Hogyan dolgozza fel az új információkat az agy?

Ezzel a címmel tartottam egy előadást a BME-n a Kutatók Éjszakája keretein belül 2018 Szeptember 28.-án – alább röviden összefoglalom, hogy miket mondtam.

Először is vegyük az agyműködés talán legfontosabb jelenségét, a reflexet. A Descartes által megfogalmazott reflex koncepció lényege, hogy a fizika törvényeivel leírható kapcsolatot feltételez a viselkedés és az idegrendszer működése között. Tömören szólva az agykutatás célja ezen kapcsolat részletes megismerése. Descartes a részletekben ugyan nem volt pontos – hidraulikus rendszernek tartotta az idegrendszert – de ettől függetlenül kiemelkedően fontos mozzanat, hogy a viselkedés okozatát a fizikai világba emelte, a lélek és hasonló misztikus koncepciók nélkül magyarázta (legalábbis egy részét). A későbbiekben kiderült, hogy az idegrendszer működése elektromos jelek létrehozásán alapul. Az idegsejtek elektromos jelet hoznak létre, ami egyikről a másikra terjedhet, így például egy fájdalomérző sejtben a magas hőmérséklet hatására kialakuló szignál átadódik egy izmot beidegző neuronnak, ez egy izomsejtnek adja tovább a jelet, ennek hatására pedig az izomrost összehúzódik – kész is a védekező reflex.

Elméletileg két darab idegsejttel már magyarázható, hogyan vált ki valamilyen környezeti inger mozgást egy élőlényből, innen pedig egy hatalmas ugrással eljuthatunk oda, hogy valami módon 86 milliárd idegsejtből pedig olyan hálózat építhető, ami önmaga működésén töpreng, ha van erre ideje egyéb elfoglaltságai mellett. Azt is mondhatjuk, hogy ez a hálózat, az idegrendszer, információt dolgoz fel,  például a retinára becsapodó fotonokban rejlő információt elektromos jellé alakítja. Az alkar simítását a megfelelő receptorok jelzik és a jel eljut sok-sok idegsejthez, aminek eredményeképp érzékeljük a simítást (hogy az idegsejtek jelzéseiből hogyan következik a tudatos élmény, azt egyelőre senki sem tudja). Az alkar simításakor aktiválódó idegsejtek egy csoportjáról azt is mondhatjuk, hogy ezek az alkar simítás neurális reprezentációját hozzák létre, vagyis a simításban rejlő információt neurális aktivitás formájában tárolják. Az ilyen neurális reprezentációk tehát megfeleltethetők valamilyen mentális reprezentációnak, az inger által kiváltott idegrendszeri aktivitás az inger szubjektív megtapasztalásának. A reprezentációk az őket alkotó idegsejtek kapcsolatainak megváltozása révén meg is őrződhetnek az idegrendszerben, így fel tudjuk idézni, vagy el tudjuk képzelni milyen megtapasztalni egy adott ingert. Az életünk során felhalmozott reprezentációk tehát a tudásunknak, emlékezetünknek felelnek meg.

Képtalálat a következőre: „skin to somatosensory cortex”
A bőrben lévő receptorok jelei eljutnak egészen az agykéregbe, ami valamiképp tudatos élményt eredményez.

Ezekre a megfontolásokra alapozva a ’90-es években megjelent egy tudományos feltevés, az újdonság kódolási hipotézis. Ennek csupán annyi a lényege, hogy mivel az új ingereknek még nincsen reprezentációjuk az agyban, ezért a megtapasztalásukkor létre kell jönnie egynek és így az új reprezentáció kiemelt helyzetben lesz pusztán a frissessége miatt: könnyebben ismerjük fel, vagy hívjuk elő az emlékezetünkből. Az elmélet születését megalapozó eredmények szerint a kísérletben résztvevő személyek egy szótanulási feladatban jobban emlékeztek azokra a szavakra, amik újak voltak számukra. Az elképzelést idővel számos más kísérlet eredménye is támogatni látszott, például agyi képalkotó eljárásokkal fokozott idegrendszeri aktivitást mutattak ki az emlékezeti kódolásban kiemelten fontos agyterületen, új ingerek (képek, szavak) nézése közben. Az állatkísérletes eredmények még meggyőzőbbek voltak: az emlékezethez szintén szükségesnek tartott molekuláris és elektrofiziológiai változásokat mutattak ki, például az új ketrecbe helyezett patkányok agyában.

 

Később azonban az adatok elmezésével kapcsolatos problémák miatt át kellett értékelni az eredeti vizsgálat eredményeit, a további kísérletek pedig ellentmondásos eredményeket hoztak. Az állatkísérletekben elég stabilnak tűnnek az újdonság kódolási hipotézist alátámasztó eredmények, azonban ha az ember jobban szemügyre veszi ezeket a tanulmányokat, akkor észreveheti, hogy nem talán nem is az “újdonság” a legjobb kifejezés azokra az ingerekre, amik kiváltották a korábban is említett neurofiziológiai jelenségeket. Az egyik tanulmányban például a kísérleti patkányokat egy olyan ketrecbe helyezték, amiben véletlenszerű időközönként felvillant egy lámpa fénye. A felvillanásokra fokozódott egy középagyi sejtcsoport neuronjainak aktivitása, ami szintén fontos lehet az emlékezet szempontjából – de hol itt az újdonság? A lámpa fénye végig ugyanolyan volt, csak éppen teljesen véletlenszerűen, szabálytalan időközönként villant fel, szóval a legfontosabb jellemzője talán inkább a váratlanság lehetett.

