Drámai képek a memória kialakulásáról

Amerikai kutatók új technológiával felvételeket készítettek agysejtekről, amint rövid és hosszú távú kapcsolatok alakulnak ki közöttük.

A University of California (San Diego, USA) kutatóinak drámai felvételein első ízben vehetők szemügyre azok a szerkezeti változások, amelyek - amint azt számos kutató régóta állítja - a memória kialakulásakor zajlanak az idegsejtekben, illetve az idegsejtek között.

A kutatók a Cell c. szaklap 2001. november 30-ai számában közölték eredményeiket, az idegrendszer kutatóinak "Szent Grálját" emlegetve (Remodeling of Synaptic Actin Induced by Photoconductive Stimulation; Michael A. Colicos, Boyce E. Collins, Michael J. Sailor, and Yukiko Goda). A szakterületen dolgozó tudósok ugyanis régóta vágyakoznak arra, hogy konkrét bizonyíték segítségével láthassák: hogyan változnak meg az idegsejt-kapcsolatok átmenetileg vagy tartósan a tapasztalataink hatására. Eddig azonban nem sikerült mindezt megnyugtatóan és közvetlenül észlelni.

Impulzus hatására aktinszintézist mutató idegsejt (fotó: University of California, San Diego, USA)

Az emlékezet kialakulása, tárolása és előhívása az agy egyik legbonyolultabb működési folyamata, amely egyelőre kevéssé ismert a kutatók számára. A legelfogadottabb elméletek szerint még a legegyszerűbb ingereket (információkat) sem egyes agysejtek, hanem komplex idegsejt-csoportok dolgozzák fel. Ugyanazt az információt különböző idegsejt-csoportok is feldolgozhatják. Az az idegsejt-csoport, amely többször jön ingerületbe, fizikailag is megváltozik: erősödnek az egyes agysejtek közötti kapcsolatok (idegen szóval szinapszisok), illetve megnő a kapcsolatok száma. Az információ ebben a megváltozott szerkezetben tárolódik. Minden bizonnyal az idegsejteken belüli kémiai változások (pl. fehérjék szerkezetének megváltozása) is szerepet játszik a memória rögzülésében.

Egyetlen köbcentiméternyi idegszövetben azonban akár egymilliárd (!) szinapszis is lehet, így a statisztikus összehasonlító vizsgálatok alapján lehetetlenség biztosan megmondani, hogyan változott a szinapszis-sűrűség, s adott esetben valóban nőtt-e az idegsejtek közötti kapcsolatok száma.

Az UCSD kutatói ezért az egyedi idegsejtekre összpontosították vizsgálataikat. A sejtek az agy hippocampus nevű, bizonyos típusú memóriák kialakulásában nagy szerepet játszó területéről származtak. A kutatók filmre vették azokat a folyamatokat, amelyek során - elektromos impulzusok hatására - az idegsejtek új kapcsolatokat alakítottak ki.

A vizsgálatok során két új eljárást alkalmaztak. Egyrészt láthatóvá tették az idegsejtek citoplazmájában lévő, összehúzódásra képes fehérjeszálakat, az ún. aktin-molekulákat, amelyek nagy szerepet játszanak az idegsejt alakváltozásaiban, amikor az új kapcsolatot hoz létre. Másrészt elektródák nélkül - vagyis az idegsejtek épségét nem veszélyeztetve -, szilikon-chipek segítségével végrehajtott rövid, nagyfrekvenciás elektromos impulzussal ingerelték az idegsejteket.

Az impulzus hatására az ingerelt idegsejtben lévő aktin aktiválódott, s átmenetileg a környező idegsejtek irányába mozgott. Ugyanakkor ezekben a sejtekben az aktin elhúzódó mozgást végzett. E szerkezeti változások, illetve az ezzel párhuzamosan kialakuló szinapszisok átmeneti jellegűek voltak: 3-5 percig léteztek, s 10 percen belül megszűntek. Hosszú távú alakváltozások akkor következtek be, amikor egy órán belül legalább négyszer ingerelték az adott idegsejteket. Ezek lesznek azok a szinapszisok, amelyek végül is felhasadnak, s két szinapszis formálódik belőlük - olyan új kapcsolat, amely talán az egész élet során megmarad, amikor ez a folyamat a működő agyban történik.

