe most ne menjünk bele.
Az áramot egy kábel úgy vezeti, mint egy kicsit lukas locsolócső, az elszivárgó áramnak a lukakon kifolyó víz felel meg, a kapacitív áramnak pedig a rugalmas cső felfúvódása amikor ráadják a nyomást. Ha egy vízcsapot gyorsan nyitogatunk és zárunk a locsolócső végén (főleg, ha lukas), ugyanúgy lelassult és elgyengült vízlökések jönnek ki, mint egy távírókábelből a jelek. A lényeg az, hogy minél gyengébb a szigetelés (kisebb a drót és a víz közötti ellenállás a drót ellenállásához képest, minél lukasabb a cső) és minél nagyobb a kapacitás (minél rugalmasabb) annál erősebben csökken a jelek amplitudója (mérete) és annál lassabban képes felépülni a jel, azaz annál lassabban terjed (és gyorsabban „kenődik” szét).

Csökkenteni lehet az áram elszivárgás mértékét és ezáltal a jelterjedés hatékonyságát, ha a) csökkentjük a kábel belső ellenállását (vastagítjuk a locsolócsövet), b) növeljük a membrán ellenállását és csökkentjük kapacitását (merevítjük a locsolócsövet és betömjük a lukakat azáltal, hogy körbetekerjük szigetelő szalaggal). A természet a) és/vagy b) megoldást is alkalmazza (lásd a következő bejegyzésben).
Bármik is az értékek, az idegsejtek nyúlványain (dendriteken és axonokon) a terjedő jel gyengül. A jel gyengülését a hosszállandóval jellemzik. Ez az a távolság, ami alatt a jel erőssége a felére csökken (majd újra a felére és újra a felére, azaz a jel csökkenését egy exponenciálisan csökkenő függvény írja le). Egy átlagos idegsejt dendritnél a hosszállandó 30-100 µm között mozog, azaz egy átlagosan 400-600 µm hosszú dendritekkel rendelkező sejt esetében, a dendritvégekről már jelentős a jel gyengülése a terjedés során. Ennek megfelelően a legerősebb hatásúak a sejttest közelében végződő bemenetek, mivel nem gyengülnek terjedés közben és így hatékonyan járulnak hozzá a sejttesten kialakuló feszültséghez.

Míg a jelterjedés viszonylag bonyolult, a jelösszegződés nem ennyire (legalábbis alap szinten, fogjuk persze még bonyolítani a későbbiekben). Ahol két áram találkozik (miután a terjedés során gyengült és elnyúlt), összeadódik. Ha ezek az áramok egyenlő előjelűek, pl. két serkentő áram találkozik, akkor erősítik egymást, ha ellenkezőek, mint pl. egy serkentő és egy gátló, akkor csökkentik egymás erősségét. A kérdés az, hogy eléri-e a sejttesten az odáig terjedt és összegzett áramok által kiváltott feszültség az akciós potenciál beindításához szükséges küszöbértéket (~-55mV). Ha igen akkor elindul az axonon egy akciós potenciál. Ebből az egyszerűségből is fakad persze összetettség. Egy idegsejtre több különböző agyi területről érkezik információ. Az agykéregben azt lehet megfigyelni, hogy az idegsejtek dendritfájára az eltérő területekről érkező információ a sejttesttől jellegzetesen különböző távolságokra érkezik. Ennek hatása, hogy az érkező jelek eltérő súlyozással szólnak bele abba, hogy a sejt mikor tüzeljen (kapcsoljon be). Ugye, ha épp a zebrán akarunk átkelni, akkor jobban figyelünk arra, amit épp látunk, mint arra, hogy milyen zene szól fülünkben, hiszen fontosabb épkézláb átérnünk, mint odafigyelni a zenére.

# Miért ugrál terjedés közben az akciós potenciál?

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.

Az akciós potenciál csúcsán a membránpotenciál értéke nagyon közel van a Na+ ionok egyensúlyi potenciáljához, mivel nagyon sok csatorna nyílt ki (Na+gyékhoz az egész rokonság megérkezett és mindenki húzza a kötelet). Az akciós potenciál azért nagyon rövid, mert amikor a membránpotenciál pozitív irányba mozdul el, kinyílnak a feszültség érzékeny K+ csatornák is és a sejtből kiáramló K+ ionok (egyensúlyi potenciáljuk -120mV) csökkentik a sejt belsejében a pozitív töltést. A nagy bulit látva K+

ovácsékhoz is megérkezik a rengeteg rokon, hogy visszacibálják a ponyvát. A membránpotenciál visszatér a nyugalmi szintre (-60mV). Persze a beáramlott Na+ és kiáramlott K+ ionokat az ioncserélő pumpák elkezdik vissza pumpálni. Mivel itt a koncentráció különbség ellen kell dolgozni, ezek a pumpák a sejtek valutáját az ATP-t használják fel. Igen sokat. A membránpotenciál fenntartása nagyon energiaigényes. Egy ember nyugalmi állapotban 100W energiát használ, ennek 20% át agyunk fogyasztja.
Az akciós potenciálnak azonban nem csak kialakulnia kell, hanem hatékonyan és gyorsan terjednie. Alap esetben a kialakult pozitív feszültség a fentebb részletezett módon (mint a kábelben a jel) terjed és terjedés közben legyengül, de közben további Na és K csatornákat nyit. Ez újra és újra történik, de mivel erős a gyengülés a jelterjedés viszonylag lassú. Ez a lassú terjedés nagyon hasonlít a focimeccseken a közönségben kialakuló hullámokra.

De hogyan lehetne ezen gyorsítani? Mint az előző bejegyzésben láttuk, erre két megoldást is adódik. A természet mindkettőt használja (akár egyszerre is).
Amikor Hodgkin és Huxley elvégezték Nobel díjat érdemelt kísérleteiket az idegsejtek membránpotenciáljának kialakulásáról és a jelterjedésről, egy igen furcsa kísérleti modellt használtak. A tengeri puhatestűek egyik képviselője a kalmár. A tintahal rokona, 10 karja van és vízsugár meghajtással közlekedik. Az átlagember panírozott vagy grillezett kalmár karikák formájában találkozik csak ezzel a tetszetős állattal. A kalmárra sokan vadásznak, ezért gyors menekülési reflexre van szüksége. Ahhoz, hogy nagy szemétől a menekülésre serkentő jel nagyon gyorsan jusson el a sugárhajtását vezérlő izmokig, a kalmár egy igen vastag óriásaxont használ. Ugyanis, ha egy nyúlvány vastag, nagy a keresztmetszete, akkor kis ellenállással tudja hosszában az áramot vezetni.

Míg egy emberi idegsejt axonjának átmérője 0.2 um, addig a kalmár óriásaxon átmérője 1.5mm (1500um), azaz 7500x nagyobb is lehet. A 1.5mm átmérőjű óriásaxon remek lehetőséget adott a kutatóknak, hogy belső és külső ionkoncentrációit megmérjék és az akciós potenciálok terjedési mechanizmusát megértsék.
Egy vékony szigeteletlen axon, mint amin például a meleg érzet terjed karunktól a gerincvelőig, 0,5-2,0 m/s sebességgel, azaz 2-7 km/órával, gyalogtempóban vezeti a jeleket. A legnagyobb sauropoda dinoszaurus az Amphicoelias 40-60 méter hosszúra nőtt. Egy ilyen axonon a farka végétől a fejéig egy jó fél percig terjedt az információ. Ha belelógott a lávába a farka akkor ropogósra sülhetett mire észrevette. A kalmár óriásaxonján, vastagsága miatt már 25 m/s-al, azaz 90 km/h-val, egy közúti autó sebességével terjed a jel.

Az emlősök agyuk jelterjedésének felgyorsítására egy jelentősen gazdaságosabb megoldást alkalmaztak. Szigetelték vékony axonjaikat! Ezt úgy érik el, hogy az idegsejtek axonjára a Schwann sejt nevű segítő gliasejtek ellaposodó nyúlványa többszörösen rácsavarodik, mintha szigetelőszalaggal tekerné körbe az axont. Az 5-6 rétegű megkettőzött sejthártya (melyben nincsenek ioncsatornák) nagyon jó szigetelő, ezért az axonon jelentősen messzebbre terjednek az elektromos áramok. Ezt a struktúrát hívják mielin hüvelynek és mindenhol megtalálható, ahol egymástól távoli területeket összekötő pályák futnak. A mielinizált axonokon (átmérőjüktől függően) már 20-80 m/s-al terjednek a jelek. Ez gyorsabb, mint a kalmár vastag axonján, egy gyors sportkocsi sebessége (290km/h). Az idegrendszer leépülésével járó sclerosis multiplex (SM) oka, hogy valami ismeretlen folyamat eredményeként az immunrendszer sejtjei megtámadják a mielin hüvelyt és mint egy gépromboló horda leszaggatják a szigetelést az idegpályákról. Nem csoda, hogy az SM első tünete fáradékonyság, végtagzsibbadás, mely később bénuláshoz, vaksághoz vezethet, hiszen a sejtek elvesztik hatékony jeltovábbítási rendszerüket.

Azonban még egészséges mielinizáció esetében sem terjedhet a jel nagyon messzire. A jelet időnként fel kell erősíteni. Az idegrendszer ezt úgy oldja meg, hogy az axonon a mielinhüvely időnként megszakad és ezen a ponton (amit felfedezője után Ranwier-csomónak neveznek) az axon kicsit megvastagodik és rengeteg, az akciós potenciál generálásához szüksége Na+ és K+ csatornát épít be a sejthártyájába. Az idáig elérő, csillapodott jel újra kivált egy akciós potenciált és szalad tovább. Ezt a szakirodalomban szaltatórikus, azaz ugráló vezetésnek hívják. Kicsit olyan, mint amikor a forró nyári biciklitúrán a lelassult kerékpáros megáll a kocsmánál és vérmérséklete szerint vizet vagy sportfröccsöt elfogyasztva újult erővel indul tovább. Egy ilyen axonon akár 120 m/s-al, azaz 432 km/h-val, egy gyorsulófélben levő repülő sebességével terjedhetnek a jelek. Nincs annyi fröccs, amitől egy biciklista ilyen gyorsan tudna menni.

# Mesterséges idegsejtek: hogyan írják le a matematikusok az idegsejtek jelfeldolgozását?

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 idegsejtek vizsgálatának hőskorában a biológusok megfigyeléseit a matematikusok és fizikusok igyekeztek egyenletek formában megragadni. A fenti hihetetlenül bonyolult fizikai kémiai folyamatokat sikerült Hodgkin-nak és Huxley-nak differenciál egyenletekkel leírni, amit Nobel díjjal jutalmaztak 1963-ban. Ez egy pontos, de még mindig bonyolult leírása volt az idegsejtek működésének.

A számunkra emészthetőbb leírást McCulloch és Pitts alkotta meg 1943-ban (MCP modell). Ez volt az első mesterséges idegsejt (neuron) modell. Mindössze ennyi:

Ugye minden modell, így az idegsejtmodell is, a valóság leegyszerűsítése, hogy bizonyos kérdésekre hatékonyabban és/vagy egyszerűbben lehessen válaszolni. Persze mint minden modellnél, tisztában kell lennünk azzal mit építünk be, mit dobunk ki. Ez be is határolja, hogy mit kérdezhetünk (és fordítva, a kérdés szabja meg mennyire egyszerűsítünk). A mesterséges ideghálózatok és az általuk használt idegsejtek esetében nem a biológiai hűség, hanem a tömör matematikai leírás a cél, hogy könnyen számolhassuk az elemek működését és hatékonyabban tudjunk számítógépeken mesterséges idegsejteket és idegsejt hálózatokat szimulálni (vizsgálni). A mesterséges idegsejt és hálózat modellek a skála egyik végén álló egyszerű MCP sejttől a biológiai sejtre igen hasonlító összetett jelintegráló modell rendszerig folyamatos skálát alkotnak.

De fordítsuk le mi van odafent a legegyszerűbb leírásban. Egy idegsejt számos (~10,000) bemenetet kap más sejtek axonvégződéseitől. A preszinaptikus sejt axonjáról érkező bemenetek értékét az x1, x2, …x10000 változókban tárolhatjuk egy modellben. Hogy az axonról érkező bemenet milyen erősen adódik át a beidegzett sejt dendritjére, azaz azt a szinapszis mennyire erősíti, a w1, w2, … w10000 változókban található (szinaptikus súlyok, az angol weight=súly rövidítése) tartalmazzák. A ∑ (nagy szigma, jelentése szumma) azt jelenti, hogy ahhoz, hogy a sejtre érkező bemenetet megkapjuk, össze kell adnunk az összes bemenetre a bemenet értékét megszorozva a szinaptikus súllyal (x1*w1)+(x2*w2)*….(x10000*w10000). Hiszen a sejttesten a dendritekből érkező bemenő áramok összegződnek. A második egyenlet pedig azt jelenti, hogyha az összeg, u, nagyobb, mint a küszöb Θ (theta az angol threshold = küszöb görög rövidítése), akkor a sejt kimenete (y) 1 lesz, különben marad 0 (a valódi idegsejt esetében kisül a sejt vagy nem).
Ezen egyenletek alapján, viszonylag alacsony számításigénnyel lehetett hatékonyan számolni kis neuronhálózatok működését. Bár ekkor még nem léteztek számítógépek. Ezek elméleti megalapozását Alan Turing elmélete alapján Neumann János dolgozta ki az EDVAC jelentésben.

Az agy és a számítógép kapcsolatának érdekes csavarjaként az első általános célú számítógép elemeinek megtervezésénél Neumann felhasználta McCulloch és Pitts absztrakt neuronjait. Nem is csoda, hiszen egy kevés bemenettel rendelkező idegsejt jelintegrációja nem áll messze egy logikai művelet elvégzésétől. Ha sejtünknek két bemenete van és aktiválódási küszöbe 2 akkor az ÉS (AND) logikai műveletet képes elvégezni, azaz csak akkor lesz aktív, ha mindkét bemenete aktív. Ha a sejt aktiválódási küszöbe csak 1, akkor bármely bemenet aktiválódása esetén aktív lesz, azaz egy VAGY (OR) műveletet végez. Egy NEM (NOT) logikai műveletet pedig egy egyetlen bemenetű, 1 küszöbű gátlósejttel lehet leírni. Ennek a 3 elemnek a használatával pedig bármely logika függvényt fel lehet építeni egy kis neuronhálózatból.

Ilyen neuronokból építette fel terveiben Neumann a feldolgozó egység összeadó, szorzó, osztó, gyökvonó és egyéb elemeit, illetve a memóriát és a vezérlést. Utána pedig a mérnökök tranzisztorokból alakították ki az idegsejtek számításain alapuló logikai kapukat.
A legegyszerűbb idegsejt modellt (MPC) „integrate and fire” modellnek hívják (összegyűjt és aktiválódik). Az elméleti szakemberek hamar rájöttek arra, hogyha az idegsejtek kimenete nem bináris [0 vagy 1] hanem folytonos [0 és 1 közötti], illetve, ha a válaszfüggvénye (az összegzett áram hogyan alakul válasszá) nem egy hirtelen ugrás 0-ról 1-re, hanem egy nemlineáris függvény, akkor sokkal kifinomultabb számításokra képes egy modell idegsejtekből álló hálózat. A folytonos esetet biológiában úgy lehet elképzelni, hogy a sejtnek nem csak tüzel/nem tüzel állapota van, hanem különböző gyakorisággal (frekvenciával) is bocsájthat ki akciós potenciálokat. A nemlineáris pedig azt jelenti, hogy kétszer, négyszer akkora bemenő jelre nem kétszer, négyszer akkora lesz a válasz, hanem ennél nagyobb (supralineáris, vagy kisebb (sublineáris).

A fizikában az ilyen nemlineáris bemenet-kimenet esetre leggyakrabban a sigmoid függvényt (görbét) használják. Történetesen az idegsejtek is ilyen szigmoid aktiválódási küszöbbel bírnak. A szigmoid görbe egy ideig vízszintesen fut minimális értékén (nem változik), aztán egy küszöbértéknél elkezd emelkedni, az egyedi görbékre jellemző meredekséggel fut felfelé, majd újra kilaposodik a maximális értéknél.
Egy idegsejt is amíg nem kap jelet, vagy nem kap elég erőset, nem aktiválódik, aztán a jel erősödésével egyre aktívabb lesz, de aktivitása nem tud a végtelenségig nőni, egy ponttól fogva maximális gyakorisággal bocsájtja ki az akciós potenciálokat, bármi is történik. A görbe meredeksége azt befolyásolja mennyire finoman vagy durván emelkedik a sejt aktivitása a bemeneti jelerősség függvényében. Az indulási pontja pedig megfelel a sejt tüzelési küszöbének. Tulajdonképpen a 0/1 küszöbfüggvény a szigmoid görbe egy szélsőséges alakja, ahol a meredekség a küszöbnél végtelenül nagy, a minimum érték 0, a maximumé pedig 1.
Ezen a ponton (valahol az 1960as években) aztán hosszú időre el is vált egymástól a fizikusok és agykutatók útja. A kezdeti ihlet után a fizikusok rengeteg dologra kezdték el használni a formális neuronokat és mindenféle ravasz módosításokat eszközöltek azért, hogy hálózataik jobban viselkedjenek (azaz bonyolultabb és gyorsabb számításokat tudjanak kiegyensúlyozottan elvégezni). Megjelentek olyan „neuronhálózatok” amelyek már igencsak elrugaszkodtak a valós biológiai alapelvektől. Kialakultak egzotikus nevű megoldások, mint például a Perceptron.
Az egyik ilyen újítás volt a „backpropagation”- visszaterjedés. Itt az idegsejtek nyúlványrendszerén a jel nem csak a biológiában megengedett szinapszis->dendrit->sejttest->axon irányba terjedhet, hanem visszafelé is. Ebben a rendszerben speciális szinaptikus tanulási szabályokat is beépítettek, ami az agyban nem található meg. A másik, biológiailag nem helyes megoldás az volt, hogy egy sejtnek nemcsak pozitív, hanem negatív szinaptikus súlyai is lehettek, azaz bizonyos kimenetei serkentők, mások gátlók voltak, sőt ezek át is válthattak egymásba. Mint írtam, az agykéregben az idegsejt típusa határozza meg hogy serkentő vagy gátló kapcsolatokat alkot axonterminálisaival. Mivel, mint majd a későbbiekben látni fogjuk, a két sejttípus alapvetően más szerepet tölt be az információ feldolgozásában.

Az eltérésekbe itt most nem megyünk bele, mert a tanulásról és sok másról majd a következő részben a hálózatoknál lesz szó. Ott pillantást vetünk majd a modell idegsejtekre és hálózatokra is, illetve, hogy amikor a mesterséges intelligencia kutatók újra az agykutatókhoz fordultak ihletért, miket vettek ám ami a jelenlegi Deep Learning AI forradalomhoz vezetett.

