Tangózó neuronok segítik a tájékozódást az agyban

Az agy egyfajta előrejelző készülék, mely jóslási képessége az általa folytonosan keltett különféle ritmusokból adódik

Tudósok egy csoportja a gamma-oszcilláció újabb funkcióját fedezte fel a neurális kódolásban. Sikerült bizonyítaniuk, hogy agyunk idegsejtjei erre a ritmusra hangolódva kódolják a teret és navigálnak minket. Ez megerősíti azt a feltevést, miszerint a gyors ritmus a szükséges előfeltétele minden magasabb rendű agyi funkciónak. Az eredményhez Nádasdy Zoltánt és kutatótársait a fáziskódolás elmélete segítette.

Minden állat navigál a térben, sőt mi, emberek a navigációt tökélyre fejlesztettük, és technológiánk egy jelentős részét is ennek szolgálatába állítottuk. Valóságos, virtuális és információs terekben navigálunk egyvégtében, és bár gyakran elveszítjük azt a bizonyos „fonalat", agyunkban neuronok ezrei biztosítják, hogy mégis elérjük úticélunkat, majd visszataláljunk a kiindulópontunkra.

A kutatók egy ideje tudják, hogy a bennünket körülvevő teret agyunk idegsejtjei kódolják, és a jelekből a mediális temporális lebeny (a hippokampusz és az entorhinális kéreg közösen) megalkotja a környezet neurális modelljét.

A modellben a sejtek úgy jelzik aktuális koordinátáinkat, mint az a bizonyos kék pont a Google térképen. De hogy ez miként történik, az továbbra is élénk vita tárgya.

Egy nemzetközi kutatócsoport nemrég közelebb került a kérdés megválaszolásához. Rágcsálókon végzett nagyszámú kísérlet bizonyította be, hogy téri pozíciónkat a hippokampusz sajátos neuronjai, az ún. helysejtek kisülése jelzi. Ezek a sejtek azt a helyet képviselik, amelyen a mozgásban lévő személy éppen áthalad. A kisülések sorozatából rekonstruálni tudja agyunk az útvonalat, amelyet a személy megtesz. Ehhez egy koordinátarendszert alkalmaz, amelyet a kutatók 2005-ben meg is találtak a hippokampusszal szomszédos entorhinális kéregben.

Rágcsálókon végzett nagyszámú kísérlet bizonyította be, hogy téri pozíciónkat a hippokampusz sajátos neuronjai, az ún. helysejtek kisülése jelzi Forrás: Pinterest

A tudóscsoport ezt a területet kezdte el vizsgálni. Epilepsziás betegek temporalis lebenyébe több tucat elektródát ültettek be, köztük olyan mikroelektródákat is, amelyek lehetővé tették egyedi neuronok aktivitásának követését. A betegek tablettal a kezükben számítógépes játékokat játszottak, ily módon a virtuális környezetben hajtottak végre tájékozódási feladatokat – mindezt elektródákkal az agyukban. Erre azért volt szükség, mert ágyhoz kötött embereknek nehéz mozgást igénylő feladatot adni, mentálisan azonban ők éppen annyira terhelhetők.

Az eljárással a kutatók az epilepsziás rohamok helyének meghatározása mellett a betegek téri navigációját és emlékezetét is tesztelni tudták oly módon, hogy közben a klinikai adatok rögzítése egy pillanatra sem szünetelt.

A kísérletek célpontjai az entorhinális kéregben található sajátos neuronok, az ún. grid- vagy rácssejtek voltak. A rácssejtek arról ismertek, hogy a térnek periodikusan ismétlődő rácspontjaiban tüzelnek. A betegek játékát figyelve a kutatók azt is látták, hogy ezek a sejtek nemcsak a tér meghatározott pontján, de meghatározott időben is tüzelnek. Hogyan lehetséges ez? Hogyan engedelmeskedhet egy sejt egyszerre mindkét szabálynak? A kutatók megint csak a régi kérdéssel találták szemben magukat: mi teremti meg a neuronok közti összhangot?

Neuronok az agyban Forrás: Patrick Hoesly/Flickr

Amikor a számítógépes játékban az avatár szisztematikusan halad egy vonal mentén, gondolták a kutatók, akkor a tüzelések helye és ideje összhangba kerülhet oly módon, hogy térben és időben is periodikus mintázatot képez. Amikor azonban az avatár össze-vissza mozog, akkor az idői és a téri periodicitás konfliktusba kerül. Kivéve, ha mindkettőt egy közös agyi ritmus tartja összhangban, és ez a ritmus elég gyors ahhoz hogy egy periódusa alatt a téri pozíció nem sokat változik.

