Mit csinálnak azok a zajongó idegsejtek?

A fiziológusok minden ésszerű kétséget kizáróan már a XIX. században bizonyították, hogy az idegrendszer működése során elektromos jeleket hoz létre. Ezt a tevékenységet azóta elképesztően sokszínű módszerekkel vizsgálják az agykutatók. Alkalmanként sikerül a hatalmas mennyiségű adatban olyan mintázatokat azonosítani, amelyek összefüggésbe hozhatók egy bizonyos kognitív folyamattal, és ilyenkor úgy érezzük, egy lépéssel közelebb kerültünk e bonyolult szerkezet megértéséhez. Az adatok nagyrésze azonban értelmetlen zajnak tűnik, ami folyamatosan emlékeztet a kognitív idegtudomány viszonylagos tudatlanságára. Egy amerikai kutatócsoport friss vizsgálatában arra vállalkozott, hogy kiderítse mi lehet a forrása ennek a rejtélyes tevékenységnek.

Párhuzam az idegrendszeri aktivitás és a viselkedés között

Manapság az idegtudomány klasszikus eredményeinek ismeretében kevesen vélik úgy, hogy a viselkedés és a mentalizáció ne lenne egyértelműen meghatározott az idegrendszer működése által. Az idegrendszer működésének rejtelmeit firtató vizsgálatok zöme épp ebből kifolyólag egy elég egyszerű gondolatra alapul: az az idegi aktivitás, ami következetesen esik egybe egy megfigyelhető viselkedéses jelenséggel, vagy egy feltételezhető mentális folyamattal, az az adott viselkedés vagy mentális folyamat létrehozásáért felelős.

Ezt az elképzelést számtalan idegtudományi kísérletben láthatjuk visszaköszönni, sőt a terület néhány központi felfedezése is ezen alapul. David H. Hubel és Thorsten Wiesel például macskák látókérgének elektrofiziológiai aktivitását rögzítették az 50-es évek végén, amikor arra figyeltek fel, hogy egyes neuronok aktivitása jelentősen megemelkedik, amikor az állat látóterében egy adott orientációjú sötét vonal jelenik meg világos háttéren. Mindez arra utalt, hogy ezek az idegsejtek a látásélmény legegyszerűbb építőköveinek felismerésénen és összeillesztésében vesznek részt, és innentől már érdemben lehetett gondolkozni azon, hogy vajon hogyan juthat a látórendszer ezektől mondjuk egy teljes jelenet feldolgozásáig. A 70-es évek elején John O’Keefe a hippokampusz sejtjei között talált olyanokat, melyek tevékenysége akkor változott meg jelentősen, amikor a kísérleti állat a rendelkezésére álló tér egy adott pontján helyezkedett el. Ebből arra a következtetésre jutott, hogy a sejteknek a kognitív térkép létrehozásában van szerepe, vagyis abban a folyamatban, melynek révén egy állat képes meghatározni, hogy a fizikai környezete melyik részén van éppen. Thorsten és Wiesel 1981-ben, O’Keefe pedig 2014-ben vehette át a Fiziológiai és orvostudományi Nobel-díjat.

hubelwiesel.png
Hubel és Wiesel híres kísérletének elrendezése (Forrás: Hubel és Wiesel, 1959).

Ezek a felfedezések szépen illusztrálják az idegi aktivitás és a viselkedés közötti párhuzamok jelentőségét, azonban érdekes belegondolni abba, hogy akár az előbb említett vizsgálatokban is, vajon mennyi olyan adatot rögzítettek a kutatók, amit nem tudtak mihez kötni. Ezt az aktivitást a kísérletezők általában jelentéktelen zajként kezelik, ám egy új kutatás arra derített fényt, hogy ennek egy jelentős része magyarázható a kísérleti feladat elvégzése szempontjából lényegtelen, viszont könnyen megfigyelhető mozgolódással.

A céltalan babrálás meglepő mértékű idegi tevékenységet eredményez

Az amerikai kutatócsoport célja kifejezetten az volt, hogy az idegtudományban általában zajként kezelt idegi aktivitás forrásáról lerántsa a leplet. A kutatók több mint 20 egeret képeztek ki egy komplikált feladat elvégzésére. Az állatok fejét befogták, így a kísérlet során végig rögzítve voltak. A fej két oldalán két hangszóró, illetve a látótér két oldalán két LED helyezkedett el. Véletlenszerű időközönként, az egyik oldali hangszóró szólalt meg, vagy a LED villant fel 600 milliszekundumig (ms), majd 500 ms szünetet követően újabb 600 ms-ig. Ezután 1 másodperccel az állat szájának két oldalára, éppen elérhető távolságba, egy-egy fém csövecske került, és amennyiben az állat az ingerlésnek megfelelő oldalon lévő csövet kétszer megnyalta, akkor egy csepp cukoroldathoz jutott. A kísérleti állatokat átlagosan 30 napnyi trenírozással sikerült megtanítani a feladat pontos elvégzésére. Ez egyébként úgy történt, hogy eleinte az inger megjelenésével egy időben tolták az állat szájához a megfelelő csövet, majd lassacskán beépítették a késleltetést, és végül az alternatív opciót, vagyis a másik csövet is.

headfixed.png
A fej rögzítése fontos feltétele az agy által produkált fiziológiai változók pontos követésének (Forrás: White és mtsai., 2016 – Journal of Neuroscience Methods).