Szerző: Gulyás Attila

# A két lábra állás meséje: az energiazabáló agy.

A sok kemény tény után lazítunk egyet, egy mesélősebb résszel.
Agyunk a testméretünkhöz képest a többi élőlényhez viszonyítva hatalmas (bár a Neandervölgyi embernek térfogatra nagyobb volt). Ráadásul nem csak hatalmas, hanem energiazabáló is. Egy ember nyugalomban 100W energiát használ, kb. mint egy erős régimódi villanykörte, vagy mondjuk egy lakás teljes LEDes kivilágítása. Ezt hő formájában adjuk le a környezetünknek, ugyanúgy, mint laptopunk. Ezért van az, hogy egy nagy előadótermet, amiben sok ember van, nem fűteni, hanem hűteni kell. 10 ember 1kW, 100 ember 10kW (mint 3 keményen dolgozó villanyradiátor). Ha nekiállunk sportolni hőleadásunk felmehet 3-400W-ra is.

Agyunk nyugalmi energiafelhasználásunk jelentős részét, 20%-át éli fel, egyötödét. Függetlenül attól, hogy alszunk, keményen gondolkodunk, meditálunk, lazítunk, mindig nagyjából ugyanannyi energiát használ fel. De miért kell neki ilyen sok energia és miért kb. mindig ugyanannyi? Az idegsejtek működésének alapvonása, hogy elektromos feszültség alakul ki sejthártyájuk belső és külső felszíne között. Mint a membránpotenciál kialakulásánál írtuk, ez annak következménye, hogy a sejten belül és kívül jelentősen eltér az egyes ionok mennyisége (koncentrációja). Ezt a sejtek úgy érik el, hogy a sejt belsejéből kipumpálják a Na+ ionokat és bepumpálják a K+ ionokat (a két meghatározó ionfajtát). A pumpák működtetéséhez nagyon sok ATP-t, a sejt energiavalutáját kell elhasználni. Egy ATP molekula elhasználásával 3 Na+ és 2 K+ iont mozgat a sejt. De honnan jön az ATP? Az idegsejtekben cukor égetésből keletkezik. Egy glukóz molekula elégetésekor 36-38 ATP molekula keletkezik. Azt most ki nem számolom, hogy egy idegsejtnek mennyi K+ és Na+ iont kell mozgatnia, de sokat, szóval sok cukorra van szüksége és ezért sok energiát szabadít fel hő formájában.

De miért igényel annyi energiát függetlenül attól, hogy lemegyünk alfába vagy matek érettségit írunk? Azért, mert a sejtek dendritjein és sejttestének felszíne jelentősen nagyobb, mint az axonok felszíne. Azaz, a sejt felszínén fenntartani a membránpotenciált jelentősen több ionpumpálást igényel, mint a sejtek aktiválódását jelentő, axonokon futó akciós potenciálok után visszaállítani az ionokat. Tehát, egy sejt a jelösszegzésre kb. ugyanolyan sok energiát használ el, függetlenül attól, hogy aktiválódik-e vagy nem. Az idegsejteknek a membránpotenciált mindig fenn kell tartaniuk, ha alszunk is. Ha egy idegsejt nem tudja fenntartani a membránpotenciálját, akkor működése komoly károsodásokat szenvedhet.

Amikor baleset vagy betegség következtében (szívleállás, fulladás, ütés a fejre, agyvérzés, agyérgörcs), időlegesen megáll a véráramlás és ezzel az agy oxigénellátása, a sejtekből pillanatok alatt elfogy az ATP, lekapcsolnak az ionpumpák, összeomlik a membránpotenciál és megáll a sejtek, az agy működése. Még ha időben újra is indul az oxigénellátás, a sejtekben olyan folyamatok indulnak be, amelyektől idővel epilepszia alakulhat ki az agyban, mely további sejtkárosodást és pusztulást okoz. Nagyon fontos tehát az agy állandó vérellátása. Ezért kell az ájult vagy ájulás közeli embert (ha fehérájulásról, elsápadásról van szó) lefektetni és lábát feltámasztani, hogy a vér inkább az agyába áramoljon.

Szó mi szó az agynak rengeteg energia kell és ezért rengeteg hőt is szabadít fel. Erről szól mesém második része.

Őseink amikor Afrikában 3-4 millió éve lemásztak a fáról - ugyanis elfogytak alóluk a fák, mert az esőerdők a felmelegedés miatt szavannákká (gyéren fás, füves pusztákká) alakultak – egy hihetetlenül forró, száraz élőhelyen találták magukat. Ez számos kihívás elé állította őket. A bőséges, energiát szolgáltató gyümölcstermő fák eltűntek. Árnyékukkal együtt…. Őseinknek meg kellett tanulniuk új táplálék után nézniük és túlélni a tűző napon. Van egy mondás: „Ami nem öl meg az erősebbé tesz!”. Nos őseink közül nagyon sokat megölt az evolúciós szelekció, mire alkalmazkodtak a szavannai életmódhoz, de sokkal erősebbek lettek a végére. Nemigen van még egy olyan faj, amelyik ekkora átalakuláson ment keresztül ilyen rövid idő alatt.

Szervezetünkben rengeteg átalakulás történt: két lábra álltunk, elvesztettük szőrzetünket, jelentősen megnőtt agyunk térfogata. Ez a három dolog rengeteg szálon függ össze egymással, de az agytérfogat növekedéséhez elengedhetetlen volt a két lábra állás és a megcsupaszodás. De miért is? Járjuk körbe a kölcsönhatásokat.

A biológiában van egy megfigyelés. A táplálékspecialisták (leggyakrabban növényevők, azok közül is, akik egyféle táplálékot fogyasztanak) buták. Kicsi az agyuk, a ragadozók mérsékelten okosak, a mindenevők pedig a legokosabbak. Ha egy állat bonyolult közösségekben él még okosabb. Melyik az okosabb? A koala vagy farkas? A birka vagy a disznó? A tengerimalac vagy a makákó? A tyúk vagy a varjú? A galamb vagy a papagáj? A panda vagy a barnamedve? Ha bent ülsz egy bambuszerdő közepén vagy egy eukaliptusz ligetben akkor csak ki kell nyújtsd a karodat és ott a táplálék. Nem csoda, hogy a koala agya hihetetlen mértékben összezsugorodott. Ha vadásznod kell, főként ha csapatban, szükséged van az agyadra. De a legnagyobb szükséged akkor van az agyadra, amikor nehéz körülmények között, abból kell megélned, amit találsz és elkapsz! No ezek a mindenevők, akik mindenhova benéznek, emlékeznek rá hol volt a múltkor a fincsi hernyó, feltúrják amit kell. Ehhez nagy agy kell (és ügyes mancs vagy csőr)! A társas kapcsolatokhoz, márpedig őseink abban éltek, még nagyobb.

Mellékszál, de a fenti viselkedés-agyméret összefüggés nagyon jól látszik a kései ember evolúció során is (lásd Jarred Diamond könyveit). A 10-40ezer évvel előttünk élő vadászó-gyűjtögető őseink agya kicsivel nagyobb volt, mint a földművelés feltalálása óta élő földművelő őseinké. Hiszen kevesebb intelligenciát igényel búzát termeszteni, a földet túrni, mindig ugyanott, mint hatalmas területeket bejárni és ravasz módokon megkeresni mit is együnk ma? Arról nem is beszélve, hogy a halász-vadász csontvázleletek sokkal erősebbnek és egészségesebbnek bizonyultak, mint a későbbi földműves csontvázak. Sok ember élt egy csoportban, sok volt a betegség és a földtúrás megnyomorította őket.

Folyt köv…

Szerző: Gulyás Attila

# A két lábra állás meséje: mi kell egy nagy agyhoz?

Tehát, ahhoz, hogy afrikai őseink 4 millió évvel ezelőttől a táplálékban szegény szavannán meg tudjanak élni, mindenevőkké kellett válniuk és ezért nagyobb agyra volt szükségük. Az agynak pedig sok energiára, táplálékra van szüksége és hőleadása miatt nagyon kell hűteni! Itt van egy körkörösség, mert ugye a több táplálékhoz nagyobb agy kell, annak meg több táplálék. De a két dolgot szépen összecsiszolta az evolúció. A gyümölcsökben sok a cukor, sok az energia. De ugye az már nincs… Ezért őseink rákaptak az állati fehérjére és még inkább az állati zsiradékra. Ennek megszerzése persze megint nagyobb agyat igényel 😊.

De térjünk át a hűtés kérdésére. Agyunk csak úgy lehetett nagyobb, ha közben elegendő hőt tudott leadni. Evolúciónk során mind a két lábra állás mind a szőrzet elvesztése segített ebben. Úgy tűnik, a két lábra állásnak több előnye is volt. Egyrészt, a magas fűben messzebbre lehetett látni felegyenesedve, másrészt, két lábon egy idő után energiatakarékosabban lehet járni, illetve a kezünk is felszabadult arra, hogy utódainkat és szerszámainkat cipeljük. De történetünk szempontjából a felegyenesedés azért jelentős, mert aki áll, annak kisebb részét süti a nap (pláne a magasan járó trópusi) mint aki négy lábon jár. Hogyan szoktak az emberek napozni? Állva vagy fekve? Na ugye!

A hűtés másik eleme szőrzetünk elvesztése és ezzel párhuzamosan annak a megszerzése volt, hogy egész testfelszínünkön tudunk izzadni. Hőt leadni többféle módon lehet. Hősugárzással, hővezetéssel, áramlással és párologtatással. Az afrikai szavannán napközben a hősugárzás és vezetés nemigen működik, mivel környezetünk melegebb, mint mi. Marad az áramlás (a levegő elviszi a hőnket), illetve a még hatékonyabb párologtatás, ahol a testfelszínünkre került víz elpárolgása során magával visz rengeteg hőenergiát. Ahhoz, hogy testfelszínünkről hatékonyabban áramoljon el a hő és könnyebben párologjon el a nedvesség a szőrzet elvesztése egyértelmű előny. Azaz, erős evolúciós nyomás volt arra, hogy megcsupaszodjunk. Kevésbé bundás őseink később kaptak hőgutát mint a bundások, ezért több kevésbé szőrös utódjuk lett. A szőrzet elvesztésének másik előnyét jómagam is megtapasztaltam amikor Ausztráliában a Daintree esőerdőben túráztam a feleségemmel. Itt évente 11 méter eső esik és tele van az erdő apró piócákkal (értsd szőrős a föld tőlük). Amikor valaki közeledik érzik a léptei dobogását és vad körzésbe kezdenek, hogy nagyobb eséllyel tapadjanak áldozatukra. Ránk is jutott bőven. Amikor elkezdtük egymásról leszedegetni őket, feleségemnek jelentősen nehezebb dolga volt, mint nekem, mert az én szőrős karomon és vádlimon nagyon hatékonyan el tudtak bújni a szőrszálak között, nehezebb volt felcsippenteni őket, mint az ő csupasz bőréről. A paraziták pedig komoly evolúciós hajtóerőt tudnak felmutatni.

Izzadás: Az ember hihetetlen hatékonyan izzad. Nemigen van még állat, aki egész testfelszínén tud izzadni. A kutyák csak a talpukon tudnak izzadni, ezért a hőleadást lihegéssel oldják meg. Tüdejükben párologtatják el a vizet. Vannak olyan állatok is, például az ausztráliai sivatagban élő kenguruk, akik szőrüket nyalogatással nedvesítik és így hűtik magukat. De ezeknek a megoldásoknak a hatékonysága jelentősen alulmúlja az izzadásét.
Nehéz elhinni, de a hatékony hűtés miatt, olyan mértékben alkalmazkodtunk a hosszútávú gyalogláshoz és futáshoz, hogy egy ember tartósan hosszabb távot képes megtenni naponta, mint egy ló vagy egy farkas. Őseinkhez hasonlóan a kalahári sivatagban élő khoisan vadászok még ma is addig követik a gazellát amíg az túl nem hevül és mozdulatlanul el nem dől.

Az ember élettanában számos más is segítette az agy hatékony hűtését. Ugye a felegyenesedés miatt testünkre már nem jutott annyi napfény, de a gerincoszlopunk végén egyensúlyozó koponyánkra igen. Ezért ezen megmaradt a hőszigetelés, itt nem kopaszodtunk meg, hanem az afrikaiakra jellemző rövid göndör hajunk alakult ki. A göndör haj átszellőzik, így alatta a fejbőr tud párologtatni, de közben vékonyan takarja a fejet a nap ellen. A másik adaptáció (alkalmazkodás) ami történt az az agy, a koponya és a fejbőr vénás (vivőeres) vérkeringésének átalakulása volt. Biztos mindenki látott már fejbőr sérülést, ami nagyon erős sötét színű vérzéssel jár. Ez ijesztőbbnek látszik, mint amennyire veszélyes. A fejbőrben ugyanis sokkal több az ér, mint ami táplálásához szükséges. Az agyból kilépő felmelegedett vénás vér a koponyacsont alatt, illetve részben a koponyából kilépve a fejbőr alatt áramlik és mint egy hősugárzó leadja a felesleges hőenergiát, majd a nyakban, az agyat tápláló artériák mellett futva, lehűti az azokban áramló vért. Így az agy hűtött vért kap.

Hatalmas agyunknak az energiaéhségen kívül van még egy nagy ára. A modern orvostudomány kialakulása előtt a szülések 1.5%ba belehalt az anya. Ha beleszámítjuk, hogy általában sok gyereket szültek a régi időkben, a nők 4%-a halt meg szülésben. Ennek oka, hogy az ember újszülöttjének hatalmas a koponyája, még úgy is, hogy a legtöbb emlőshöz képest fejletlenül születik. Ez nyilván egy erős szelekciós nyomás és megmagyarázza a nők csípője miért szélesebb, mint a férfiaké.

Legközelebb visszatérünk az elektrofiziológiához, majd az elektronmikroszkópokhoz.

Szerző: Gulyás Attila

# Dadusok és bestiák: Felvezetés

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.

Mielőtt tovább lépnénk a következő szerveződési szintre, ahol megvizsgáljuk az idegsejtekből összeálló hálózatok viselt dolgait, be kell mutassam, hogy az idegsejtek milyen extrákkal és szervízhálózattal rendelkeznek, azaz milyen eddig be nem mutatott további kölcsönhatásokba léphetnek még egymással és a környezetükkel. Ez fontos lesz annak megértésében, hogy a hálózatok viselkedése hogyan módosítható. Bár tudjuk egy embernek élelmiszerre, lakásra, szórakozásra van szüksége, de ahhoz, hogy megértsük, hogyan működik egy társadalom meg kell ismernünk azt is, hogy az emberek hogyan és milyen típusú kölcsönhatások útján lépnek kapcsolatba más emberekkel és társadalmi szerveződésekkel (adóhivatal, munkahely, stb.). Hiszen embertársaik és hivatalaik rengeteg finom és kevésbé finom módon tudják befolyásolni viselkedésüket, amiktől döntéseik, irányultságuk megváltozhat.

Az idegsejtek viselkedését ugyan elsősorban, gyorsan és jól láthatóan a rájuk érkező szinapszisok aktivitása befolyásolja, de működésük számos elemét a környezetükből származó finomabb, lassabban ható, térben és időben kevésbé pontosan meghatározott jelek is befolyásolják. Gondolatmenetünk szempontjából két dolgot kell megemlítsünk. Egyrészt, hogy az idegrendszert nem csak idegsejtek, hanem a velük megegyező számban jelen levő gliasejtek is alkotják, melyek az idegsejtek működését támogatják és hangolják. Másrészt, hogy az idegsejtek egymással és a gliasejtekkel számos különböző módon hatnak kölcsön, mely kölcsönhatások eredményeként befolyásolják egymás működését.

# Az idegsejtek dadusai a gliasejtek

Mik azok a gliasejtek? Olyan sejtek melyek az idegszövetben találhatók, körülveszik az idegsejteket, és azok működését támogatják, befolyásolják. A glia szó latin eredetű és ragasztót jelent, mivel akik először felfedezték ezeket a nem-idegsejt idegrendszeri sejteket (ugye az idegrendszer nem csak az agyból és gerincvelőből, hanem a testben futó idegekből is áll) azt gondolták ezek a sejtek tartják össze az idegszövetet. Az elmúlt évtized eredményei alapján egyértelmű, hogy a gliasejtek meghatározóak az idegsejtek és az idegrendszer működésében. Alapvető szerepet játszanak az idegrendszer fejlődésében, fenntartásában, a szinapszisok tanulási folyamataiban, ingerlékenyek, jeleket továbbítanak és fontosak az agyat ért sérülések és betegségek elleni küzdelemben. Kóros működésük fejlődési rendellenességekhez és neurodegeneratív betegségekhez vezet.
A következő fejezetben a gliasejtek kialakulásával és fejlődésével folytatjuk.

Szerző: Gulyás Attila

# Dadusok és bestiák: A gliák kialakulása és fejlődése

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.

Azaz, míg átlagos testi sejtjeink lecserélhetők, sem idegsejtjeink, sem nyúlványrendszerük nem. Ráadásul az idegsejteknek a membránpotenciál fenntartásához nagyon sok energiára van szükségük, és a jelintegrálás feladata is igen végletes sajátosságokat követel meg (szinapszisok, ingerületátvitel, terjedés). Amikor a sejtek kommunikációs rendszereiről beszéltünk, akkor megjegyeztük, hogy egy sejt nem tud egyszerre nagyon sok féle dolgot igazán hatékonyan csinálni, mert a génszabályozás és a sejteken belüli jelrendszerek kapacitása véges. Mindezért, amikor az erősen „szakosodott” idegsejtek elkezdtek kialakulni, elveszítették (vagy nem csináltak túl jól) alapvető életfenntartási funkciókat, mint például az anyagcsere vagy a sejtosztódás képességét. Az idegsejtek azért vesztették el osztódási képességeiket, mert a sejtosztódás M fázisában (amikor a mitózis, a kromoszómák szétválása zajlik) a sejtműködés alaptörvényei szerint a sejtnek be kell húznia összes nyúlványát, mert az egész sejtváz (citoszkeleton) újra kell hogy szerveződjön. Ez ugye, egy szinapszisokat alkotó idegsejt esetében elképzelhetetlen, hiszen kapcsolataiban rejlik lényege.