Elképzelhető, hogy az emberekkel és az állatokkal végzett kísérletek eredményei azért nem klappolnak, mert nem ugyanaz történik a két helyzetben. Az állatkísérletekben az újdonság egy eléggé egyedi és váratlan beavatkozás, például új ketrecbe helyezik, vagy egy új társat vagy tárgyat helyeznek a ketrecükbe – ezek persze új helyzetek, de ugyanakkor váratlanok, meglepőek is: semmi nem jelzi előre ezek bekövetkezését az állatok számára. Az emberek azonban egy monitor előtt ücsörögve képek vagy szavak százait nézik végig, amik ugyan lehetnek számukra újak, azonban a sokadik próba után már semmiképp sem váratlan vagy meglepő ezek megjelenése. Talán a meglepőség eredményezi az élénkebb emlékeket? Erre a következtetésre vezet a prediktív kódolás gondolata is.

Képtalálat a következőre: „psychology experiment computer”
Egy résztvevő éppen képeket nézeget egy kísérletben (imotions.com).

A prediktív kódolás egy információ feldolgozási stratégia, aminek a lényege az, hogy az adott rendszer az adatokban meglévő általánosságok kiemelésével csökkenti ezek feldolgozásának számításigényét. Egy szemléletes példa erre mondjuk a képfájlok tömörítésének egy módszere. A módszer azon a feltevésen alapszik, hogy az egyes képpontok mellett ugyanolyan színű képpontok helyezkednek el, vagyis egy adott képpont jósolja a mellette lévők színét is. A kép megjelenítését végző algoritmus “tisztában van” ezzel a feltevéssel és így csak azokat a képpontokat kell ténylegesen reprezentálni a tömörített képfájlban, amik nem tesznek eleget ennek az elvárásnak. Egyre több eredmény utal arra, hogy valami hasonló zajlik az emberi agyban is, bár feltehetőleg a “pixelek mellett azonos színű pixelek vannak” szabálytól komplikáltabbak alakulnak ki benne, olyanok amelyek az emberi érzékelést teszik hatékonyabbá, a fotók tárolása helyett.

Ezen szabályok összessége alkotja a világról alkotott belső modellt. A belső modell folyamatosan, automatikusan hozza létre azokat az elvárásokat, amikkel tehát hatékonyabb lehet a bejövő információ feldolgozása (csak azzal kell foglalkozni, ami nem felelt meg az elvárásoknak). Az is fontos, hogy ennek a modellnek dinamikusnak kell lennie, vagyis alkalmazkodnia kell az esetleg felmerülő új szabályszerűségekhez – az elvárások megsértése azt jelzi, hogy az elvárásokon, vagyis az ezeket létrehozó modellen javítani kell. Feltehetőleg ennek a belső modellnek egy része megfelel a köznapi értelemben vett emlékezetnek, a modell alkalmazkodása pedig a tanulásnak. Ebben az elméletben tahát a tanulás mozgatórugója az elvárások megsértése, vagyis a meglepetés.

Még egy fontos gondolat a belső modellel kapcsolatban, hogy mivel épp a szabályszerűségek kiemelésével jön létre, nem lehet a végtelenségig bonyolult, vagyis nem térhet ki a normális tapasztalás minden apró részletére. Két érdekes jelenség is támogatja ezt a felvetést: az éber álmok és a képzelet. Ezek a jelenségek a külső ingerektől függetlenül zajlanak, feltehetőleg a belső modellünk, a tudásunk segítségével jönnek létre. Az éber álmok olyan álmok, amikben az álmodó tisztában van vele, hogy álmodik és képes irányítani cselekedeteit. Vannak módszerek, amikkel növelhető az éber álmok bekövetkezésének valószínűsége és a rendszeresen éberen álmodó személyek beszámolói szerint az álmokban képtelenség a környezet finom részleteire fókuszálni (egyébként a Waking Life [Az élet nyomában] című film képi világa is épp ezt a jelenséget igyekszik megragadni).

Képtalálat a következőre: „waking life”

A képzelet limitációit akár most is kipróbálhatjuk magunkon. Képzeljünk el egy tigrist! Most vizsgáljunk meg, hogy miféle kép dereng fel “lelki szemeink” előtt. Milyen a testfelépítése? Milyen színű a bundája? Milyen irányultságúak a csíkjai? A testen és a lábon eltér a csíkok iránya? Ha igen, akkor milyen az átmenet? Milyen a mintázat a fején? Ezen utóbbi kérdések az emberek nagyrészét már zavarba szokták hozni, méghozzá azért, mert nincs ilyen pontos reprezentáció a fejünkben egy tigrisről, a belső modellünk nem képezi le ezeket a finom részleteket. Alább látható egy daliás tigris – ki tudta, hogy a mellső láb külső felén általában alig vannak csíkok?

A lényeg tehát, hogy a belső modell részletessége korlátos, így a korábban említett kísérleti elrendezésekben bemutatott képözön finom részleteire valószínűleg nem tér ki a belső modellünk, így ezek nem lepnek meg és nem is raktározódnak hatékonyabban az emlékezetünkben. Ez a kérdés elsősorban a szakterület számára érdekes, a túlegyszerűsített kísérleti elrendezések és az ezekből származó adatok rendszerezésében lehet fontos. A meglepőség tanulásra gyakorolt hatása viszont gyakorlati szempontból is jelentős: ki lehet valamiképp hassználni ezt a jelenséget például az oktatásban? Valószínűleg igen és a jó pedagógusok pont ezt teszik: felhívják a figyelmet a világról alkotott elképzeléseink hiányosságaira, aztán meglepnek egy magyarázattal.