Egyetlen ilyen folyamatos és gyors ritmusa van az agynak, a gamma oszcilláció.

Nádasdy Zoltán, a kutatásról beszámoló cikk első szerzője már korábban felvetette, hogy az idegtestek közötti információcsere nem véletlenszerű időpontokban történhet, mint ahogy azt korábban vélték: az agyban a sejtek tüzelési mintázatát – vagyis az akciós potenciálok idejét és helyét – egy ritmus, a gamma oszcilláció szabályozhatja. Megalkotta a fáziskódolás izgalmas elméletét, amely a gamma frekvenciájának rögzítése után pontos becslést ad a gamma terjedésére és sebességére, megjósolja a gamma fázis késését az agykérgen belül vagy az agy távoli részei között, továbbá az oszcillációk terjedéséből következő hálózati tulajdonságokat is jelzi. Amikor ezek az oszcillációk természetellenesek, a viselkedés megváltozik, ez történik epilepsziás rohamokban is – a kutatók ezért is kezdtek epilepsziás betegeket vizsgálni.

A vizsgálat során az ELTE PPK tudományos főmunkatársa austini kollégáival azt is látta, hogy a kisülések fázisa a gamma ritmushoz képest bizonyos téri pontok környezetében konstans, majd attól eltávolodva szisztematikusan változik, és bizonyos távolságra megint állandó lesz. Ebből a ritmusból pedig egy idő múltán létrejön egy környezetspecifikus térkép.

Neuronok tangózása Forrás: ELTE

A fönti ábrán a színes foltok a fázisokat és azok téri összefüggését mutatják. A térnek azok a pontjai, ahol a sejtek egy bizonyos fázisban tüzelnek (a képen a fekete síkon azonos színnel jelölve), hasonló mintát mutatnak, mint a rácssejtek tüzelése. Azonban, míg ez utóbbi a tüzelés gyakoriságának változását ragadja meg, az előbbi a tüzelés fázisát. Ezek a sejtek tehát oly módon koordinálják tüzelésüket a gamma oszcillációkkal időben is és térben is, mintha szigorúan koreografált tánclépéseket tennének.

A jelenséget leginkább a tangóhoz lehet hasonlítani, ahol a tánclépések ugyan kötöttek, de a vezető szabadon vezeti partnerét a táncparkett egész területén.

Ha a neuronok így kódolják a teret, akkor a kisülés fázisából megjósolható az avatár pozíciója, feltételezték a kutatók. Ez így is történt. A téri pozíciót plusz-mínusz 1 virtuális méter precizitással jelezni tudták előre a fázisból – ez pedig pontosabb, mint a helysejtek és rácssejtek alapján történő pozíciódekódolás. És ha ez a kód ilyen jól olvasható számunkra, akkor nagy valószínűséggel a neuronok is olvassák.

Ilyen gyors és precíz fáziskoordinációt, mint amit most demonstráltunk, téri feladatban még nem figyeltek meg

– mondja Nádasdy Zoltán. – Nekünk ez azért sikerült, mert kidolgoztuk, miként lehet a tüzelési fázist 2-dimenzióban kiszámítani és ábrázolni az avatár mozgásából." Az áttörő megfigyelés nemcsak a fáziskódolás elvét támasztja alá, de választ ad arra kérdésre is, mi a kód kiolvasásának időalapja. Ez pedig nem más, mint a gamma ritmus. Amennyiben ez így van, akkor a kutatók a gamma ritmus egy újabb funkcióját fedezték fel a neurális kódolásban.

A felfedezés nemcsak magyarázatot ad arra, hogyan kódolja a teret agyunk, de közelebb vihet az agyi zavarok gyógyításához is. A gamma ritmus az ízeltlábúaktól a gerincesekig, a rovaroktól a főemlősökig mindenhol megtalálható, így az embernél is. Az evolúció során stabilan minden agytípusban megjelenő ritmusnak minden bizonnyal kulcsszerepe van az idegi információ kódolásában, s ezt várhatóan további kutatások is bizonyítani fogják.