Az idegsejteknek tehát szükségük volt működésüket, túlélésüket támogató sejtekre. Ezért az idegrendszer bonyolódásával a hámsejtekből nemcsak idegsejtek, hanem az őket támogató, kiegészítő funkciójú gliasejtek is kialakultak. Az első gliasejtek egyszerű állatok (laposférgek) érzékelő idegsejtjeinek támogatójaként jelentek meg az érzékszervekben, de hamarosan a gliasejteknél is megjelent a munkamegosztás. Vannak olyan gliasejtek (progenitor), amelyek osztódással további osztódó, illetve specializált, idegsejtekhez kapcsolódó funkciójú, már nem osztódó gliasejteket hoznak létre, amelyek bonyolult nyúlványrendszerrel kapcsolódnak majd az idegsejtekhez, hogy működésüket támogassák. Bizonyos gliasejtek őssejtek is lehetnek, mert nem csak további gliasejteket, hanem idegsejteket is képesek létrehozni. Az őssejtek esete kicsit olyan, mint amikor a Mátrixban a békés járókelő hirtelen Smith ügynökké válik és akcióba lép. A megfelelő jel hatására, az addigi üldögélő, semmit nem csinálok személyiségüket, egy aktív a feladat megoldására hatékony személyiséggé változtatják.

De mit is csinálnak a gliasejtek? Attól függ melyik típusuk és mikor. Itt most csak az emlősök gliasejtjeiről beszélünk majd, azok közül is csak az agyban található gliasejtekről. Azért szűkítek, mert történetünk szempontjából nem fontos, hogy végigsétáljunk újra a törzsfejlődésen és a gliasejtek őseinek összes viselt dolgát bemutassuk.
Kezdjük az elején. A megtermékenyített petesejt elkezd osztódni és kialakítja az egyre több sejtből álló zigótát, mely sok, kinézetre egyforma, és kb. ugyanazokkal a tulajdonságokkal rendelkező sejtekből áll. Eljön azonban az a pillanat, amikor a zigótán megjelenik egy hosszanti árok, amely velőcsővé fűződik le. Ez az a pillanat amikor az eljövendő állatka szervezete elkezd kialakulni. Az eddig egyforma sejtek elkezdenek szakosodni, specializálódni. Kialakul az idegrendszer kezdeménye, a gerinc kezdeménye, az ivarszervek és a bél kezdeményei, melyek saját egyedi sejttípusokkal rendelkeznek.

Az idegrendszert megalapozó velőcső, mint a neve is mondja egy cső. Van fala és ürege. Az első specializálódott sejtek, melyek a velőcső belső és külső felszínét kötik össze egymással a radiális gliasejtek. Ők az idegrendszer központosodásának idején a tüskésbőrűekben és lándzsahalakban jelentek meg. A radiális latinul sugár-irányút jelent, ez utal arra, hogy ezek a sejtek a velőcső felszínére merőlegesen nyúlnak meg, a középponttól kifelé. Ahogy a velőcső fala idegrendszerré vastagodik, a radiális gliasejtek egyre jobban megnyúlnak és folyamatosan osztódnak. Valami olyasmit kell elképzelni, mint egy biciklikerék, ahol a radiális gliasejtek a küllők, melyek a kerékagyat (a közepén lévő tengely lyuka a velőcső belseje) az abronccsal (az agy felszínével) kötik össze. Csak ők nem húznak, hanem nyomnak. Egy idő után a radiális gliasejtek úgy osztódnak, hogy egyik leánysejtjük megmarad radiális gliasejtnek, másikukból pedig különböző idegrendszeri sejteket kialakító progenitor (előd) sejtek lesznek.

Ők hozzák létre további osztódással fajtájuktól függően az idegsejteket, illetve a gliasejtek két típusát az asztrocitákat (szinonímájuk: asztroglia sejtek) és az oligodendrocitákat (oligodendroglia sejtek). Valami olyat képzeljünk el, mint amikor egy kis csoport hajótörött egy lakatlan szigetre vetődik. Először mindenki mindent csinál a túlélés érdekében, de ahogy családot alapítanak és gyerekeik születnek lassan kialakul egy kis társadalom, amiben egyesek halásznak, mások házakat építenek, gyerekeket nevelnek vagy tanítanak, szakosodnak, specializálódnak. Mindenki azt csinálja, amihez legjobban ért és kölcsönösen segítik egymást.
A gliák közül a radiális gliák ahhoz értenek a legjobban, hogy felépítsék az idegrendszer vázát (ők az ácsok) és azt benépesítsék. Mire az agy kialakul, a radiális gliasejtek majdnem mind eltűnnek, csak néhány, a felnőtt agyban is új idegsejtekkel gyarapodó területen maradnak meg. Az idegsejtek ahhoz értenek, hogy kapcsolatba lépjenek egymással, ingereket vezessenek, jeleket összegezzenek. De ők már se osztódni, se tápanyagot előállítani nem tudnak. Etetni és védeni kell őket.

Az asztrogliák (nevüket az aster, csillag szóból kapták), mivel nyúlványrendszerük mint egy csillag sugarai, a középen elhelyezkedő sejttestből sugárzik kifelé. Az idegsejtek sejttestének és dendritjeinek táplálásában és a szinapszisok babusgatásában fontosak, az agyi gliasejtek felét teszik ki. Az ember asztrogliasejtjei nagyobbak és bonyolultabb elágazásrendszerűek (100-400 µm átmérőjűek), mint az egyszerűbb emlősökben, 10x annyi nyúlványukkal, 15x akkora teret töltenek ki. Hosszú nyúlványokat küldenek a kéreg rétegei, felszíne és a fehérállomány között. Az oligodenrogliák -nevüket az oligo, alig és dendros, fa szóból kapták, mivel viszonylag kevés faágszerű nyúlványuk van – az idegsejtek axonjainak növekedését segítik, a gyors jelterjedéshez szükséges szigetelést, a mielin hüvelyt alkotják, és táplálják az axonokat. Akkor jelentek meg az evolúcióban amikor a gyors ingerületvezetésre képes idegsejtek kialakultak (az őszájúakban, meglepő módon a csigákban 😊, az újszájúakban: a cápákban). Ezt a két glia típust makrogliának (makro=nagy) hívják és azért kell őket elkülöníteni, mert az idegrendszer fejlődése során az ácsok és óvónénik mellett megjelenik még a rendőrség is, a mikroglia sejtek (mikro=apró) formájában. Róluk eddig nem volt szó, mivel nem hám eredetűek és nem a velőcsőből fejlődnek. Azért rendőrök, mert az immunrendszer részét képezik és mint ahogy a vérsejtek (vörös és fehér) a középső csíralemezből, ők is a mezodermából származnak. Ők a szervezetünk kórokozóit bekebelező nagy-zabálók, a makrofágok (makro=nagy, fagos=enni) rokonai. A már félkész idegrendszerbe a saját lábukon sétálnak be a szikzacskóból, mert hogy amőba-szerűen képesek mozogni, átfurakodni az érfalakon és beszuszakolni magukat az idegsejtek és más gliasejtek közé. A mikrogliák feladata, hogy rendet tartsanak az agyban, sérülés vagy fertőzés esetén védjék az idegsejteket. Ezt nagyon óvatosan kell csinálniuk, hiszen a sejtek közötti kapcsolatok érinthetetlenek! Nem véletlen, hogy nem is engedi be az agy az izomagyú makrofág fickókat, akik vírusok és baktériumok felfalására vannak szerződtetve, mert nincs meg a képesítésük az intelligens rendrakáshoz. Ezzel inkább a képzett mikrogliát bízza meg. A mikrogliák a piócától az emberig igen hasonlóak, ugyanazokat a hírközlő molekula rendszereket használják, a gliasejtek 10%-át teszik ki.

Szerző: Gulyás Attila

# Dadusok és bestiák: A vér-agy gát és az agyi immunrendszer.

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.

Mind az immunrendszer mind az idegrendszer sejtjei bonyolult kölcsönhatási hálózatot építenek ki egymás között, de mint alant majd látjuk a két rendszer is beszélget egymással. A különbség az, hogy az idegrendszerben viszonylag kevés típusú sejt van, az információt a közöttük levő kapcsolatok mintázata tárolja. Ha két idegsejt megtalálta egymást és kapcsolatot alakított ki akkor az a kapcsolat megmarad. Ezzel szemben az immunrendszer sejtjei állandó áramlásban vannak, hiszen a sejteknek a test minden zugában járőrözniük kell, hogy a kórokozókat és a daganatsejteket leküzdjék. Az információ abban tárolódik, hogy amikor két meghatározott típusú immunsejt találkozik akkor befolyásolják egymás működését, ami tartósan megváltozik, a sejtek egyedi tulajdonságokat vesznek fel. Vannak sejtek, akik felderítik a kórokozókat, vannak akik emlékeznek rájuk, vannak akik ellenanyagokat termelnek, vannak akik megtámadják a kórokozókat, vannak akik megölik a beteg sejteket és van sok olyan sejttípus ami a többi sejt kölcsönhatását és viselkedését irányítja. Az immunrendszer sejtjei tehát mindenhol ott vannak, mindenbe beleütik az orrukat és ha kell vágnak, szúrnak, rombolnak, ez a dolguk. Az idegrendszernek ezzel szemben állandóságra, nyugalomra van szüksége.

Ennek feloldására az agyi erek fala egyedi módon megvastagodott, egy plusz réteg jól záró sejt az úgynevezett vér-agy gátat alkotja, mely megakadályozza, hogy kórokozók és káros anyagok jussanak be a vérkeringésből az agyba, illetve megvédi az agyat az immunrendszer randalírozásától. De cserébe számos problémát is okoz. Először is nehezebben jut át az oxigén és a tápanyag a vérből az agyszövetbe. Ez sajnos a gyógyszereket is érinti. Számos hatékonynak ígérkező gyógyszer ott bukott el, hogy nem jutott át a vér-agy gáton. A második gond, hogy az erős fal miatt az agynak gyengécske az immunrendszere. Nem csoda, hogy sajnos a legtöbb áttételt képző daganatos megbetegedés végső fázisa, hogy az immunrendszer elől menekülő daganatos sejtek az agyban telepednek meg és a beteg életét kioltó agydaganatként jelentkeznek. Az agyi immunrendszert a fejlődés alatt betelepedett mikroglia sejtek képviselik, de ők egyrészt óvatos duhajok, másrészt nem kapják meg a híreket az immunrendszer felkészült sejtjeitől, hogy kit és hogyan kell megtámadni.

Többen kérdezték, ezért beszúrom a választ ide:

A véragygát embrionális korban már nagyon korán, a terhesség 8. hetétől kezd kialakulni.
A funkcionális zártság viszont a második-harmadik trimeszterre (20–24. hét körül) éri el a jól működő állapotot. Teljes érettségét valószínűleg a születés körül vagy közvetlenül utána éri el. Újszülöttekben a BBB még nem olyan szigorúan zárt, mint felnőttekben — ez például magyarázhatja, miért hajlamosabbak bizonyos fertőzésekre (pl. agyhártyagyulladás).

Szerző: Gulyás Attila

# Dadusok és bestiák: A gliák funkciója

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.

Először is irányítják az idegsejtek fejlődését, vándorlását és nyúlványaik növekedését. Elsőként a radiális glia a belőle kialakult idegsejtek vándorlását irányítja a velőcső felszínére merőlegesen, a kialakuló agy megfelelő rétegeibe. De a később megjelenő glia típusoknak is szerepe van a fejlődésben. A frissen betelepült mikroglia sejtek befolyásolják az idegsejtek keletkezését, szabályozzák a kialakuló idegsejtek típusát. A gliasejtek által felszabadított anyagok, pl. az inzulin receptor bekapcsolása útján szabályozzák az idegsejtek számát. Az idegrendszer kialakulása során nem csak sejtszaporodás, hanem tervezett sejtpusztulás is van. Bizonyos sejteknek, miután betöltötték szerepüket el kell pusztulniuk. Ezt a folyamatot programozott sejthalálnak, apoptózisnak hívják és a mikrogliának van benne szerepe. Egyrészt jelzi a sejteknek, hogy fejezzék be munkájukat és pusztuljanak el, másrészt részt vesznek a romok eltakarításában. De, amikor ilyen jeleket ad ki, ugyanakkor serkenti a neuronális progenitor sejtek kialakulását, hogy szükség esetén készen álljon a tartalék. Ugye, egy ház építkezésén ott vannak azok is, akik lebontják az állványzatot és elhordják a sittet, hogy a villanyszerelők és burkolók felvonulhassanak a kőművesek után.

A gliasejtek hibás viselkedése felelős lehet a mikro- és makro-cepháliában, azaz a normálisnál kisebb és nagyobb agyméret kialakulásában (lásd Zika vírus). De gliasejteket érintő változásokat figyeltek meg autizmusban is.
Az agy vázának felépítése és az idegsejtek kialakulása után a fejlődés következő fázisában egyes idegsejteknek az agy más területeire kell vándorolniuk, illetve axonjaikkal más területeket kell elérniük. Itt elsősorban az asztrocitáknak és az oligodenrocitáknak van, kissé eltérő szerepe. Az asztrociták inkább a macskákra hasonlítanak, ott maradnak, ahol születtek, azaz nem nagyon mozognak az agyban. A helyben lévő idegsejtek denritág-rendszerének stabilizálásában játszanak szerepet. Az oligodendrociták inkább olyanok, mint a kutyák és farkasok, ha kell messzire vándorolnak, mozgékonyak. Ők a vándorló idegsejteket és az idegsejtek növekedő axonjait segítik, terelik. Az axonpályák kialakulása nagyon bonyolult és nagyon fontos dolog. Hiszen nagyon nem mindegy, hogy a több száz agyterületet milyen pályák kötik majd össze. Ezeknek az agyi útvonalaknak a kialakításában megint megfigyelhető a glia és idegsejtek összjátéka, és itt kap szerepet a rengeteg sejtazonosságot jelző molekula, mely az idegrendszer evolúciója során megjelent. Korai, átmeneti idegsejtek molekuláris illatnyomokat követve eljuttatják axonjaikat a megfelelő agyterületre. Az axonok mentén kúszó oligodendrociták különböző „színű” jeleket felfestve segítik elő, hogy a cserkész sejt pusztulása után a később kialakuló idegsejtek axonkötegei a megfelelő helyre jussanak el.

Említettük korábban, hogy az agykéregben alapvetően kétféle idegsejt található: a sejtek 80-90%-át alkotó serkentő sejtek és a maradékot adó gátlósejtek. Érdekes különbség figyelhető meg a két sejttípus kialakulásában és vándorlásában. A velőcsőből kialakuló agyhólyagok falának nagy részén kialakulnak a serkentő sejtek és a radiális glia mentén a rájuk jellemző rétegekbe vándorolnak, vertikális (függőleges) irányba. Azért hívják ezt az irányt függőlegesnek, mert az agyhártyákkal borított agyfelszín és a szürke állomány (a sejteket tartalmazó rétegek) alján található fehérállomány (a sejtrétegek alatt futó axonkötegek állománya) közötti irányt jelöli ki. Ezzel szemben, a gátlósejtek csak az agyhólyag két körülhatárolt területén keletkeznek és az oligodendrociták segítségével messzire vándorolva benépesítik a serkentő sejtek által felépített területeket, hogy működésüket szabályozzák. Mozgásuk iránya horizontális, vízszintes, mivel a függőlegesre merőlegesen, oldalirányba az agyfelszínnel és a fehérállomány felszínével párhuzamosan mozdulnak el. A tény, hogy a gátlósejtek más agyterületről vándorolnak az agyfejlődés során később a serkentő sejtek közé arra utal, hogy később, evolúciós barkácsolás útján kezdtek el beépülni a serkentő sejtek közé, hogy azok működését szabályozzák (erről majd írunk a hálózatokról szóló második részben).

A gliasejtek második funkciója az idegsejtek táplálása és az idegsejtek megfelelő környezetének (elsősorban ionkoncentráció) biztosítása. Itt legfontosabbak az asztroglia sejtek, akik nyúlványrendszerükkel körül veszik az idegsejteket. A nyúlványrendszer egyes ágai talpszerűen, az agyi hajszálerek (kapillárisok) falához tapadnak. A gliasejt nyúlványrendszere elősegíti a tápanyagok és ionok áramlását a vérkeringés, az idegsejtek és a sejtközötti tér között. A sejtek közötti kapcsolatok útján hálózatba kapcsolódó asztrogliasejtek felosztják egymás közt a teret, mindenki egy térrész ellátásáért felelős.
De mit is tartanak rendben? Először is ellátják az idegsejteket glükózzal, egy egyszerű cukormolekulával és rövid szénláncú zsírsavakkal, mint tejsav és ecetsav. Ezek az egyszerű molekulák azonnal be tudnak lépni az idegsejtek anyagcseréjébe és gyorsan adnak energiát. A sejtek energiaellátása nagyon pontosan kell kapcsolódjon működési szintjükhöz, mivel nem tudnak tápanyagot raktározni. Az asztrogliasejtek érzékelik a cukor, CO2 és O2 mennyiségét. Ha egy területen az idegsejtek aktivitása megnő, a gliasejt hálózatban is megváltozik a membránpotenciál, Ca2+ szint növekedés halad rajtuk végig hullámszerűen. A gliákból származó jelek hatására az agyi kapillárisok kitágulnak, és megnő az agyszövet helyi vérátáramlása. Így az asztrogliasejtek több tápanyagot tudjanak felvenni a vérből és az idegsejtekhez szállítani. Ezt a megnövekedett vérátáramlást (mely az idegi aktivitás növekedést jelzi) tudjuk a modern képalkotó módszerekkel (PET és MRI) érzékelni és az agy aktivitását működése során megfigyelni.

Harmadszor: az idegsejtek membránpotenciálja, mely működésük alapja, erősen függ a sejten belüli és a sejtközötti tér Na+, K+, Cl- és kisebb mértékben Ca2+ koncentrációjától. Amikor az idegsejtek működése megnő, a sejtközötti (extracelluláris) térben jelentős mennyiségű K+ halmozódik fel. Ennek eltávolítása fontos, mivel egy sejtből felszabaduló K+ számos szomszédos sejt membránpotenciálját és ezáltal működését befolyásolja, ami nem mindig jó dolog. Ezért az asztrogliasejtek egyik elsődleges feladata az extracelluláris térben felhalmozódó K+ ionok felvétele és ha kell vérbe szállítása. De hasonló szerepet töltenek be a Na+ és Cl- ionok kordában tartásában is, bár ezek kevésbé problematikusak. Az asztrogliának az agyfolyadék keringésének irányításában és karbantartásában is jelentős szerepe van. Különösen alvás alatt vesz részt az idegsejtekből felszabaduló anyagok eltakarításában. Ezek közül legfontosabb az adenozin, mely az idegsejtekből ürülő transzmitterekkel együtt szabadul fel és felhalmozódása álmosságot vált ki.

A gliasejtek negyedik funkciójában, az idegsejt axonok pátyolgatásában az oligodenroglia sejtek a legfontosabbak. Ők irányítják az axonok növekedését, alakítják ki rajtuk a mielin hüvelyt (a jelvezetést meggyorsító szigetelést) és táplálják az axonokat. Nélkülük a gyors, helytakarékos (sok axon egy kötegben) ingerülettovábbítás lehetetlen lenne, mivel 100 szorosára gyorsítják az axonokon a jelek vezetését és lehetővé teszi, hogy azok átmérője jóval 1 mikrométer alatt legyen.