A betanított állatok egy részének idegsejtjei kalcium-érzékeny fluoreszcens fehérjéket fejeztek ki. Mivel az idegsejtek aktiválódása a sejten belüli kalcium-ion koncentráció megemelkedésével jár együtt, ilyenkor ezek a fehérjék is fluoreszcenssé válnak, ami a megfelelő képalkotó rendszerekkel vizuálizálható. Ezen állatok felénél az agykoponya fejtetői részét elvékonyítással tették áttetszővé. A fluoreszcens jelet ezután egy kamerarendszer segítségével rögzítették, és mivel a felbontás nem volt túl nagy (a rögzített kép egy pixelének kb. 20*20 µm-es terület felelt meg), ezért ez az eljárás az agyi aktivitás nagyobb léptékű követésére volt alkalmas. Az állatok másik felénél a koponya két pontján egy-egy három milliméter átmérőjű lyukat fúrtak, amelyet átlátszó műanyaggal fedtek be, hogy később az agykéreg elülső és hátulsó részének aktivitását is meg tudják figyelni, ezúttal azonban mikroszkóp segtségével, hogy sejtszinten tudják követni a neurális aktivitást. A betanított állatok harmadánál elektródák segítségével követték az agykéreg tevékenységét, mivel ezzel a módszerrel érhető el a legjobb időbeli felbontás. Mindezek mellett az állatok viselkedését is rögzítették két kamera segítségével: az egyik a fej, a másik a test mozdulatait filmezte.

A kutatók az idegrendszer tevékenységére vonatkozó adatokat egy statisztikai modell segítségével vetették össze a viselkedést (feladatfüggő viselkedés: csövek nyalogatása; feladat független viselkedés: pl. pislogás, lábak és test áthelyezése) és az állatok szubjektív élményét (hang, fény, cukoroldat, stb.) leíró változókkal, és azt találták, hogy a rögzített idegi tevékenység alig 20%-a volt összefüggésbe hozható a feladattal kapcsolatos változókkal (pl. hanginger feldolgozásához, vagy a cukoroldat felnyalásához köthető aktivitás), míg a feladattól független mocorgás a modell szerint a rögzített neurális aktivitás 40%-áért volt felelős.

Mi történik még az idegrendszerben?

A kísérlet eredményei tehát arra utalnak, hogy az eddig értelmezhetetlennek vélt idegi tevékenység egy jelentős része olyan mozdulatokhoz köthető, melyeket eddig egyszerűen nem vettek figyelembe a kísérletezők. A legtöbb kutató úgy vélte, hogy a koncentrált figyelmet igénylő feladatok elvégzése közben a feladattól független, akár önkéntelen mocorgás vagy babrálás nem válthat ki jelentős neurális aktivitást, hiszen az erőforrások épp a feladat elvégzésére irányulnak, erre azonban rácáfolnak a vizsgálat eredményei. Vajon mi állhat a fennmaradó, egyelőre megmagyarázatlan aktivitás hátterében? A kísérleti állat belső állapotai, esetleg a szagok, vagy a légmozgás által okozott érzékletek?

sum.png
A kísérlet eredményeinek vizuális összefoglalója: az agy tevékenységének legnagyobb része a feladattól független mozdulatokhoz köthető (Forrás: Mathis, 2019 – Nature Neuroscience).

Valószínűleg mindannyian megfigyeltük már magunkon vagy másokon, hogy amikor igazán elmerülünk egy tevékenységben, hajlamosak vagyunk önkéntelen mozgások teljes arzenálját felvonultatni, jár a lábunk, a toll az ujjaink között, esetleg az ajkainkkal csinálunk valami fura, repetitív dolgot. Ebben a kísérletben az egerek is hasonló mozdulatokat végeztek. Vajon ezek segítenek levezetni a koncentráció fáradalmait, vagy talán valami más módon járulnak hozzá az intenzív mentális tevékenység sikeréhez? Esetleg pusztán a koncentráció melléktermékei? Talán hamarosan ezekre a kérdésekre is választ kaphatunk.

Ez a cikkem az Élet és Tudomány 2019/48. számában jelent meg.

Források:

https://www.nature.com/articles/s41593-019-0504-2

https://www.nature.com/articles/s41593-019-0502-4

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0165027016000212