Tudományos háttér: rövid összefoglaló a memória típusairól, kialakulásának és előhívásának elméleteiről

Az agyi memória sajátosságai - memóriaközpontok

A memória kialakulását sokáig úgy képzelték el, hogy az emlékek valamilyen konkrét fizikai nyomot hagynak az agysejtekben, vagyis például a hang- és videofelvételek rögzítéséhez hasonlóan. Később azt gondolták, hogy a memória tárolása az agyban a számítógépekhez hasonló módon történik. Ez azonban nem így van. Tételezzük fel, hogy a komputerhez hasonlóan az agy is előbb elemekre bontja az információt, majd eltárolja valahová. Ha minden egyes idegsejt egy-egy elemet rögzítene, akkor - a több 10 milliárdos sejtszám ellenére - néhány óra alatt betelne a tár, pusztán a szemünk által észlelt vizuális információk alapján. Pedig közben sok másféle inger - szag, hang, tapintás stb. - is ér bennünket, nem is beszélve arról, hogy sok agysejtnek eleve van valamilyen konkrét, más faladata (pl. az érző- vagy mozgató-működésekben). Egy másik fontos megjegyzés: a számítógépnek mindegy, hogy az igen-nem jelekből szöveg, kép vagy ábra áll össze. Az agy azonban összefüggésekben tárolja az információt: egy-egy emlék felidézésekor más dolgok is eszünkbe jutnak: egy nyári fénykép nézegetésekor pl. hangok, illatok, érzések is "beugranak". Az agy sokkal inkább a dolgok tartalmát rögzíti - egy betű különböző megjelenési formái nem akadályoznak meg minket abban, hogy felismerjük. Ugyankkor gondoljunk csak arra, mennyit szenvedünk, ha nincs megfelelő fontkészlet a gépünkön egy adott munkához.

Ha mindenképpen valamilyen technikai dologhoz szeretnénk hasonlítani az agyi memóriát, akkor a hologram lehetne a legjobb példa. A hologram ugyanis nem a kép egyes pontjait rögzíti, hanem a tárgyat körbejáró és letapogató lézerfény nyomait. A hologram egy-egy pontja egyszerre tartozik a kép sok pontjához, illetve egy-egy képpontot is sok hologrampont alkot egyidejűleg. Így ha információ vész el a hologramból, nem tűnik el a kép egy része, csak az egész életlenebb, pontatlanabb lesz - ellentétben egy fénykép kettétépésével, vagy egy diszk részbeni letörlésével. Hasonlóan működhet az agy is. Ritka dolog, hogy egyáltalán nem emlékszünk valamilyen korábban rögzített információra, legtöbbször legalább dereng valami (az "itt van a nyelvemen" érzése). A számítógép azonban vagy emlékszik valamire, vagy egyáltalán nem (vagy megvan az adott információ, vagy nincs meg).

Összegezve tehát: a hologram működéséhez hasonlóan az egyes emléknyomok egyszerre több idegsejt-csoportban rögzülhetnek egyidejűleg, illetve egyes idegsejt-csoportok működése különböző emléknyomokkal lehet kapcsolatban. Amikor az agy emlékezik, nem kikeresi egy tárból az információ elemeit, hanem újra felépíti azt a tárolt tulajdonságokból.

Vannak-e kitüntetett helyei az agyban az emlékezet központjainak? Sokak szerint ez a halántéklebenyhez, illetve a hippocampus nevű régióhoz köthető. Valószínű azonban, hogy ezek a területek inkább csak a memória formálását és a visszakeresést végzik, mivel nagyon dinamikusan változhatnak bennük az idegsejtek kapcsolatai (szakszóval igen plasztikusak). Inkább úgy festhet a dolog, hogy mivel minden agysejt képes megőrizni az őt ért hatásokat, az egész agy felelhet a memória kialakulásáért.

A memória típusai

Először is le kell szögezni, hogy az agy állandóan válogat a beérkező információk között, s a lényegteleneket nem tárolja el. Egy bevásárlóközpontban például arcok ezreivel találkozhatunk rövid idő alatt - gondoljuk csak el, milyen rossz lenne, ha mindegyiket megjegyeznénk.

Ha gyorsan kell megjegyeznünk valamit - a klasszikus példa egy először hallott telefonszám, amit vissza kell hívni - az úgynevezett "eldobható" memória működik. A legtöbben gond nélkül tárcsázzák a számot, de pár perc múlva már nem emlékszünk rá. Az eldobható memória "tárolója" folyamatosan és menthetetlenül telik, s folyamatosan ürítjük is. Ebben az elméletek szerint nagyon fontos az álomalvás szerepe, amelynek során az agy kiszelektálja a napközben ki nem ürített, lényegtelen információkat. Ugyanakkor meg kell jegyezni, hogy ez a törlés nem mindig végleges: az elveszettnek hitt információk közül sok megmarad "valahol", amit aztán pl. a pszichoanalitika módszereivel lehet felidézni.