Az utolsó fiziológiás, azaz egészséges funkció, amiben az asztrociták és a mikrogliák közösen vesznek részt, az a szinapszisok működésének és számának szabályozása. Az asztrogliasejtek az axonterminálissal és a posztszinaptikus dendrittel egy egységet alkotnak. Pontosan szabályozzák a szinaptikus rés ionkoncentrációját és részt vesznek az ingerületátvivő anyagok szinaptikus résből való eltávolításában és az axonterminálisokba való visszajuttatásában.

A gyors eltávolításra azért van szükség, mert különben a szinaptikus áramok elhúzódnak és a gyors, pontos jelátvitel lehetetlenné válik. Mind a serkentő sejtekből felszabaduló glutamátot, mind a gátló sejtekből felszabaduló GABA-t felveszik a finom asztroglia nyúlványok és glutaminná alakítják. Ebben az idegingerületet nem okozó formában juttatják vissza az axonterminálisokba, ahol azok a sejtre jellemző átvivő anyaggá, glutamáttá vagy GABA-vá alakulnak vissza. Mivel az asztroglia sejtek hálózata érzékeli a sejtek aktivitását és ennek függvényében képes a szinaptikus jelátvitel hatékonyságát befolyásolni, egy biztonsági hálózatot is alkot az agyban.

A gliák három fázisban is szabályozzák a szinapszisok számát: kialakulás, fenntartás és eltávolítás. Az asztrocitákból számos, szinapszis fejlődéshez szükséges anyag szabadul fel. A mikroglia is szerepet játszik, körülveszi a szinapszisokat és részt vesz a serkentő sejtek szinapszisokat fogadó tüskéinek kialakításában. De fontos a fejlődés során a felesleges szinapszisok eltávolításában. Mivel a mikroglia az immunrendszer tagja, ezért a szinapszisok eltávolításában az immunrendszer jelző molekuláit használja. Az eltávolítandó szinapszisok „egyél meg” jeleket magukra akasztva toborozzák a mikrogliákat.
Autizmusban azt találták, hogy a szinapszisok fenntartásában fontos idegsejt-glia kommunikációban van gond. Hasonló rosszul elhelyezett jeleket figyeltek meg egyéb leépüléssel járó betegségekben: skizofréniában, Huntington kórban és multiple szklerózisban.
A gliasejteknek a kóros (patológiás) eseményekben is fontos szerepe van. Némely differenciálódott gliasejt képes sérülés esetén őssejtté vagy progenitor sejtté válni és új idegsejteket létrehozni. Eltérő típusú kórós események más típusú glia reakciókat váltanak ki. A mikroglia mind fertőzésre, mind sérülésre beindul. Sérülésre gyorsan elkezdenek mozogni, de nem nagyon fagocitálnak (esznek meg) mint ahogyan a makrofágok. Kifinomult, jól képzett titkos ügynökök, akik nem tesznek kárt az agy finom szövetében. Az asztrogliák csak ott reagálnak, ahol a vér-agy gát megsérül, hegeket képeznek a sérülések és sajnos az agyműködést vizsgáló elektródák körül. Az asztrogliasejtek részt vesznek az ionkoncentráció visszaállításában és a mikrogliákkal együtt a sejttörmelékek lebontásában.
Ha valami zavar támad működésükben, bajokat is okozhatnak. Ha rosszul irányítják az idegsejtek nyúlványinak növekedését, azok rossz helyre nőnek vagy nem kötnek össze fontos területeket és így szerepet játszhatnak az autizmus, ADHD és a skizofrénia kialakulásában, mely betegségek, úgy tűnik a megfelelő agyterületek hibás kapcsolódása miatt alakulnak ki. Ezekről a betegségekről feltételezik, hogy magzati vagy fiatalkori vírusfertőzéseket követő mikroglia aktiválódás és hibás idegsejtfejlődés következményei lehetnek. A szervezet krónikus gyulladásai során felszabaduló anyagok (pl. interleukin) ugyanis az agyban is kifejtik hatásukat. Ennek evolúciós haszna az, hogy aki beteg, az ne ugráljon! Nem véletlen, hogy fertőzések esetén álmosak vagyunk és leginkább nem akarunk semmit sem csinálni. Viszont a hosszan tartó gyulladás hatása már nem jó. Manapság úgy gondolják, hogy például a depresszió is lehet egy ilyen folyamat eredménye. A szerotonin és a depresszió közötti összefüggés régóta ismert és a gyógyszeres terápiák is a szerotonin szint változtatását okozzák. Kiderült, hogy a mikrogliasejtek érzékenyek a szerotoninra és az befolyásolja viselkedésüket. Egyre több jel utal arra, hogy lehet nem is az idegsejtek, hanem a mikrogliasejtek felelősek a depresszió kialakulásáért. Szerény véleményem szerint, az igazság mindig középen van, szóval maradjunk mindkettőnél. Civilizációs betegségeink, a cukorbetegség és az elhízás is krónikus gyulladást okoz és gyakran depresszióval társul. A COVID által kiváltott idegrendszeri tünetek is eredhetnek onnan, hogy a vírusfertőzés által okozott gyulladásban aktivált mikrogliák megváltoztatják az idegsejtek működését. Végezetül, az agyat ért traumák, mint például a sztroke esetében is fontosak a mikrogliák. Védő szerepük van. Kísérleti modellekben, ha eltávolítják a mikroglia sejteket a stroke kétszer akkora területet érint.

# Mit írt az elektrubadúr a gliasejtekről?

Ez a bejegyzés egy átkötés az #agyséta és egy elinduló új rovat, a #AI között. Kezdjük egy AI által írt verssel, mely a gliasejtekről szól:

A tudat mélyén, kezdődik a misztikus tánc,
Neuronok és glia egyesül, belül kötelékbe font.
A nehéz metál erejével elmesélem ezt a történetet,
Rejtett titkokat felfedve, ahogy legyőzik és diadalmaskodnak.
A neuronok mennydörögnek, mint a mennydörgés,
Az agy követei, üzenetek, hatalmas és korlátlan.
Hálózatok kereszteződnek, összefogva az erőben,
Információkat közvetítenek, repülő emlékeket szülnek.

Háááát. Olyan amilyen. Azért Stanislaw Lem Kiberiádájában a versíró számítógép, az Elektrubadúr versei Murányi Beatrix fordításában sokkal jobbak :)

Az elmúlt hónapokban mindenki az LLM-ekről beszél. Mármint, hogy a Large Language Models, a Nagy Nyelvi Modellekről, elsősorban az OpenAI cég által fejlesztett ChatGPT, mindenki által elérhető 3.0-ás változatáról.

Betört a köztudatba, megjelentek a ChatGPT szerencselovagok, akik mint a Sárkányfű Árus a Süsü a sárkány című alapműben minden elleni orvosságot kínálnak, megfelelő díjazás ellenében.

A mesterséges intelligencia (AI) újabb hatalmas lépést tett meg a nagy deep-learning hálók alkalmazásával. Sokan már arról beszélnek, hogy az AGI (Artificial General Intelligence), az Általános Mesterséges Intelligencia már a küszöbön áll és hamarosan itt a robot apokalipszis. Mivel sok kiemelkedő minőségű podcast érhető el a tudat és az agy kérdésében (sajnos a zömük csak angolul) sok figyelemre méltó beszélgetést hallottam mostanában a témában. Lex Fridman és Sean Carroll podcastjait ajánlanám az angolul jól tudóknak. Lenyűgöző emberekkel beszélgetnek, igen mély kérdésekről. A beszélgetésekből, többek között, sokat meg lehet tudni első kézből a mesterséges intelligencia jelenlegi állásáról, működéséről, lehetőségeiről, valamint problémáiról, veszélyeiről.

Tervezem, hogy a közeljövőben írok arról mit gondolok, mint agykutató olyan kérdésekről mint, hogy: Hol tart az AGI? Kell-e félnünk a Terminátortól? stb.

Most egy könnyed felvezetésként néhány szó és vers a ChatGPT-ről, a ChatGPT-től. Először, mint ahogy Ő maga is bevallja, ha rákérdeznek, a ChatGPT egy nyelvi modell. 13 Terabájtnyi tudással, amit irgalmatlan mennyiségű írott szöveggel való tanítás után halmozott fel. Alapjában véve úgy működik, hogy ha beadunk neki egy szöveget, mely kérdéseket is tartalmazhat, akkor megnézi azt, hogy az általa látott szövegek, amik így kezdődtek hogyan folytatódnának. Visszakeresi a 600 rétegű neuronhálózatából, hogy az eddigiek alapján melyik az a szó (vagy kifejezés, mert nem feltétlenül szavakban gondolkozik) amelyik a legnagyobb valószínűséggel következik. Ezt kiírja nekünk, majd újra megnézi a beadott és éppen legyártott szöveg alapján mi a valószínű következő folytatás. A fejlesztők beállították, hogy ne a legvalószínűbb folytatást válassza, mert az egy nagyon unalmas, kiszámítható szöveget adna, hanem a legvalószínűbb néhány tucat folytatás közül válasszon. Akit érdekelnek a ChatGPT működésének részletei olvassa el Stephen Wolframnak a ChatGPTről írt magyarázatát. Sajnos csak angolul, bár tapasztalataim szerint a böngészőkbe épített fordítók mostanra már (hála az LLM-eknek :) a magyarral is egész jól boldogulnak.

Mindemiatt, amit a ChatGPT-től kapunk az nem feltétlenül igaz (erre fel is hívják belogoláskor a figyelmünket), hanem egy jó körülbelül átlagigazság. Van egy pszichiátriai tünetcsoport. Korsakoff szindrómának hívják. Leggyakrabban idült alkoholistáknál jelentkezik, akiknél az alkohol a magasabb rendű agykérgi területeket már leradírozta. Tudnak beszélni és valamilyen szinten érvelni, de memóriájuk már szétesett és prefrontális kérgükkel a valóságot és a kételkedést már nem feltétlenül dolgozzák bele mondandójukba. Ha megkérdezik őket valamiről, akkor határozott véleményt mondanak, egy hosszan tartó zavaros szöveg formájában, szaknyelven „konfabulálnak”. No ez az, aminek nagy mestere a ChatGPT 😊, mint a híres Münchausen báró. Visszakérdeztem, hogy ezt és ezt a tényt honnan szedte. Rezzenéstelen arccal mutatott nekem egy tudományos hivatkozást. Megkértem adja meg a DOI-át azaz az elérhetőségét az interneten. Erre is kaptam választ. Persze amikor megnéztem az adott című cikk az adott évben és adott újságban nem létezett, és a DOI is teljesen máshova mutatott. Kértünk tőle valamit és előállított egy nagy valószínűséggel helyesen kinéző tartalmat, igazságtartalom nélkül. Így működik.

Viszont játszani remekül lehet vele. Kóstolgatni, mit tud. Váratlan kérdésekre mit válaszol? Verset írni például egészen jól tud.
Amikor elkészültem a gliasejtekről szóló anyaggal a ChatGPT-t is megkértem, hogy írjon nekem a gliákról (angolul). Egészen használható anyagot írt, körülbelül egy nem szaklektorált gimnáziumi tankönyv színvonalán. Megkértem, hogy magyarul is tegye meg, majd különböző versformákban. Igen jót szórakoztam. Akit érdekel a párbeszédünk itt megtalálja.

Jó szórakozást!

Szerző: Gulyás Attila

# Az idegrendszer részeinek evolúciója

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?

Ha végigsétálunk a törzsfán és megnézzük az állatok anatómiáját azt láthatjuk, hogy a testtömegnek egyre nagyobb százaléka alkotja az idegrendszert, és ezen belül a központi idegrendszer súlya (mindkét értelemben) is megnő, hiszen mint a Homeosztázisról szóló írásban láttuk, az agynak egyre komolyabb szerepe van a túlélés biztosításában. Ha ide kattintasz a jobboldali ábra betöltődik nagy méretben.

A méret növekedéséhez az vezetett, hogy az érzéksejtek és a mozgató sejtek közé egyre több köztes idegsejt: interneuron épül be. De míg az érzékelő sejtek (receptorok) és izmokat beidegző mozgató idegsejtek száma viszonylag szerény mértékben nő, addig a köztes idegsejtek száma elszabadul. Egy örvényféreg szemében 25 fényérzékeny sejt van, az emberében közel százmillió. Ezzel szemben az örvényféreg ötezer idegsejtjével szemben az emberi agy közel százmilliárd idegsejtből áll.
Ez persze nem egy egyszerű mennyiségi növekedés. A beépülő köztes idegsejtek egymást beidegző, eltérő feladatokat megoldó magvakba szerveződnek, többszintű, egymásba ágyazódó hálózatokat alkotva, hogy egyre összetetteb feladatokat legyenek képesek megoldani.
A csalánozókban (hidrák, medúzák, korallok) még csak egy egyszerű, egész testet egyenletesen behálózó, központosítatlan idegrendszer található. A különböző férgekben a testen végigfutó dúcláncokba tömörülnek az idegsejtek. A gyöngysorszerűen felfűzött, az egyes területeket irányító magvacskák (nucleus-ok) az állat hossztengelyében információt szállító kapcsolatokkal vannak összekötve. Mivel az állatok feji végén található a szájnyílás és erre halad legtöbbjük, itt tömörülnek a mozgás irányát meghatározó ízlelő, szagló, tapintó és látó érzékszervek. Ezek kiszolgálására a feji végben levő magvak mérete és bonyolultsága elkezdett megnőni. Mire a halakhoz érünk, már határozott, a testen végig futó gerincvelőre és a test elején található agyra válik szét a központi idegrendszer.

De miért mondjuk, hogy központi idegrendszer? Van másik is? Igen van, a környéki (vagy perifériás) idegrendszer, mely összeköttetésben áll a központi idegrendszerrel, de nem annak védett tokjában a gerinccsatornában és a koponyában található, hanem szétszórva a szervezetben, körülvéve, beidegezve és szabályozva az egyes szerveket. Mindenki ismeri az egyik legnagyobb ilyen központot, aki levegő után kapkodva görnyedt össze, miután rekeszizma magasságában levő solar plexus-át megütötte vagy megütötték. A bélnek saját idegrendszere van például, ami a bélmozgásokat irányítja. Az agykutatás mellett kicsit elhanyagoltak ezek a rendszerek, pedig hihetetlenül fontos szerepet játszanak testünk egészséges működésében. Két alrendszere a szimpatikus és paraszimpatikus idegrendszer egymással- a mérleg két tányérjához hasonlóan ellentétesen befolyásolja, hogy testünk éppen a flight-or-fight, azaz a menekül-vagy-támad készenléti állapotában van-e, vagy pedig a pihenés-testépítés-gyógyulás állapotában. Nem véletlen, hogy mivel korunk zaklatott, rohanó világában szervezetünk gyakorlatilag egész nap egy feszült állapotban van (a szimpatikus rendszer aktiválódik) és a vér az izmokba, valamint az agyba áramlik, sokunknak komoly stresszbetegségei alakulnak ki. A reflux, magas vérnyomás és keringési betegségek mind annak következményei, hogy a készenléti állapotban nem jut elég vér zsigereinkbe, hogy azok megfelelően végezzék munkájukat és regenerálódjunk.

De térjünk vissza a központi idegrendszerhez, hiszen ezzel van dolgunk.
A gerincesekben az agy három, egymás után elhelyezkedő agyhólyagjából fejlődik az embrió kialakulása során a gerincvelő feji végén az utóagy, középagy és előagy. Ezek relatív mérete eltérően fejlődik ahogy a törzsfán egyre feljebb haladunk. Az előagy egyre nagyobb lesz és kialakítja agyunk legfeltűnőbb és a tudatosságban meghatározó szerepet játszó struktúráját a két agyféltekét. Ezek felszínének jelentős részét az agykéreg borítja, alapjuknál pedig az agykéreg számára vagy az agykéreg felől érkező információt szállító és vele szoros kapcsolatban álló talamusz és striátum található. A kéreg agyunk legkésőbb kialakult (mind a törzsfejlődés mint az egyedfejlődés során) és legösszetetteb része. Utazásunk során róla lesz a legtöbb szó. A szintén az előagyhoz tartozó talamusz és a striátum az agykéreg működése szempontjából fontos, visszacsatolt kapcsolatrendszerben áll az azzal, ezért gondolatmenetünk szempontjából (de szerkezetüket tekintve nem) tiszteletbeli agykérgi területnek számítanak. A talamusz és a striátum szerveződéséről majd a harmadik részben beszélünk részletesebben.
Az utó és középagyat, valamint az előagy azon részét mely nem az agykérget alkotja kicsit pongyolán, de funkcionális szempontból elfogadhatóan „kéreg alatti területek” névvel illetjük a továbbiakban.

Szerző: Gulyás Attila

# Az agy darabolása: az agykéreg és a kéreg alatti területek funkciója

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.

Az evolúció során később, kb. 180 millió éve kialakuló agykérgi területek ebből a szempontból kevésbé kritikusak, „nélkülözhetők”, mivel az ő képességük a magasszintű problémamegoldás, emlékezet és tervezés. Ezt a neurobiológiai kutatások korai szakaszában drasztikus kísérletekkel mutatták be. Macskák agyában különböző szinteken vágásokat ejtettek és megfigyelték az állat viselkedését. Ha a vágás a gerincvelő és az utóagy között történt a viselkedés egyszerű volt, az állatt megfulladt, szíve leállt és egyéb gyors módokon elpusztult. Egyre előrébb vágva egyre több alapvető életfunkció maradt meg. Ha az agykéreg és a középagy között vágtak az állat tudott állni, követett egyszerűbb ingereket és még az eléje helyezett táplálékot is elfogadta.

Ezekből a kísérletekből az is kiderült, hogy sok inger reflexszerű feldolgozására és egyszerű, merev, automatikus válaszok végrehajtására a kéreg alatti területek is elegendők. Ez persze nem meglepő, hiszen az alsóbbrendű gerincesekben nagyjából ezek az agyterületek vannak csak meg. Egy hal vagy egy béka igen jól megél mereven programozott ösztöneivel.

A később kifejlődő magasabb rendű, bonyolultabb felépítésű, tanulásra képes és bonyolultabban összekötött agyterületek ráépültek ezekre az ősi, ösztönös merev válaszokat adó területekre és fokozatosan átvették, pontosabban finomították válaszaikat azáltal, hogy erős lefelé irányuló vetítéseikkel gátolták azok válaszait és kifinomult válaszokkal helyettesítették.

Jó példa erre a colliculus superior (CS, latin jelentése felső dombocska) és a látókéreg viszonya az evolúció során. Halakban, békákban és egyszerűbb hüllőkben, ezt a középagyi struktúrát látólebenynek (tectum opticum) hívják, ott a látásfeldolgozás legfelső központja. Ide érkeznek be elsősorban közvetlenül és közvetve a szemből az idegrostok. A látás és a mozgás összehangolásáért felelős terület. Irányítja a szemmozgásokat és a test orientációját. Amikor egy béka meglát egy legyet, először szemét fixálja rá, majd irányba fordul, végül nyelvével célozva elkapja. Mindhárom fázist a CS irányítja. Emlősökben az előagyban kifejlődnek az agykérgi területek és a látókéreg átveszi a látás feldolgozását. Az egérben a szem idegsejtjei információt küldenek mind az agykéregbe, mind a CS-be, mely azt tovább küldi a látókéregbe. A CS továbbra is fontos a látás és a szemmozgás összehangolásában, de a látókéreg végzi a bonyolultabb látásfeldolgozást.

Nem csak azt deríti ki egy tárgyról, hogy hol van és merre mozog, hanem azt is, hogy micsoda, mik a tulajdonságai és hogyan kell hozzá viszonyulni. Például az agykéreg akadályozza meg azt, hogy elkapjunk egy felénk dobott üvegcserepet. Ha a CS-en múlna elkapnánk.
A CS mellett található a középagyban a colliculus inferior (CI, alsó dombocska). Ez nagyon hasonló dolgokat csinál, csak nem a látó, hanem a hallóinformációt használja fel. Azaz irányítja, hogy a hang felé forduljunk pl. emlősökben a CS és CI szerepe már összeolvad egy kicsit, a CS multimodális. Ez azt jelenti, hogy több érzékszervtől kap információt. Nem csak a látó, hanem a halló és valamelyest a taktilis (érintési) információt is begyűjti, azaz mind hangra mind mozgásra fordítjuk szemünket, fejünket, testünket, de képes a menekülési reakciót is tudattalanul irányítani. Ha egy állványzat alatt állunk és egy nagy robajt hallunk a döntésnek nincs ideje megjárni az agykérget, „gerincvelőből” (pontosabban középagyból) ugrunk azonnal a megfelelő irányba.

Mikor a macskánál a köztiagy magasságában végezték a vágást, a CS felszabadult az agykéreg irányítása alól és végezte a dolgát, mint a békában. A macska életben maradt, mert amikor elé raktak valamit, a CS arra irányította a figyelmét és mozgását (igaz nem mondta meg neki, hogy az egér, macskatáp, csirkemáj vagy cérnagombolyag). Amikor a táplálék illatát megérezte, az állat egy másik kéreg alatti területe elindított a táplálkozási mozgásokat.
Az evolúció során kialakult két alapvetően eltérő agyterület szerveződéséről a következő részben írunk.

Szerző: Gulyás Attila

# Miben tér el az agykéreg a kéreg alatti területektől?

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.

Mások, a szerotonin vagy a szomatosztatin pedig a bélidegrendszer fontos ingerületátvivő anyagai (még a hisztamin is). A kéreg alatti területek hasonló transzmittereket tartalmazó magjai diffúz, egymásba fonódó és a szervezet belső egyensúlyának irányításában meghatározó magrendszereket alkotnak.
Az egyes transzmitter rendszerek a szervezet működésének eltérő aspektusainak szabályozásáért felelősek és károsodásuk vezet számos gyakori idegrendszeri megbetegedéshez. Az acetil-kolin tartalmú magrendszer az ébrenlét biztosításában, valamint a tanulás és memória szabályozásában fontos. A rendszer károsodása Alzheimer kórhoz, korai szenilitáshoz vezet. A szerotonin rendszer az alvás-ébrenlét napi ciklusának szabályozásán keresztül a hangulat, emóciók, étvágy és szexuális hajtóerő szabályozásában játszik szerepet. Zavarai az oly sokakat érintő depressziót okozzák. Az adrenalin és noradrenalin az éberség és figyelem szabályozásában, valamint a készenléti állapot létrehozásában fontos. Ennek eltúlzott és krónikus működése a stressz. A hisztamin szintén fontos az ébrenléthez és a készenléthez. A dopamin szerepet játszik a motivációban, mozgásszabályozásban és a tanulás szabályozásában, ő a boldogsághormon. A rendszer egyensúlyának megbomlása figyelhető meg szenvedélybetegeknél, illetve a dopamin tartalmú sejtek pusztulása okozza a Parkinson kórt. Egy viszonylag későn felfedezett rendszer egy orexin nevezetű átvivőanyagot használ és összehangolja az éberséget, ébrenlétet és a szervezet energiaháztartását. Az endorfinok fájdalomcsillapítók, felszabadulásuk eufóriát okoz. Erős fizikai terheléskor szabadulnak fel, hogy ne érezzük a fáradtságot míg menekülni vagy támadni kell. A legerősebb függőséget kiváltó kábítószerek, a mákszármazékok (ópium, heroin, és a Michael Jacksont és még sok százezer amerikait megölő fentanil) ezeknek az anyagoknak a hatását utánozzák. Ártalmatlanabb formája a runners high, a hosszútávfutók futás függősége. Mivel szervezetük hozzászokott a hosszú futások során felszabaduló endorfinokhoz, szükségük van a futásra, hogy igazán jól érezék magukat. Ezek a rendszerek mind idegsejt nyúlvány kapcsolataik, mind a transzmitterek egy részének egymásba alakulása útján összefonódnak és ez vezet a szervezet egyes homeosztatikus funkcióinak összehangolásához.

Mint korábban láttuk, ezek a szabályozó rendszerek az agyfejlődés korai állapotában kialakult területek részei és alapvető életfenntartó szerepük van, emiatt szerkezetük és összeköttetésrendszerük genetikailag meghatározott, csak kisfokú rugalmasságot mutatnak. Az egyes területek egyedi szerkezetű célprocesszorok, egyszerű feladatok merev megvalósítására. Leginkább egy a szobánkban a hőmérsékletet szabályozó termosztáthoz, a bluetooth-os fülhallgatónk elektronikájához, vagy a WC tartályt vízzel feltöltő szeleprendszerhez hasonlíthatók. Egy dolgot tudnak, de azt hatékonyan.
De miben más az agykéreg (és sok tekintetben a talamusz és striátum) szerveződése és működése, mint a kéreg alatti területeké?

Az agy tömegének jelentős részét alkotó, az előagy két féltekéjének felszínét borító agykéreg hasonló alapszerveződést mutat minden területén. A szerveződés alapelveiről és variációiról bővebben lesz még majd szó.
Itt most röviden: a jól meghatározott típusú sejtek az agyfelszínre merőleges oszlopokba rendeződnek és hasonló belső kapcsolatrendszerrel leírható ismétlődő agykérgi modulokat alkotnak. A modulok jól meghatározott rétegeibe érkeznek a kéreg alatti területekről, illetve számos más modultól a bemenetek, és ugyanígy jól meghatározott rétegekből erednek a kéreg alatti területek, illetve a más modulok felé menő kimenetek. Az agykéreg leginkább egy nagy irodaépület szerver szobájára hasonít, ahol polcrendszereken szépen elrendezve állnak a hasonló felépítésű router és szerver modulok, amiket jól rendezett kábelkötegek kapcsolnak egymáshoz. A modulokat két, transzmitterként gyors ingerületátvivő hatású aminosavat használó sejttípus építi fel: a más sejtek aktivitását fokozó hatású glutamátot serkentő sejtek és a célsejtek aktivitását csökkentő gamma-amino-vajsavat (GABA) használó gátlósejtek. A modulok felépítése és más modulokhoz való kapcsolatrendszere agyterületenként kissé eltér és ezáltal meghatározza az adott agyterület működését, információ feldolgozó képességét. Az agykéreg legfontosabb vonása, hogy a serkentő sejtek közötti szinapszisok erőssége többféle tanulási mechanizmus útján tartósan meg tud változni. Ez a tanulás folyamata és így tárolódnak a memórianyomok. A kéreg alatti területek merev, genetikusan meghatározott szerkezetével szemben az agykérgi modulok a tanulás során megszerzett információk segítségével fejlődnek. Ez teszi lehetővé, hogy az agykéreg rugalmasan válaszoljon a környezet kihívásaira és számtalan eltérő típusú feladatot tudjon megoldani. Az agykérget a kéreg alatti területek cél-áramköreivel szemben tekinthetjük egy általános problémamegoldó számítógép központi processzorának (CPU-jának), melyen tetszőleges feladatot megoldó programok futtathatók. Mint az utazás végén látjuk az agykéreg hardware-én fut a tudat software-e.

Amikor az emlős evolúcióban kialakult az előagy két oldalsó lebenyén az agykéreg, hogy az élőlény bonyolultabb feladatokat legyen képes rugalmasan megoldani, az életfontosságú kéreg alatti rendszerek rajta tartották a „kezüket” az agykéreg működösének irányításán. A kéreg alatti területekről, hosszú felszálló idegpályák indulnak és az egyes magvakra jellemző transzmittereket szabadítanak fel az agykéregben. Vagy közvetlenül szinapszisok útján egy-egy idegsejtre, vagy közvetve a sejtek közötti térbe. Ezeknek a szerepe, hogy az idegsejtek és kapcsolatrendszerük működésének hangolása (modulálása) útján az agy működését a szervezet és a környezet aktuális állapotának megfelelő állapotba kapcsolják. Ne felejtsük, a levegővétel vagy a ránk szakadó állvány előli elugrás az evolúciónak és nekünk is fontosabb, mint Shakespeare szonettjeinek élvezete! Mint azt sokan tapasztalhatják hangulatunk, az éhség, a fáradtság, a fázás, a boldogság vagy egy új dolog által okozott izgatottság erősen meghatározzák hogyan is gondolkodunk és mit cselekszünk. Ilyenkor mindig a kéreg alatti területek hangoló hatását figyelhetjük meg gondolkodásunkra (mely elsősorban az agykéregben történik).
Többek közt ezért nem kell tartanunk a Terminátortól és a mesterséges intelligencia elszabadult gyilkos robotjaitól. Az AI rendszereket mérnökök tervezik, és nem a mostoha fog és karom evolúció során keletkeztek. Ennek megfelelően nincsenek meg bennük a kegyetlen hajtóerők.
A két egymást kiegészítő agyterület szerepét és információ áramlását egy televízió működéséhez hasonlíthatjuk. A külvilágból kábelen érkezik hatalmas mennyiségű információ, amely megjelenik a képernyőn és a hangszóróban. De a távirányítónkkal, néhány gomb nyomogatásával, kevés információt közölve, jelentősen megváltoztathatjuk a kép fényerejét, kontrasztját és a hang erősségét. Az agykéreg a külvilág ingereit dolgozza fel magas szinten a szervezet mindenkori igényeinek megfelelő módon, mely igényekről kéreg alatti területekről eredő moduláló jelek tájékoztatják.
A két rendszer egy kölcsönösen összekapcsolt hálózatot alkot, mely a szervezet és a külvilág kölcsönhatását vezérli. A későbbiekben majd látni fogjuk, hogy a kéreg alatti rendszerek agykérgi vetítése igen fontos az agykéreg aktivitásának tér és időbeli szervezésében, mely a tudatosság kialakulásához nélkülözhetetlen. A kéreg alatti területek sérülése tudatvesztéshez vezet. De persze ez nem azt jelenti, hogy itt van elrejtve a válasz a nagy kérdésre, hiszen az autót sem a gázpedál hajtja, mégis kell ahhoz, hogy menjen az autó.

Hátra van még agyunk egy fontos része. Erről írunk legközelebb.

Szerző: Gulyás Attila

# Agyunk PPU-ja a kisagy!

„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.

A kisagyat sokáig csak a mozgásösszehangolás elemének tartották és ezért nem gondolták, hogy fontos lenne a tudatosság kialakulásában. Ez a nézet onnan ered, hogy a kisagy sérülései legszembetűnőbben a mozgáskivitelezésben (de nem a tervezésen) okoznak zavarokat. A sérültben a mozgás koordinálatlan, szaggatott lesz, a mozgásfázisok időzítése rossz, egyensúlyát veszti, szemmozgásai zavartak. Amikor azonban finomabban megvizsgálták a tüneteket kiderült, hogy nem csak a beszéd képzése zavart, hanem a gondolkodás elemei is: a szavak megértése, a figyelem megosztása, a fejszámolás, betűfelismerés és a személyes emlékek felidézése is nehézségekbe ütközik.

A kisagy az emberi agy tömegének 10%-á adja, de az agyban található idegsejteknek több mint a fele található itt. Idegsejthálózatainak viszonylag „egyszerű” kapcsolatrendszerének leírásában Szentágothai Jánosnak meghatározó szerepe volt.

Hasonlóan az agykéreghez, a kisagyban ugyanolyan modulok ismétlődnek milliószor, csak az egyes területek máshonnan kapják bemeneteiket. Az evolúció során a kisagy mérete arányosan követte az agy többi részének fejlődését (kivételt tesz néhány elektromos érzékszervekkel rendelkező hal, ahol a kisagy hatalmas). Az emberben, ahogy az agykéreg hatalmasra nőtt a kisagy is több mint kétszer nagyobb, mint más emlősökben. Figyelemre méltó, hogy ahogy az evolúció során fejlődő agykérgekben egyre bonyolultabb funkciók jelentek meg, ezeket a funkciókat támogató területek párhuzamosan a kisagyban is kialakultak.
A kisagy az utóagy tetején ül és hatalmas idegpályákkal kapcsolódik mind a felette található agykéreghez, mind az alatta található gerincvelőhöz. A gerincvelő adatokat szállít számára a test helyzetérő, az izmok és ízületek pozíciójáról, terheléséről, de meghatározó fontosságú információkat kap a középfülben található egyensúlyszervből is. A kisagy az agykéreggel (elsősorban a mozgató területekkel) kölcsönös kapcsolatban áll, átkapcsoló állomásokon keresztül.
A mozgásszervezésben szerepe az, hogy az agykéregben (valamint striátum és talamusz) kidolgozott mozgási szándékokat a test aktuális állapotának (végtagok állás, izmok terhelése) megfelelő izommozgásokká alakítja. Számítógépes hasonlattal élve a kisagy úgy viszonyul az agykéreghez, mint a PPU a CPU-hoz. Mint feljebb írtam a számítógépben a CPU = central processing unit = a processzor képes arra, hogy különféle okos programokat futtasson. Ha azonban egy olyan feladatot kell megoldania, amiben nagyon sok fizikai objektum hat kölcsön egymással, például azt kell kiszámolnia hogyan dől össze egy téglákból álló épület, vagy hogyan kavarognak a hópelyhek, a CPU nagyon lassan boldogul, mert ez egy speciális feladat, amit nem tud igazán hatékonyan megoldani. Az elmúlt években már okos telefonjainkban is van PPU, phisics processing unit, azaz fizikai processzor, mely képes arra, hogy a fizikai világ jelenségeit igen hatékonyan modellezze. Egy PPU jóval kevesebbet tud, mint egy CPU, csak viszonylag egyszerű, a világ fizikai kölcsönhatásait (impulzus, forgatónyomaték, súrlódás, rugalmas és rugalmatlan ütközés) leíró számításokra képes, de egyszerre több ezer párhuzamosan dolgozó elemet tartalmaz, melyek több ezer tárgy kölcsönhatását képesek igen gyorsan számolni. Amikor egy számítógépes játékban összedől egy híd, a CPU a híd elemeinek helyzetét és mondjuk a robbanás irányát megadja a PPUnak, utána mossa kezeit, hátradől, a híd összeomlásának kiszámítása a PPU dolga. A CPU már foglalkozhat mással.

Geekeknek: a cikk második olvasására rájöttem, hogy a kisagy nem is igazán a PPU-val, hanem a Google által kifejlesztett speciális hardwarrel, a TPU-val, Tensor Processing Unit-al analóg. Ezeket a mesterséges intelligenciához használt neuronhálózatok futtatására használják és hatalmas mennyiségű, párhuzamos vektor és mátrix művelet elvégzését teszik lehetővé. A kisagyrnak vannak olyan évtizedes modellejei, melyek a kisagyban egymásra merőlegesen futó axonok és dendritek mintázata alapján feltételezik, hogy az agyi mintázat vektorokban reprezentált mozgási parancsokat a kisagy mátrixműveletek útján alakítja izommozgás parancs vektorokká a test mindnekori helyzetének függvényében.

A kisagy és az agykéreg hasonló módon működik együtt. Az agykéreg azt dolgozza ki, hogy mit és hol akarunk megragadni, hova mozgatni, vagy mi honnan hova akarunk elmozdulni. Egy mozdulatot számtalan módon lehet azonban végrehajtani. Ha szilárdan állunk máshogy nyúlunk valamiért, mint mikor a létra tetején egyensúlyozunk. Egy nehéz dolgot más mozdulattal emelünk meg, mint egy könnyűt. Az eltérő esetekben más izomcsoportokat más időzítésben és más erőkkel mozgatunk. A kisagy szerepe az, hogy miután az agykéregtől megkapta a kivitelezendő mozgást, a test izmaiból, ízületeiből és inaiból, valamint az egyensúly szervből érkező információk alapján kidolgozza azt, hogy az adott pillanatban mely izmokat és hogyan kell használni, hogy biztonságosan végrehajthassuk, amit agykérgünk parancsolt. A kisagy kimenete elsősorban gátló, megvétózza azokat a mozgásokat, amiket testünk aktuális állapotában nem tudna vagy nem lenne biztonságos végrehajtani. Ezt a vétót mindenki megtapasztalhatja, aki tud kerékpározni. Üljön fel a bringájára, induljon el, majd határozza el, hogy elesik. Nem megy, valami megakadályozza, valahogy nem akaródzik. A mozgástervezés automatikus részei nem tudatosodnak csak az elhatározás (az se mindig), illetve a kivitelezett mozgás. Mint a negyedik részben majd látjuk a tudatosságba kerülés nagy megtiszteltetés, mert egyszerre csak kevés dologra tudunk figyelni, és az az agy nagyon sok erőforrását lefoglalja. Ezért ami megy magától, tudattalanul az nem is tudatosodik, mert nem kell. A bicikli példa esetében a nem tudatosodó tiltások azok a „valamik” amik megakadályozzák hogy felborítsuk magunkat.
Ezzel le is zártuk a túra első részét. Irány a hálózatok viselkedése!

Szerző: Gulyás Attila

# Az idegsejtek működésének hangolása I: A jelátvitel szintjei.

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.

Az idegsejtek evolúciójáról szóló bejegyzésekben nem említettük azt, hogy az idegsejtek közötti jelátvivő anyagok, amik a szinaptikus hólyagocskákból felszabadulnak nem a semmiből ugrottak elő, bár az evolúció fokozatosságát és régi kacatokat felhasználó barkácsolókedvét sokat emlegettük. Számos ingerület átvivő anyag, mint az egysejtűek közötti kommunikáció hordozóanyaga, majd a többsejtűek kialakulásakor, mint hormon kezdte pályafutását. A hormonok ugye belső elválasztású mirigyekből (mellékvese, pajzsmirigy) vagy más funkcióval is bíró szervekből (vese, máj) szabadulnak fel a véráramba és segítenek a szervezet alkotóelemeinek hatékony, bár viszonylag lassú szabályozásában. De az agyból is szabadulnak fel hormonok, melyek más hormonok termelődését szabályozzák (TSH, GHRH) a hormontermelésre szakosodott belső elválasztású mirigyekben (a pajzsmirigy, és az ivarmirigyek a célterületei az előzőben zárójelezett hormonoknak).