Amikor egy információ fontossá válik, akkor kerül át a rövid távú memóriába, ahol órákig, esetleg napokig maradhat meg. Innét vezet az út a tartós, hosszú távú memória felé, amely a gyermekkori emlékek, bevésett ismeretek, nagyon sokszor ismétlődő élmények tárolója. Érdekes, hogy minél régebben rögzített valamit, annál erősebben őrzi (lásd az egyébként sok esetben szenilis öregek visszaemlékezéseit).

A memória és az idegsejtek

Hogyan rögzül az emlékezet az idegsejtekben? A kutatók ma még nem tudnak egyértelműen válaszolni a kérdésre, de a rövid és hosszú távú memória rögzülését különböző módon képzelik el.

A rövid távú memória olyan elektromos mintázatokként írható le, amely egy ideiglenes "áramkört" jelent az idegsejtek között. Ezek a sejtek zárt kört alkotnak az agykéregben, ahol az ingerület (elektromos jel) 8-10 idegsejten való áthaladás után visszatér a kiindulási helyre, s ismét ingerelni tudja az első idegsejtet. Bár a jel közben gyengült, a sejtek érzékenyebbé vált, így valósulhat meg az ismétlés. Megerősítés hiányában egy idő után mégis elhal a folyamat, de nem múlik el nyom nélkül: legközelebb ezt az "áramkört" már könnyebben és hosszabb ideig lehet aktiválni. Az agykutatók ezt a jelenséget nevezik "hosszú távú megerősítésnek" (long-term potentiation, LTP). A szakszerű meghatározás szerint: a szinapszis (idegsejt kapcsolat) hatékonyságának a pre- és a posztszinaptikus sejt (a két kapcsolódó idegsejt) aktivitásából adódó, hosszú távú növekedése.

A hosszú távú memória kialakulása a legbonyolultabb és éppen ezért legkevésbé ismert jelenség. Alapvetően két folyamat működhet, amikor egy információ a rövid távú memóriából a hosszú távú memóriába kerül. Egyrészt olyan kémiai változások következhetnek be az idegsejtekben, amelyek a megváltozott vagy újonnan felépített molekulák szerkezetében tárolják az információt. Az emlékezés kémiájáról már sok minden kiderült - pl. az emlékezet-javító hormonok hatásai - de ezt ebben a cikkben nem célunk tárgyalni. Másrészt új idegsejt kapcsolatok (szinapszisok) alakulnak ki, s az így létrejött új mintázatban tárolódhat az információ.

Egy korábbi eredmény: új szinapszisok

Mint arról korábban beszámoltunk, már olasz tudósok is készítettek olyan felvételeket, amelyek láttatni engedik, mi történik az agyban a hosszú távú memória kialakulása során. 1999 novemberében a Genova Egyetem tudósai arról számoltak be a Nature-ben, hogy elektronmikroszkóp segítségével új idegsejt kapcsolatok létrejöttét fényképeztek le patkányok agyában. Véleményük szerint e változások a hosszú távú memória rögzülésével lehetnek kapcsolatban. A 3 dimenziós felvételeken megfigyelhették, hogy egyes idegsejt-kapcsolatok megduplázódtak akkor, amikor a memória rögzülését feltételezték az ingerelt állat agyában.

Régóta ismeretes tény, hogy az ingerszegény környezetben nevelt patkányok agyának idegsejthálózata jóval gyérebb, mint a fokozott ingereknek kitett fajtársaiké. Eddig azonban soha nem láthatták, milyen idegsejtváltozások állnak a dolog hátterében. A megfigyelést az is nehezítette, hogy egy-egy idegsejt átlagosan több tízezer mások idegsejttel áll szinaptikus kapcsolatban, de a memória kialakulásakor ezeknek csak egy kis része esik át változáson.

A szomszédja által gyakran ingerelt idegsejt szinapszisai fizikai változásokon mennek keresztül. Néhány órával az ingerlés után felszínük megváltozik, s az eredeti egy helyett két kapcsolódási pontot alakít ki más idegsejtekkel. Ez lehet azoknak a változásoknak az alapja, amelyek egyrészt az LTP megerősítéséhez, másrészt a hosszú távú memória kialakulásához vezetnek.

S. T.

A szövegben szereplő információk egy része dr. Bánki M. Csaba: Az agy évtizedében c. könyve alapján készült (Biográf, 1994).

Ajánlat:

PICTURES REVEAL HOW NERVE CELLS FORM CONNECTIONS TO STORE SHORT- AND LONG-TERM MEMORIES IN BRAIN
http://ucsdnews.ucsd.edu/newsrel/science/mccell.htm
Angol nyelvű sajtóanyag és a videofelvételek a University of California (San Diego, USA) oldalain.

A memorizálás folyamatának megértése
Pro Patiente.

Memory, Aging, and the Brain
Emlékezet, öregedés, agyműködés.

Tanulás és memória