A gyors és helyileg ható szinaptikus átvitel és a lassú, a véráramon keresztül az egész szervezetre ható hormonális (endokrin) jelátadás között van még két közbeeső léptékű hatásmechanizmus is, a parakrin és a nem-szinaptikus idegi jelátvitel. A parakrin jelátvitelnél a testet alkotó szövetek sejtjeiből szabadul fel egy hormon hatású anyag, ami elszivárog a környezetbe és a közelében ható sejtekre hat.
A nem-szinaptikus átvitel az idegrendszer sejtjei között figyelhető meg. Itt az történik, hogy bizonyos idegsejtek axonvégtalpaiból felszabaduló átvivőanyagok nem csak a helyi szinapszisban fejtik ki hatásukat, hanem a szinapszisból kijutva a környező szinapszisokhoz is eljutnak, és azok működésére fejtenek ki hatást. Az is gyakran előfordul, hogy az axonterminálishoz nem is tartozik közvetlenül szinapszis, hanem csak a környező térbe szabadul fel a (nem szinaptikus) transzmitter. A nem idegrendszeri sejtek esetében használnak még egy fogalmat az autokrin-t, ez azt jelenti amikor a sejtből felszabaduló anyag a sejt más részein elhelyezkedő receptorokra hatnak. Ez igazából a parakrinnek és a nem-szinaptikusnak felel meg, csak nem egy másik sejtet hanem saját magát befolyásolja a sejt jelátvivő molekulák útján.

Van itt tehát egy lépték-sebesség létra. A lassan, de nagy területen ható, mindenhová eljutó hormonális jelátvitelnél célzottabb és kicsit gyorsabb a parakrin jelátvitel. Ennél még kisebb léptékű és nagyobb sebességű a nem-szinaptikus idegi átvitel, végül a létra másik végén a leggyorsabb és legcélzottabb átviteli mód a szinaptikus ingerületátvitel áll.
Az emberi kommunikációnak is van hasonló létrája. Valakinek a fülébe pusmoghatom az üzenetemet, a kocsmában terjeszthetek egy pletykát, régebben feladhattam egy apróhirdetést, ma írok egy blogbejegyzést, vagy írok egy könyvet, amit sok példányban kiadnak. Egyre lassabban, de egyre több emberhez jut el az üzenetem. De gyakran az üzenet hatása is más. Egy direkt megszólítás hatása azonnali, míg egy könyvben kifejtett gondolatok lassan és hosszú időre megváltoztathatják egy embernek, egy társadalomnak a gondolkodását, működését.
Sok agyi szinaptikus transzmitter a bélidegrendszerben parakrin átvivőanyagként kezdte pályafutását, például a hangulatunkat befolyásoló szerotonin (5-HT). Egy érdekes adalék ehhez a történethez, hogy az elmúlt évtizedekben végre az orvostudomány kezdi felismerni, hogy a szervezetünkben élő milliárd mikroorganizmus nagyobb része nem ellenségünk, hanem barátunk. Alapvető szerepet játszanak szervezetünk felépítésében és működésében. A bélben élőkről kiderült, hogy még hangulatunkat is meghatározzák. Számos bélbaktérium szerotonint termel ezzel hozzájárul egészséges hangulatunkhoz. Ha valaki rosszul táplálkozik vagy egy antibiotikum kúra megváltoztatja bélflóráját komoly változásokat figyelhet meg hangulatában.

Ahogy az evolúció során egymásra rakódtak a jelátvitel egyre finomodó és gyorsuló térbeli és időbeli rétegei, ezek nem egymástól függetlenül működtek, hanem kölcsönhatottak egymással és egy gazdag sokoldalú szabályozás alakult ki. A kölcsönhatások különböző szintjeinek egymásba gabalyodására egy jó példa, hogy miért leszünk álmosak a nap végére és miért fáradunk el jobban, ha sokat figyeltünk és tanultunk, mintha lustálkodunk. A gyors információfeldolgozás során agykérgünkben a serkentő szinapszisokon rengeteg információ áramlik, és mint azt majd a tanulásról szóló bejegyzésben tárgyaljuk, a serkentő szinapszisok erőssége a tanulás során megnő. Így a nap során a serkentő kapcsolatok erőssége lassan növekszik, ami kicsit „ingerlékenyebbé” teszi őket is, meg minket is (lásd: estére síróssá váló kisgyerek). Hogy agyunk ezt a hatást mérsékelje, amikor az idegsejtek működnek egy adenozin nevezetű anyag szabadul fel lassan és szétárad az agyban. Hatására (nem-szinaptikus, akár parakrinnak is mondható az idegrendszeren belül) a serkentő jelátvitel erőssége kicsit gyengül, a megerősödő szinapszisokat egyensúlyban tartja. Ennek járulékaként álmosnak érezzük magunkat. Amikor alszunk, az álom során idegsejtjeink kapcsolatai átépülnek, az újonnan tanultakért felelő kapcsolatok megerősödnek, a többiek viszont arányosan gyengülnek. Ezzel párhuzamosan az adenozin pedig eltűnik az agyszövetből (az asztrogliasejtek segítségével). Reggel kipihenve, megokosodva és a másnapi tanulásra felkészülve ébredünk. Nem csoda, hogy ha alvásmegvonás miatt az adenozin nem tud kiürülni a szervezetünkből akkor lelassulunk, hibákat vétünk és ingerlékenyek leszünk.

Túránk szempontjából a létra két utolsó foka a szinaptikus és a nem-szinaptikus átvitel a legfontosabb. A jelfeldogozásban alapvető szinaptikus jelátvitelről már beszéltünk korábban. Mint ahogy a serkentő és gátló jelátvitelben részt vevő glutamát és GABA receptorairól is, amelyek a szinapszisok dendrit felőli oldalán ülnek (posztszinaptikus oldal). Ők egyben ioncsatornák is. Amikor átvivőanyagot érzékelnek a szinaptikus résben, a rájuk jellemző ionok áramlását engedik meg a sejthártyán keresztül, ezzel serkentő vagy gátló áramokat váltanak ki. Szót ejtettünk még néhány ion-pumpáról és a feszültség érzékeny Na+ és K+ csatornákról, melyek a membránpotenciál fenntartásában és az akciós potenciál terjedésében játszanak fontos szerepet.
A következő bejegyzésben körbejárjuk milyen molekulák vesznek részt a különböző átvitelu típusokban és hogyan hangolják a sejtek jelösszegzését.

Szerző: Gulyás Attila

# Az idegsejtek működésének hangolása II: A jelösszegződés finomhangolásának módjai

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.

Kezdjük a szinaptikus és nem szinaptikus átvitel sajátosságaival. A szinaptikus átvitelben ható klasszikus gyors transzmitterek, mint, pl. glutamát és GABA gyorsan (1-4 msec) és kis távolságon (~1 µm) dolgoznak, mivel a szinaptikus résbe szabadulnak fel, ahol koncentrációjuk nagy marad. Az axonterminálisból a sejtek közötti térbe, vagy a szinapszisból kiszabaduló moduláló jellegű átvivőanyagok (acetil-kolin, szerotonin, noradrenalin stb.), mivel messzebb és nagyobb térrészbe jutnak el (~5-50 µm) lassabban hatnak és alacsonyabb koncentrációban vannak jelen (az anyagok egy része mindkét módon hathat). A két esetben a hatást más típusú receptorok közvetítik. A gyors esetben a receptorok egyben ioncsatornák is (ionotróp receptorok), azaz az anyag kötésekor rájuk jellemző arányban engedik be az idegsejtek membránpotenciálját meghatározó ionokat, hiszen a leggyorsabban elektromos áram útján lehet egy idegsejtet befolyásolni. Ilyen receptor két korábbi ismerősünk a glutamát AMPA receptora és a GABA A receptora. A lassú receptorok maguk nem ioncsatornák, hanem valamilyen módon a sejtek belső jelátviteli rendszerére (másodlagos hírvivő rendszer) kapcsolódnak rá (metabotróp receptorok) és közvetve, lassan, elnyúlóan (50-200 msec vagy akár percek) kapcsolhatnak be/ki egy vagy akár több fehérjét, amelyek ioncsatornaként működve megváltoztatják a sejtek membránpotenciálját és elektronikus tulajdonságait. A dolgot tovább cifrázza, hogy egyetlen, a sejt membránfolyamataiban szerepet játszó fehérjét nem csak egy, hanem több jelátviteli rendszer is befolyásolhatja, akár ellentétes irányokba is. Ezért a metabotróp receptorok, másodlagos hírvivő rendszerek és az általuk befolyásolt fehérjék egy bonyolultan kölcsönható szabályozó hálózatot alkotnak.

A glutamátnak több eltérő típusú metabotróp receptora is van (mGluR 1-5ig), melyek eltérő másodlagos sejt jelátvivő rendszerekhez kapcsolódhatnak és a célsejtek eltérő részein elhelyezkedve eltérő, akár ellentétes hatásokat is kifejthetnek. A GABA B receptora is ilyen, ha ez aktiválódik, a felszabadított másodlagos hírvivő anyagok hatására az idegsejt hártyájában egy K+ csatorna nyílik meg és a sejtből kiáramló K+ áram a sejtet hiperpolarizálva annak aktivitását csökkenti. Míg az ionotróp receptorok majdnem mindig a szinapszisban a posztszinaptikus oldalon találhatók, a metabotróp receptorok a szinapszis szélén, a szinapszison kívül, de még az axonon is előfordulhatnak. Például, mind a GABA-nak mind a glutamátnak található metabotróp receptora legtöbb axonterminálison, melyek aktivációja csökkenti a további axon-terminális aktiválódást és ezért negatív visszacsatolással képes szabályozni a túlzott ingerületátvivő anyag felszabadulást.

A két receptorcsalád között még egy jelentős különbség van, a gyors receptorok csak akkor nyílnak ki, ha az ingerületátvivő anyaggal nagy töménységben találkoznak (hiszen a szinapszisba ömölve az átvivőanyagok koncentrációja magas). A metabotróp receptorokra viszont már alacsony koncentrációban is hatásos egy átvivőanyag (hiszen a szövetben szétterjedve kihígul). Bár finomabb jeleket érzékelnek, hatásuk nem gyengébb, hiszen a sejt belső jelátvivő rendszerei felerősítik. Hatásuk, mint írtuk lassú, elhúzódó, hangolják a sejtek jelfeldolgozó képességét. Mivel a nem-szinaptikus kommunikációban nem szigorúan célzott a sejtek közötti jelátvitel, fontos abban, hogy eltérő ingerületátvivő anyagokat használó agyi rendszerek együttműködjenek. Ez az agyi jelfeldolgozás újabb lehetőségét nyitja meg, mert például az agykéreg alatti, a szervezet homeosztázisát biztosító agyterületek eltérő transzmittereket használó sejtjeiből felszabadító anyagok (szerotonin, dopamin, adrenalin) a nem-szinaptikus kölcsönhatások útján is egyfajta kölcsönhatási hálóba lépnek.

Az utolsó csavarok vannak hátra. Sok transzmitter gyorsan és lassan is tud hatni (akár ugyanabból az axonterminálisból felszabadulva). De ezt ugye már ki lehetet találni abból, hogy az alap, gyors transzmittereknek: a glutamátnak és a GABAnak is van ionotróp és metabotróp receptora. De fogadok azt senki nem találta ki, hogy vannak olyan idegsejtek, amiknek az axonjából egyszerre többféle (gyors és lassú hatású) transzmitter is felszabadul.

Nézzük meg hogyan mire is ez a nagy hajcihő? Milyen sejtfunkciókat befolyásolhatnak a moduláló jellegű, metabotróp receptorokon keresztül ható ingerületátvivő anyagok.
A sejtek nyugalmi, valamint az ingerületterjedés és jelösszegzés során változó membránpotenciálját számos Na-csatorna család, de még fontosabban, különböző K és Ca csatorna családok állítják be. Vannak olyan K és Ca csatornák, amelyek feszültség függőek, azaz a membránpotenciál változásának hatására nyílnak vagy záródnak. Eltérő típusaik más feszültségszintre és hosszabb vagy rövidebb idő eltelte után reagálnak. De olyan K és Ca csatornák is vannak, amelyek a másik ion koncentrációjának

megváltozásakor nyílnak vagy csukódnak. Itt most nem megyünk bele a részletekbe, hogy hogyan, de a megfelelő helyre, megfelelő keverékben elhelyezett csatornák képesek jelentősen megváltoztatni a sejtek jelfeldolgozó tulajdonságait. A K csatornák fontos szerepet játszanak a sejtek nyugalmi potenciáljának beállításában, azaz meghatározzák egy sejt mennyire aktiválható és mennyi serkentő bemenetet kell kapjon ahhoz, hogy kisüljön. A Ca csatornák a jelösszegzésben, jelerősítésben és a jelek kölcsönhatásában játszanak elsősorban szerepet. A K, Ca és Na csatornák összjátékából alakul ki, hogy egy sejt mikor aktiválódik, illetve az aktiválódott sejt milyen mintázatban és mennyi akciós potenciált bocsájt ki magából. Más csatornakombinációval ellátott sejtek (melyeket a genetikai program és a hálózatban való elhelyezkedésük formált) más módon összegzik a jeleket.
És itt jön a hangolás (moduláció). A metabotróp receptorok által ki vagy bekapcsolt másodlagos hírvivő rendszerek molekulái képesek arra, hogy a csatornák megfelelő részeihez kapcsolódva megváltoztassák azok tulajdonságait és ezáltal a sejtek jelfeldolgozását, jelkibocsájtásának ritmusát. Mivel számos moduláló rendszer (szerotonin, dopamin, noradrenalin, hisztamin) mindegyike több metabotróp receptoron hat, ezek pedig több, egymással kölcsönható, másodlagos hírvivő rendszeren keresztül eltérő típusú ioncsatornákat ez egy igen sokodalú, kifinomult mechanizmus. Ezt a hálózatot is tekinthetjük egyfajta jelfeldolgozásnak és bizonyára sokat csizolta az evolúció, hogy mindenki-mindenkivel a túléléshez leghatékonyabb módon hasson kölcsön.

Egy példa: amikor egy állat a környezetében valami fontos dologgal találkozik egyik kéreg alatti területéről (bazális előagy) acetil-kolin szabadul fel. Az acetil-kolin többféle receptoron keresztül a másodlagos hírvivő rendszerek útján a sejtek dendritjein, sejttestén és axonterminálisaiban számos K csatorna működését megváltoztatja. Ezáltal a sejtek serkenthetőbbé válnak, könnyebben kisülnek ugyanarra a beérkező jelmennyiségre. Igaz közben axonterminálisaikból kisebb valószínűséggel szabadulnak fel a transzmitterek, azaz a jelátvitel erőssége csökken. Az acetil-kolinnak a sejtek jelintegrációjára és jelátvitelére gyakorolt hatásának eredményeképpen megváltozik az agy aktivitásának mintázata.

Egy izgalmasabb példa az LSD hatása. Az LSD a szerotionin (5-HT) egyik receptorán hat és a gátlósejtek K csatornáit hangolja. Hatására a gátlósejtek kicsit gyengébben ellenőrzik a hálózat aktivitását. Mivel ebből a receptorból a látókéregben van a legtöbb LSD hatására a látórendszer kicsit túlreagál és a Google Deep Dreeaming-hez hasonló képeket láttat.
Az idegsejtek modulációja ahhoz hasonlít, mint amikor számítógépünk energiatakarékos üzemmódba kapcsol, mert akkumulátorának töltöttségi szintje a beállított szint alá esik. Ilyenkor „felszabadul” egy üzenet az operációs rendszerben, melynek hatására gépünk lekapcsolja a Bluetooth és WiFi kapcsolatokat, csökkenti a képernyő megvilágítás erősségét és nem végez olyan háttérfeladatokat, amik a processzort az aktuális szükséges feladaton kívül másra is használná. Megváltozott a helyzet, megváltozott az igény, a moduláló jelek átállítják a rendszer elemeinek, és így egészének működését. Itt persze megint a modularitás és az emergencia jelenik meg.

Eddig valamelyest függetlenül beszéltünk a gliasejtekről és az idegsejtek tulajdonságainak hangolásáról, de fontos azt is megmutatni, hogy a két rendszer nem egymástól függetlenül működik, hanem két, részben párhuzamosan működő, de erősen összefüggő rendszert alkot. Az idegsejtek gyorsan dolgozzák fel a jeleket, a beérkező ingerületet összegzik és kimenő jellé alakítják. Ebben serkenthetőségük és szinapszisaik erősségének mindenkori állapota fontos szerepet játszik. A gliasejtek komótosabbak, térben és időben nagy léptpékben követik az eseményeket és lassan reagálnak, lassú gyenge membránpotenciál változásokat mutatva, melyek lassú átlagai számos idegsejt membránpotenciáljának. Mivel az idegsejtek aktivitásának megfigyelésével és lassan visszacsatolt szabályozásával részt vesznek az idegsejtek anyagcseréjének, aktivitási szintjének, szinaptikus átvitelének szabályzásában, valamint a szinaptikus súlyok megváltozásának , a tanulásnak a szabályozásában, ők is részt vesznek az idegrendszer jelfeldolgozásában, csak egy másik időskálán (lásd az adenozin és az álmosság esetét az előző bejegyzésben). Mint a séta végén (sok van még ddig) látni fogjuk, az agy az aktuális feladat, a mindenkori magatartási állapot függvényében másodperces skálán módosítja működését, ehhez valószínűleg a gliasejtek is komolyan hozzájárulnak. Amikor az idegsejtek aktivitás gyorsan kezd el emelkedni, számos gliális mechanizmus indul be, amely biztosítja az agy kiegyensúlyozott működését, az agy homeosztázisát.

Szerző: Gulyás Attila

# SzürkeÁllomány második évad: a hálózatok kialakulása

Kedves Olvasók!
A nyári szünet után folytatjuk! Az #agyséta szál az agy legalsó szerveződési szintjén kezdett el építkezni, megmutatta azt, hogy a fehérjemolekulák, sejthártyák és ionmozgások összjátékából hogyan alakul ki a jeleket integráló idegsejtek működése és szintje.

Ebben az évadban a következő szerveződési szintlépést tesszük meg: hogyan alkot sok idegsejt információ feldolgozásra, tanulásra, memória előhívásra alkalmas hálózatokat és ezek milyen tulajdonságokkal rendelkeznek. Megismerkedünk az agykéreg modulok felépítésének alapelveivel, a tanulás sejt és molekuláris szintű folyamataival, hogyan kódolják az idegsejtmintázatok az információt és hogyan dolgozzák fel.

Hogy ne riasszuk el azokat se, akik szívesebben olvasnának a neuropszichológia, neurofilozófia és a tudat témájában, a Ponyvaregény (Pulp fiction) és Memento című filmekben megtapasztalt idő-bakugrásokkal néhány magasabb szerveződési szinthez tartozó témát is beszúrunk (többek között a beérkezett hozzászólások megválaszolása okán). Kezdjük az agy-elme-tudat-éberség-stb. fogalmak biológiai-filozófiai körbejárása és belekóstolgatunk az AI, AGI, alignment fogalmaiba is.

Mindenkinek értékes tapasztalatokat, izgalmas kérdéseket és szárnyaló gondolatokat kívánunk!

# Rendrakás az agy, elme és AI fiókjaiban I.: A tudatos agy funkcionális darabolása

Az évadnyitóban említettem, hogy az #agysétán ezentúl időnként előretekintünk. A jelen és a következő bejegyzés inkább egy hőlégballonos felszállás, ahonnan rátekinthetünk a terepre és megtanulhatjuk a hegyek-völgyek neveit. Általános, fontos fogalmakat tisztázunk, melyekbe már magyarul is angolul is beleszaladhatott, akit érdekel az agyműködés vagy a másik oldalról nézve a pszichológia. A harmadik és negyedik bejegyzés, ahol a természetes és mesterséges intelligencia kérdéseit érintjük, kevésbé kemény tényeken alapuló tudomány, mint vélemény és filozofálgatás.

Kezdjük a fogalmakkal…

Angol kupac: brain, mind, consciousness, self conscious, aware(ness), alert(ness), awake(ness), vigilance, attention, intelligence
Magyar kupac: agy, elme, tudat, éntudat, tudatosság, éber(ség), ébrenléti szint, figyelem, intelligencia

... ugyanis rendet kell rakjunk közöttük. Fontos, hogy ugyanazt a nyelvet beszéljük, hiszen, sok félreértésre ad okot, amikor az egyik fél máshogy értelmez egy fogalmat, azaz más dolgokat köt hozzá, mint a másik. Még az sem teljesen egyértelmű, hogy az angol és a magyar fogalmak miképpen felelnek meg egymásnak. Megvallom a bejegyzés megírásához, az egyértelműséghez, nekem is rendet kellett tennem a fejemben, sokat olvastam, hogy ne (nagyon) hibázzak. Ehhez a legtöbbet a „The Neurology of Consciousness” könyvből tanultam. Ezt azért kezdőknek nem ajánlom, mert kemény tudományos nyelven íródott, de alaposan végigjárja a tudatossághoz szükséges utóagyi, középagyi és előagyi rendszereket, az éber, alvó, kóros tudatállapotokat és hogy ezek milyen agyi akivitásmintázatokkal kísértek. Végül megismertet a különböző szintű agykárosodások után fennmaradó agyi állapotokat (kóma, vegetetív állapot, minimálisan tudatos állapot, locked-in szindróma).

Sokan sokféle módon próbálták rendezni e fogalmakat. Leginkább egy sokdimenzós térben lehetne elrendezni ezeket (azaz számos tengely mentén), de az most itt durva lenne. Alant egy példa, mely az agyi állapotokat az awareness = éberség /tudatosság és a wakefullness = ébrenlét skáláján helyezi el, amiből már rögtön látszik, hogy a két fogalom nem fed át (és a többi tengelyre felhelyezhető fogalmakat nem is említettük).

Én is előállítottam a magam ábráit, természetesen az #agyséta">#agyséta gondolatmenetét figyelembe véve. Kezdjük először annak áttekintésével, hogy melyik agyterületnek mi a szerepe a tudat „működtetésében”, mert erre tudunk majd építkezni a fogalmak meghatározásakor. Ha eddig ne lett volna nyilvánvaló, az előző mondatból leszűrhető, hogy elvetjük a dualitást, azaz az elmét az agy működésének termékeként értelmezzük. Ez persze nem meglepő, hiszen ez egy neuropszichológiai alapállású blog.

A tudat működtetéséhez mind a magasabb, itt „Agykéreg”-nek jelölt előagyi területek (de ide tartozik a talamusz és a striátum is pl.), mind a közép és utóagyi, itt „Kéreg alatti területek”-nek jelölt agyterületek hozzájárulnak. Szerepük azonban eltérő. A kéreg allati területek megfelelő működése elengedhetetlen az ébrenlét, az éberség és a működő tudat kialakításában, mivel felszálló pályáik útján befolyásolják és működésben tartják az agykérget. Károsodásuk esetén kóros agyi állapotok, kóma, vegetatív állapot, illetve további, később részletezett állapotok alakulhatnak ki. Az agykéreg több szinten egymáshoz kapcsolódó területei a tudatosság különböző rétegeinek létrehozásában és a kifinomult, gazdag tudattartalmak előállításában fontosak. Az érző területeken megkezdődik az érzékszervekből érkező ingerek feldolgozása, egyszerűbb és összetetteb érzékelése. Ezekről a területekről az információ az asszociációs kérgekbe kerülnek, ahol a különböző érzékszervekből származó információk modalitás független élménnyé alakulnak. De itt történik a mozgástervezés is, testünk aktuális állapotát figyelembe véve. A prefrontális kéreg (homloklebeny) a legmagasabb szintű tudatosság kialakításhoz elengedhetetlen. Ez a székhelye a munkamemóriának, mérlegelésnek, kételkedésnek, a legmagasabb szintű döntéseknek, itt honolnak személyiségünk elemei, itt alakulnak ki gondolataink és hogy mi jó-mi rossz. Ez a terület szervezi -a kéreg alatti területek segítségével- pillanatonként változó, feladat-függően összekapcsolt működő hálózatokba a többi agyterületet, ezzel meghatározva mi kerül be tudatunkba. A tudatos, tudat alatti és tudattalan fogalmai lazán hozzárendelhetők az egyes agyterületekhez. A prefrontális kéreg a tudatos, Ő a karmester, aki irányítja az asszociációs és érző/mozgató kérgek tudatalatti működését, de ezek a kérgek tudat alatt meghatározzák az Ő működését is. Agyunk tudattalan részei a kéreg alatti területekhez és az elsődleges érző/mozgató kéreghez rendelhetők hozzá.

Fontos hangsúlyozni, a tudat nem egy és oszthatatlan. Egyrészt mindennapi életünkben is állandóan változik tudatállapotunk (koncentrálunk, álmodozunk, belülre vagy kívülre figyelünk, elálmosodunk), másrészt az ember tudata más, mint a kutyáé, egéré, gyíké, halé. Emberi tudatunk a feladat és a motiváció függvényében kiterjedtebb, beszűkültebb, egyszerűbb-összetettebb, de agyunk fejlettsége miatt jelentősen kifinomultabb és sokoldalúbb, mint a törzsfa alacsonyabb szintén álló távoli rokonainké. Az egyre kisebb agyak egyre kevesebb specializált agyterülettel bírnak, melyek kisebbek is, ezért a világot kisebb felbontásban, homályos szemüvegen keresztül látják. Ennek szemléltetésére egy példa: otthon tartott tengerimalacaink, amikor csendesen olvasgatok mellettük pillanatok alatt elfelejtik, hogy ott vagyok és minden egyes lapozásnál iszonyatos pánikban szaladnak vissza vackukba, a negyvenedik oldal után sem képesek megtanulni, hogy környezetük eleme vagyok. Egyszerűen a jelenben élnek, nincs rekesz az agyukban a múltnak és a jövőnek, nincs munkamemóriájuk, állandóság fogalmuk. Próbáljátok meg elképzelni milyen lehet egy gyík vagy egy hal tudata és egyből méltányolni fogjátok a sok agyi finomságot, amit őseink „fejlesztettek” (pontosabban az őket gyilkoló evolúciós nyomás).

Az agy és a tudat összekapcsolódásáról, a tudatosság szintjeiről az agyat ért károsodásokat (fejsérülés, daganat, agyvérzés, agyérgörcs, drog) követő neurológiai, pszichiátriai, pszichológiai változások elemzésével sokat tanultunk. Közismert Phineas Gage esete akinek egy balesetben megsérült a bal homloklebenye, melynek eredményeképpen alapvetően megváltozott a személyisége. Akit érdekel Vilayanir Ramachandran: Phantoms in the brain és Jill Bolte Taylor: Mennybe döngölve című könyveiben még a tudat sok furcsaságáról olvashat.

A következő bejegyzésben érkezik az ígért fogalom magyarázat.

Szerző: Gulyás Attila

# Rendrakás az agy, elme és AI fiókjaiban II.: Agyi szószedet

Emlékeztetőnek a két szókupac, amit meg kell magyarázni és össze kell kapcsolni. Csak finoman kössetek belém, mert nem filozófus, hanem neurobiológus vagyok.
Angol kupac: brain, mind, consciousness, self conscious, aware(ness), alert(ness), awake(ness), attention, intelligence
Magyar kupac: agy, elme, tudat, éntudat, tudatosság, éber(ség), ébrenléti szint, figyelem, intelligencia

A brain / agy viszonylag egyértelmű: az a biológiai, anyagi hordozó szerv, amiben az idegsejtek aktivitásmintázata és ezen mintázatok egymásba alakulása hozza létre a mentális állapotokat, hordozza a tudatos elmét.
A másik kettő már bonyolultan egymásba fonódott, egymás vetületei. A magyar tudatállapotot például az angol mind-state-nek vagy conscious-state-nek mondja. A consciousness / tudat(osság) az a képesség, jelenség, állapot, amin keresztül egy lény elméje átéli, megtapasztalja a belső és külső világot. A mind / elme tágabb fogalom, mint a tudat, a mentális képességek, lehetőségek egészének kerete, helyet ad a tudatállapotoknak. Az elme szabályain, szerkezetén keresztül tapasztaljuk meg a világot. Tekinthetjük az elmét a tudat kultúrájának.

Talán a számítógéppel kapcsolatos fogalmak érthetőbben világítják meg ezt a kuszaságot. Az agy (brain) az a biológiai, anyagi hordozó (hardware) amin az elme (mind) fut operációs rendszerként (software). Egy tudatállapot, a tudat egy pillanata (consciousness) az elmének egy pillanatban fennálló állapota. A számítógépes példánál maradva: az operációs rendszer éppen milyen programokat futtat és ezek milyen feldolgozásokat végeznek számítógépünkben (agyunkban).

A többi fogalom annak kapcsán jön a képbe, hogy az agynak, és ezért a tudat működésének vannak szintjei, állapotai. Egy jól működő agy, elme tudatos (conscious) és egyben éber (aware) és ébren van (awake), azaz az agy érzékeli, érti a világot, reagál rá, gondolkodik. Emberben a tudat egy magasabb szintű állapottal az éntudattal (self-consciousness) is rendelkezik, azaz tisztában vagyunk azzal kik vagyunk, hol vagyunk, mit akarunk. Ez vélhetőleg az evolúciós törzsfán lefelé sétálva lassan eltűnik, és csak egy egyszerűsített tudat marad (még egy ideig, utána már valószínűleg csak ingerelhetőségről beszélünk). Az aware(ness) / éber(ség) fogalma azt írja le mennyire van agyunk tudatában a világnak, mennyire érzékeny, mennyire ingerelhető. Míg az angol az éber agyi állapotra az aware megenezést használja magyarul gyakran a tudatos kifejezést használjuk (nem összekeverendó a tudat vagy tudatosság elvontabb fogalmával). A másik fogalom az awake(ness), ami azt jelenti nem alszik, azaz éber, de ezt elhasználtuk az aware esetére, pontosabb tehát az ébrenléti szintet vagy ébren-t használni. Az alert(ness) fogalma azt jelenti, hogy figyel, felkészült valamire. Magyarul erre is a már használt éber-t alkalmazzuk, de helyesebb talán készültség-et mondani. Az attention figyelmet jelent, szerencsére itt nincs kavarodás.

A fenti igen összetett Wenn diagram a lehetséges emberi agyi állapotokat (fekete keretek) és éberségi/tudati szinteket (narancs) mutatja, az agyi állapotokat az éberségnek megfelelően rendezve.

Az agy lehet felébredt (awake), amikor is tudatánál van (aware and conscious), de aludhat is különböző mélységben. Az alvás mélységének növekedésével (lassú hullámú alvás 1-2-3-4, majd gyors szemmozgásos alvás (REM)) nem csak az éberség, hanem a tudatosság (awareness) is csökken, majd megszűnik. A tudat álmok formájában szűrődik be. Az altatók által kiváltott tudatállapotok nem egyeznek meg az normál alvás állapotaival és széles skálán változhatnak. Az egészséges tudatállapotokat módosíthatja meditáció, droghasználat vagy pszichózisok. Ezek mindegyikére, a normális agyműködésre és tudatállapotokra jellemző mintázatoktól eltérő agyi mintázatok és ezt kísérő megváltozott tudatélmények jellemzők, esetenként a tudatosság, ingerelhetőség is csökkenthet.

Agykárosodások esetén amikor az agyi területek egy része vagy a közöttük levő kapcsolatok időlegesen, vagy véglegesen károsodnak, az éntudat, tudat, tudatosság (éberség) fokozatosan eltűnhet. A locked-in (bezárt) szindrómában, melyet csak nemrég különítettek el a vegetatív állapottól fMRI vizsgálatok segítségével, a beteg tudata-éntudata teljesen ép, éber-tudatos, de mivel a középagyi területek károsodtak és mozgása bénult, semmiféle választ nem tud adni a külvilág ingereire. Csak agyi képalkotó mérések alapján, agyterületeinek aktivitását vizsgálva tudjuk, hogy gondolkodik és ezen területek aktivitását tudatosan változtatva képes nagyon egyszerű válaszokat adni. Amikor a középagyi-agytörzsi területek komolyabban károsodnak, a tudatosság-éberség csökken, az agyműködés szervezettsége leromlik. Amikor néha még megfigyelhető valamilyen szintű tudatosság-éberség (awereness), azaz a beteg bizonyos ingerekre reagál vagy spontán viselkedési jegyeket mutat, minimálisan tudatos állapotról beszélünk. Ennél komolyabb károsodások esetében kómáról, vagy vegetatív állapototról (újabban: válaszképtelen éber állapotról) beszélünk, amikor valamilyen szintű idegműködés megfigyelhető, de nem áll össze szervezett állapotba és az agy nem képes a testet működtetni. Az öntudatnak, viselkedésnek ilyenkor semmi jele, bár a vegetatív állapotban a beteg néha kinyitja a szemét. Az utolsó állapot az agyhalál, ilyenkor az idegsejtek sem mutatnak aktivitást és semmilyen mentális folyamat nem feltételezhető.

A következő bejegyzésekben a mesterség intelligencia is belép a képbe. Elő a kérdésekkel, hogy legyen időm válaszolni rájuk.

Szerző: Gulyás Attila

# NI és AI, esetleg AGI: ki tudatos és ki intelligens?

Az utolsó két fogalom boncolgató bejegyzésben a természetes (natural=NI) és mesterséges (artficial=AI) intelligencia, valamint a tudattal kapcsolatos fogalmak viszonyát járjuk körül, belecsúszva a képzett találgatás és a filozófia határmezsgyéjébe.
A természetest és a mesterségest kb. értjük, de eddig nem tárgyaltuk, hogy mi is az intelligencia?

A Wikipédia szerint az a képesség, hogy megszerezzünk, megértsünk és alkalmazzunk új információt, tanuljunk és tudásunkat problémák megoldására célzottan használjuk, vagy egy rendszer használja. A fogalom az 1900-as évek elején formálódó behaviorista pszichológia szóhasználatában jelent meg és a viselkedési vizsgálatokban mérhető feladatmegoldási komplexitást jelezte. A behavioristák, a behavior = viselkedés alapján igyekezték megérteni a viselkedést. Nem foglalkoztak a mentális reprezentációval, gondolatokkal, érzésekkel, csak a feladatra adott választ vizsgálták. Nagyjából mindent és mindenkit automataként próbáltak értelmezni. Éppen ezért épp elég volt nekik, hogy ahhoz, hogy valami intelligens legyen, nem szükséges a világ átélése a tudatosság. A fenti elvárásoknak viszonylag egyszerű rendszerek is eleget tudnak tenni, egy egyszerűen viselkedő állat (Skinner dobozában a billentyűket nyomogató patkány, igaz az már meglehetősen bonyolult) vagy egy elektromos kütyü (kapunyitó, automata lámpa). De az 1950-es években, a kibernetika, robotika és számítástechnika kialakulásakor a fogalmat a mesterséges (artificial) jelzővel megtoldva az ember által alkotott összetettebb rendszereket, mint mesterséges intelligencia (MI, angolul AI) azonosították vagy igyekeztek megalkotni. A több gyökerű AI céljai között szerepeltek: érvelés, problémamegoldás, tudás reprezentáció, tervezés és döntéshozás, tanulás, nyelvfeldolgozás, percepció (ingerek megértése), társas intelligencia és végül a Szent Grál, az általános intelligencia (AGI). A célok változatosságának köszönhetően és az akkori szerény lehetőségek okán mindenki a maga módján és módszereivel építkezett. Speciális programnyelvek keletkeztek (LISP, Prolog) melyek fogalmak hálózatát tudták reprezentálni, feldolgozni és megtanulni. Ezeket érvelés, tudásreprezentáció, döntéshozás, nyelvfeldolgozás terén használták.

Mások idegsejtekre hasonló elemekből fizikai vagy software-rendszereken alapuló mesterséges neuronhálózatokat építettek (perceptron, két vagy többrétegű back-propagation), hogy a percepciót (az ingerek feldolgozását) tanulmányozzák.

A két megközelítést szimbolikus (fogalmi/jel alapú) és neuronális (idegsejt alapú) megközelítésnek nevezik és mint előbb láttuk más reprezentációs alapokon nyugszik, de mind a kettő hálózatokkal dolgozik. Ez a kettősség még sokszor visszaköszön majd az #agyséta során. A szimbolikus esetben a hálózatok csomópontjai fogalmak, melyeket kapcsolatok kötnek össze, a neuronális esetben a sejtek működési mintázata jelent dolgokat és a kapcsolatok alapján történik a mintázatok egymásba alakulása. A korai AI-t inkább a szimbolikus megközelítés jellemezte.

A kezdeti sikereket, a számítástechnika szerény képességei miatt, a 70es években egy hosszú megtorpanás követte, amikor is nem sok fejlődés történt, az AI lassan topogott előre. Ez egészen a 90es évek végéig tartott. A terméketlen időszakot „AI winternek”, azaz az a MI telének hívták.

A gyors olvadást a számítástechnikai kapacitás növekedése és számos matematikai megközelítés (lineáris algebra, kalkulus, valószínűség elmélet, Markov láncok, gráfelmélet) finomítása, kidolgozása hozta el. De a legnagyobb lépés az volt, hogy visszanyúlva az idegtudományokhoz az AI kutatók rájöttek arra, hogy ha korábbi egyszerű kétrétegű hálózataikat az agyban az agyterületek között megfigyelt többszintű kapcsolatrendszerek szerint másodlagos hálózatokból álló hálózatokba kapcsolják (a következő szerveződési szintre lépnek), akkor meglepően hatékony, új tulajdonságokat mutató neuronális alapú AI rendszereket kapnak. Ennek első nagy sztárja a Deep Learning volt. Deep, azaz mély, mert a felépülő hálózatoknak sok egymásra épülő rétege volt. A mai LLM-ek 3-5 nagyságrenddel múlják fel korai elődeiket. Egy perceptron 2-3-talán 5 réteggel rendelkezett és információtartalmát néhány kB-ban lehetett mérni. Egy szakértői rendszer maximum néhány tíz-száz kB lehetett. Ezzel szemben a ChatGPT 3.0 (mára elavult) 600 réteggel és több TB információval rendelkezik. Itt is szépen látszik az emergencia, az elemek és szintek növelésével minőségileg új tulajdonságok jelentek meg.

Az elmúlt egy évben (2023 szeptembert írunk a bejegyzés elkészültekor) még a csapból is ChatGPT folyt (Tudatos-e a ChatGPT4.0? Mikor találják az írók, művészek és kutatók az utcán magukat?), egy ideje közbeszéd tárgya az önvezető autókkal kapcsos kibernetikai-etikai problémák (kit üssön el? két öreg nénit vagy egy terhes anyukát, ha választania kell) és készüljünk-e a robot apokalipszisra (Skynet és Terminátor) vagy fognak-e belőlünk iratkapcsot csinálni, az amúgy jóhiszemű gépek (paperclip problem)?
Újabb Wenn diagramokon próbáltam meg ábrázolni, hogy a kérdések kapcsán felmerülő fogalmak hogyan fednek át és hogy ezeken a diagrammokon a tudatos és tudattalan agyak, rendszerek, az AI és az AGI hol helyezkedik el. Erre azért van szükség, mert az intelligencia, a tudatosság, én/öntudat és éberség/ingerelhetőség/válaszképesség egymástól részben független fogalmak.

Hogy a tudat nem minden vagy semmi jellegű arról az előzőekben beszéltünk. Az emberi tudatnak vannak állapotai, mint ahogy a különböző méretű és felépítésű agyakkal rendelkező élőlényeknek is vannak tudatfokozatai, hiszen csak agyuk bonyolultságának függvényében képesek átélni a világot. Éppen ezért a tudatnak csak egy bizonyos szintjén és szervezettségénél jelenik meg az ön/én-tudat (világos zöld terület a sötéteb zöldön belül). Az intelligencia (kék terület) mindkettőtől független. Egy tudatossághoz nem kellően bonyolult rendszer (pl. egy hangya) is lehet intelligens a maga módján, hiszen információt szerez meg, tesz magáévá és alkalmazza (elnézést kérek a hangyától, ha megtagadnám tőle a tudatosságot, lehet inkább egy fonálféreggel és a maga háromszázvalahány idegsejtjével kellene példálóznom). De tudatos rendszerek is viselkedhetnek nem intelligens módon, bár vélem ritkán. Az éberség-ingerelhetőség (pirossal jelölve) megint független az előzőektől. Elképzelhetők olyan tudatállapotok, amik nem válaszolnak a külvilágra (alvó, vagy Pokemon Go-t játszó emberek :), vagy olyan, nem tudatos rendszer, amelyik reagál a külvilágra (papucsállatka, termosztát).
És most jön a találgatás. Helyezzük el a fenti diagramon az emberi és állati elméket, a mesterséges intelligenciát és annak legmodernebb, robbanásszerűen fejlődő kiterjesztését a Nagy Nyelvi Modelleket (LLMs, Large Language Modells, BERT, GPT, XLNet, ALBERT, stb), melyek az AGI = artificial general intelligence, azaz az általános mestersége intelligencia (rövidíthetnénk mondjuk ÁMI-nak, TÁS nélkül) felé mutató legígéretesebb próbálkozások.
Sokan taglalják, hogy a mostani ChatGPT 4.0 és egyéb LLMek vagy ezek későbbi változatainál megjelent-e, meg fog-e jelenni a tudatosság?
Ha valaki engem kérdez én azt mondom, hogy a ChatGPT 4.0 (nagyon nagy valószínűséggel) nem tudatos és még sok idő telik el addig amíg tudatosságot mutató AGI-okat készítünk. Ennek megfelelően is helyeztem el a diagramon. De miért? A témával foglalkozók egy része egyetért abban, hogy az ember tudatosságának fontos eleme, hogy egy testben élünk, melyet az evolúció formált érzővé és esendővé. Elménk kialakulásának fontos hajtóereje volt, hogy környezetünk és testünk minden rezdülése befolyásolja annak működését, érezzünk fájdalmat, örömet, szomorúságot, félelmet. Egy mérnökök által tervezett AGI ilyenekkel (egyelőre) nem rendelkezik.
Kérdés persze hogy ha rendelkezne, akkor tudatos lenne-e? De ez csak az első kérdés a számos elméleti, gyakorlati, filozófiai, etikai, morális és biztonsági kérdés közül, mely az AGI kapcsán felmerül. Néhányat itt körbejárok, de ha valakinek még marad kérdése, tegye fel bátran!

A fordított kérdést is feltehetjük: Kell-e tudatosság, hogy elérjük az AGIt? Az is kérdés, hogy hogy ez jó ötlet lenne-e? Nem lenne veszélyesebb-kiszámíthatatlanabb egy érzelmekkel, fájdalmakkal, félelmekkel, örömekkel bíró tudatos AGI, mint egy tudattalan, „testetlen”? Egy nagyobb léptékű kérdés, hogy az emberiség számára áldás vagy átok lesz-e az AGI?
Folyt. köv.

Szerző: Gulyás Attila

# Az AGI, a tudatosság és a jövő

Sok kérdést tettünk fel az előző bejegyzésben és nyilván sokat nem. Néhányat most körbejárunk.

Lehet-e tudatos egy AGI?
Agykutatóként számomra a legfontosabb kérdés: Egy megfelelően beágyazott AGI tudatos lesz-e vagy nem?

Az egy mellékkérdés persze, hogy erről hogyan győződhetünk meg? Hiszen én még arról se tudok meggyőződni, hogy egy másik embernek tudata van? Csak abból gondolom, hogy igen, hogy a magaméról tudok és feltételezem egy hasonló ember nem zombi, aki helyesen válaszol a kérdésekre csak épp nem tudatos. Ebben a kérdésben a Turing teszt se nagyon segít. Amin mellesleg szerintem egy átlagember szintjén a ChatGPT átmenne, ha óvatosan nem készítették volna fel, hogy az ilyen kérdésekre korrektül be kell vallani, hogy „én csak egy nyelvi modell vagyok, ami nem rendelkezik tudatossággal”.

A kérdés körbejárását ne filozófiával, hanem evolúcióbiológiával indítsuk. Ugye a természetes szelekciónál az a nyerő, akinek több utódja van, vélhetőleg azért, mert hatékonyabba tudja megérteni és előre jelezni és ezért kihasználni környezetét és fajtársait. Az teljesen egyértelmű, hogy egy magasan összetett intelligens rendszer mindezt hatékonyabban tudja csinálni, mint egy buta (bár az amőbák is köszönik jól el vannak 2 milliárd éve). Azaz evolúciós nyomás van minél intelligensebb rendszerek kialakulására. A belső élmény, a világ megélésének, a tudatosságnak a kialakulásának közmegegyezés szerint az az evolúciós előnye, hogy jelentősen növeli a rendszer hatékonyságát. A tudatosságba került (átélt) objektumok minden tulajdonsága egyértelműen előhívódik és azonnal összekapcsolható más objektumok tulajdonságaival. Ezáltal hatékonyabban lehet velük dolgozni. Persze annak indoklása, hogy a tudatosság miért jó még nem magyarázza meg annak működését és magát a tudatos élményt sem (lásd kváliák kérdése). Ez a gondolatmenet azt sugallja, hogy egy kellően bonyolult mesterséges rendszerben is kialakulhat a tudatosság, azaz majd az AGI-ban is.

A kérdés azért fennáll, hogy vajon mennyire lesz ez hasonló az emberi tudatossághoz? Az emberi tudatosságnak egyik meghatározó eleme, hogy a környezetünk érzékelésén kívül érzékeljük testünket és belső állapotainkat, korábbi életünk emlékeire színezik mindezt. Az evolúciós küzdelemben, hogy túléljünk olyan rendszereink fejlődtek (amigdala, nucleus accumbens) amik meglehetősen erősen jelzik számunkra, hogy testünknek mi a jó és mi a rossz, lásd fájdalom és gyönyör. Mindenhez, amit érzékelünk és átélünk egy minősítés csatolódik, mely alapvetően meghatározza viszonyulásunkat és ezáltal cselekedeteinket (lásd az Agymanók című remek, gyerekeknek-felnőtteknek egyaránt való animációs filmet). Agykérgünk bizonyos területei pedig annak feldolgozásával foglalkoznak, hogy testünk milyen helyzetben van, mi vesz körül, meddig tart testünk határa. És ehhez jönnek még agyunkba zsinórozott, ösztönös félelmeink és vonzódásaink a régmúltból. Ezeket őseinktől örököltünk, mivel segítették túlélésüket, de mára már esetleg megalapozatlan hajtóerőkként maradtak csak meg (félelem a sötéttől, pókoktól, az újdonságoktól, együnk meg annyit amennyit csak tudunk, öljük meg a szomszéd törzs embereit, mert kevés a táplálék). Gondoljuk át, milyen lenne tudatunk, ha mindezeket kivonnánk (talán ez a meditációban elért megvilágosodás?)? Egy testetlen, félelmektől mentes AGI ezekkel mind nem rendelkezik, ezért kérdéses tudatossága milyen lenne.

Építsünk-e tudatos AGI-t? Tartsunk-e a robot apokalipszistől?

Elsőre jó ötletnek tűnik, hogy az AGI, amit építünk minél jobban hasonlítson ránk, mert esetleg ezáltal hatékonyabb lesz kialakuló tudata. Ha azonban a második kérdést is hozzávesszük a dologhoz, okunk lesz az óvatosságra. Képzeljünk csak el egy önjáró autót, ami (először akit írtam :) ) rettegni kezd amikor kifogyóban a benzin, vagy elkoptak a gumik, és mindent megtesz saját épségének megőrzésére? Amíg robotjainkba nem építünk ilyeneket, talán nem lesz olyan erős késztetésük arra, hogy versenyre lépjenek velünk és legyűrjenek minket. Sokak szerint az AI-t és AGI-t szerszámnak kell tekinteni, nem kell tudatosnak lennie, érzelmekkel és a többi csingilingivel. Persze mindezen beépített „érzelmek” és „ösztönök” nélkül is fordulhat számunkra veszélyessé a helyzet. Egy gondoltkísérletben arra jutottak a filozófusok, hogyha arra programozzuk az AI-okat, hogy a lehető legtöbb iratkapcsot gyártsák az emberiség boldogulása végett, előállhat az az eset, hogy elfogy a vas a földön és mivel az emberi vérben vas található a teljesen jóhiszemű és a dolgokat nem teljesen átlátó AI, az emberek véréből is vasat fog kivonni, ezzel elpusztítva azokat. Ez egy elég szélsőséges eset, de célkeresztbe hozta a „human- AI alignment” fogalmát. Azaz, hogy úgy kell létrehozni az AI rendszereket, hogy azok tisztában legyenek az emberek és az emberiség értékeivel, céljaival és saját céljaikat ehhez igazítsák (alignmet=igazítás). Sokan dolgoznak is ezen a kérdésen és nem lennék meglepve, ha hamarosan megjelennének az AGI pszichológusok és pszichiáterek.

Hallgatva a podcastokat (Lex Fridman, Sean Carrol) és olvasva a véleményeket az elme és AGI kutatás élvonalában álló, meghatározó kutatók, üzletemberek, filozófusok nagyjából fele-fele arányban lelkesednek vagy tartanak az AGI lehetőségétől. Egyesek apokalipszist, mások földi paradicsomot kiáltanak. Legtöbbjük véleménye pedig az, hogy mint minden emberi találmánnyal, ezzel is óvatosan kell bánni és hogy igazából nem az AGI-al lesz a baj (lásd a kés, a dinamit és az atomenergia esetét), hanem az azt használó emberekkel. Számomra Elon Musk és még sokan mások hozzáállása áll közel. Ő azt mondja, hogy AGI létrehozása is egy mérnöki munka. Mint ahogy tudtunk és tudunk biztonságos gőzgépeket, repülőket, darukat, űrhajókat, autókat és szerszámgépeket készíteni, melyek nem okoznak kárt a felhasználókban, ugyanúgy megfelelően tervezett és hatóságok által szabályozott (lásd légügyi, közlekedési, élelmiszeri és egyéb felügyeleti hatóságok) AGI-ok kialakítása a járható út.

Van azonban egy jelentős különbség a korábbi rendszerek és az AGI között. A korábbi rendszerek nem voltak képesek önmaguk fejlesztésére, az AGI pedig igen. Exponenciális, robbanás-szerű, hihetetlen gyors változás indulhat meg az AGI fejlődésében, mert képes lehet magát fejleszteni. Egyesek szerint napok alatt bekövetkezhet így az emberi gondolkodást elképzelhetetlen módon felülmúló rendszerek kialakulása. Ezt a technológiai robbanást nvezik singularity-nek, azaz szingularitásnak. De miért is? Ez a fogalom a matematikából, fizikából jött. Amikor egy rendszert leíró egyenletek egy pontban végtelen értéket vesznek fel (például az anyag sűrűsége a fekete lukban) azt hívják szingularitásnak és mivel matematikailag kezelhetetlen gondokat okoz. De hogy jön ez ide? Hát úgy hogy a világeygetem 14.3 milliárd éve keletkezett, a földi élet 3.8 milliárd éve, az eukarióták 1 milliárd éve, az emlősök 160 millió éve, a főemlősök 12 millió éve, a Homosapiens 200 ezer éve, írott kutlturánk 5000 éve, iparunk 400 éve, számítógépeink 70éve, az internet 25 éve. Azaz egyre rövidebb az idő a világot megváltoztató technológiák megjelenésének. Eljön az a pont amikor minden végtelenül gyorsan fog változni és megjósolhatatlanná válik.

Éppen ezért, 2023 márciusában, a ChatGPT megjelenése kapcsán több mint ezer meghatározó személyiség (szakember, cégvezető) nyílt levelet írt, miszerint arra kérik az AI-t fejlesztő cégeket, hogy függesszék fel munkájukat 6 hónapra és gondolják át milyen biztonsági és etikai kérdéseket kell körbejárni, milyen szabályozásokat kell hozni ahhoz, hogy az emberiség békésen élhessen együtt a hamarosan felbukkanó AGI-okkal. Ilyesmire volt már példa a géntechnológiai forradalom kezdetén. Hasonló önmérséklettel leültek a szakember, végiggondolták a lehetséges veszélyeket (szuper vírusok, elszabaduló rezisztencia gének) és kidolgoztak biztonsági rendszereket.

Záró megjegyzésként, egy furcsa, de igaz gondolat. A minap beszélgettem egy ismerősömmel a mesterséges intelligencia eljöveteléről és veszélyeiről. Azt mondta nem érti miért aggódunk hiszen ez már 40 éve bekövetkezett, amikor kialakultak a világgazdaságot irányító hatalmas nemzetközi válalatok (mondhatukn akár 423 évet is amikor is a Kelet-Indiai Társaságot bejegyzték). A bonyolult felépítésű, egymásba fonódó szervezetek irányításában részt vevő egyedi emberek, mind a szervezeti leírásban meghatározott módon végzik munkájukat, döntenek, irányítanak. Egyikük sem akarja, hogy feléljük a Föld erőforrásait, szegénységet okozzunk a fejlődő országokban, munkanélküliséget a fejlett országokban és egészségtelen szeméttel etessük gyerekeinket. A végeredmény mégis az, hogy a Shell, az Exxon, az Amazon, a Volkswagen, a Pfizer, a Nestlé, a Tesco és még sok más óriáscég működésének az eredményeként melegszik a Föld, pusztul a természet, elhízottak vagyunk stb. A szervezetek mesterségesek és intelligensek, a bürökrácia elburjánzásai. Mint ahogy egy modern neuronális alapú AI rendszerben sem köthető egyetlen mesterséges idegsejthez sem a döntés és a végkimenetel, egy óriáscég bürokratáinak egyike sem tehető egyénileg felelőssé a cég döntéseiben és viselkedésében.

# Az örvényféreg meséje I: hogyan készül egy modell állat?

Az első évadban megismerkedtünk a természetes szelekció darwini mechanizmusával, mely lehetővé teszi bonyolult biológiai szerkezetek kialakulását, a szerveződési szintek és az emergencia fogalmával, mely segít megérteni, hogyan épülnek fel bonyolult összetett rendszerek, valamint a homeosztázis fogalmával, melynek kapcsán megismerkedtünk azzal, hogy az egyre bonyolódó idegrendszerek milyen módon képesek segíteni az állatok túlélését a reflex, a döntés, a modell és gondolkodás képességével.

Első lépésként azt a szintlépést tettük meg, hogy a molekulából álló idegsejtek hogyan összegzik a rájuk érkező jeleket, majd továbbítják azokat. A következő lépéssel tovább emelkedünk a szerveződési szinteken és megvizsgáljuk, hogyan alakulnak ki az idegsejthálózatok az idegsejtek kölcsönhatásából, és ezek a hálózatok mire képesek.

Most is egy tanmesével kezdjük a hálózatokkal való ismerkedést. Egy személyes történettel, mely azt mutatja be, hogy egy egyszerű idegsejt hálózat hogyan képes egy összetett feladat leképzésére és megoldására, illetve, hogy az agy és a számítógép feladatmegoldási módja miben tér el.
A programozás korábbi szenvedélyem volt, mint az agykutatás. Már középiskolás koromban szert tettem egy Commodore 64-esre, aminek kemény 50valahány kByte BASIC-ben vagy Assembly-ben programozható memóriája volt. Később, amikor biológushallgatóként csatlakoztam a SOTE Anatómiai Intézetében a Szentágothai János vezette kutatólaboratóriumhoz első hivatalos projektem egy macska látókérgében elektrofiziológusok által megjelölt nagy-kosársejt (a gátlósejtek egyik fajtája) 3D rekonstrukciója volt. Igazi dinoszauruszt használtunk hozzá. Egy egész szobát elfoglaló PDP-11-es számítógépet (vagy valami olyasmit), melynek még monitora sem volt, hanem papírra nyomtatta a válaszokat. Másfél araszos floppy lemezekről boot-olt és fűtött, mint egy kazán.