Az idő és az agy

Honnan tudjuk, hogy hányadik kört futjuk a futópályán? Biztos van, aki tudatosan számolja, olyan is, aki érzi, de talán olyan is, aki csak úgy tudja. Érdekes módon a rágcsálók is tudják, hány kört tettek meg egy pályán, hiszen láthatóan várják a megszokott jutalmat, amit csak minden negyedik kör után kapnak. Egy új kutatás ezen jelenség idegrendszeri hátterét vizsgálta, és az eredmények szépen illeszkednek az időérzékeléssel kapcsolatos friss ismeretek közé.

Hippokampusz: kötelező körök

Talán a futás közben megtett körök számontartását lehet leginkább párhuzamba állítani a Nature Neuroscience lapjain közölt kutatásban vizsgált jelenséggel. Az amerikai kutatók egy négyzet alakú pályán futtatták a kísérleti egereket, közben kalcium-érzékeny fluoreszcens festék segítségével figyelték a hippokampuszuk idegsejtjeinek aktivitását. A hippokampuszról már a 70-es évek óta tudják, hogy az ún. helysejteknek adnak otthont. Ezek olyan sejtek, melyek markánsan megváltoztatják a tüzelési frekvenciájukat, amikor a tulajdonosuk a tér egy adott részén van. Ez alapján az idegtudósok úgy vélik, hogy a helysejtek a környezetet képezik le az idegrendszerben. Ez ebben a vizsgálatban is alátámasztást nyert, a hippokampális sejtek egy része, a helysejtek, mindig akkor fokozták az egyébként nagyon alacsony tüzelési frekvenciájukat, amikor az állat a négyszöges pálya egy bizonyos részén helyezkedett el.

microendosc
A kutatók mikroendoszkóp segítségével követték a hippokampális sejtek aktivitását, miközben az állatok egy pályán köröztek (Forrás: Sun et al., 2020 – Nature Neuroscience).

A kísérleti elrendezésnek még szerves része volt az is, hogy a kísérletvezetők minden negyedik körben jutalmazták a kísérleti állatokat. Amikor ezzel összefüggésben elemezték a rögzített sejtaktivitást, arra figyeltek fel, hogy egyes sejtek tüzelési frekvenciája csak bizonyos körökben változik meg következetesen. Persze rögtön felmerült, hogy a sejtek talán a jutalom megszerzése óta eltelt időt vagy az azóta megtett utat kódolják, ám a kutatók egy újabb vizsgálattal kizárták ezen lehetőségeket. A pálya hosszának megduplázása ugyanis nem változtatta meg a sejtek aktivitás mintázatát a körökhöz képest. Amennyiben a sejtek a jutalom óta eltelt időt vagy megtett utat kódolnák, akkor egy ilyen beavatkozás után a sejtek egy részének valamivel később kellene aktiválódnia. A kutatók ezután azt is megvizsgálták, hogyan viselkednek a sejtek, ha közbeiktatnak egy újabb kört a jutalom eléréséig, vagyis öt kör után adnak cukoroldatot az állatoknak. Ebben az esetben az első és második körben aktiválódó sejtek viselkedésében nem következett be változás, viszont a harmadik és negyedik körben aktiválódó sejtek innentől a negyedik, illetve az ötödik körben mutattak fokozott aktivitást. Ebből arra lehet következtetni, hogy a sejtek valóban a megtett körök számát kódolják.

Ezt egy további vizsgálattal is megerősítették a kutatók. A négyszöges pályán edzett egereket egy kör alakú pályára eresztették, ahol szintén minden negyedik körben jutalmazták őket. A kör alakú pályán a hippokampális helysejtek által létrehozott kód átalakult, ahogy az várható volt korábbi eredmények alapján (a hippokampális helysejtek az adott környezetre jellemző módon kódolják a helyeket, vagyis elképzelhető például, hogy az egyik sejt a nappalinkban a szoba közepét reprezentálja, viszont a hálószobában a szoba sarkát). A körökre érzékeny sejtek tüzelési frekvenciája azonban ebben a helyzetben is a körnek megfelelően változott, tehát azok a sejtek, amelyek a négyszöges pályán a második kört kódolták, azok a kör alakú pályán is ezt tették.

Az idő a halántéklebenyben

Az új eredmények szerint tehát a hippokampusz bizonyos sejtjeinek aktivitása következetesen egybeesik a feladat során a jutalom megszerzéséhez szükséges körök számával. Ezeknek a sejteknek tehát fontos szerepe lehet abban, hogy az állatok képesek különbséget tenni egy sorozat elemei közt. Úgy tűnik, hogy ezek a sejtek a jutalomhoz képest kódolják a köröket, tehát annak függvényében, hogy hány kör van még hátra a jutalom megszerzéséig. Ez összhangban van egy sor új eredménnyel, melyek szerint a hippokampusz és a környező kéregrészek működésében fontos szerephez jut a jutalmazás. Tavaly például több vizsgálat is kimutatta, hogy a hippokampusszal fontos funkcionális kapcsolatban lévő entorhinális kéreg rácssejtjei is érzékenyek a jutalmakra. Ezek a rácssejtek arról kapták a nevüket, hogy amikor a sejtek tüzelését összevetik az állat által bejárt útvonallal, egy rácsháló rajzolódik ki. A rácssejtek tüzelési frekvenciája akkor növekszik meg jelentősen, amikor az állat ennek a képzeletbeli rácsnak egy metszéspontjában helyezkedik el. Az újabb eredmények szerint a rácssejtek kódjába beépül a jutalmazott térrészek fokozott jelentősége, a jutalmazott térrészek közelében a rácsháló pontjai besűrűsödnek. Valami hasonlót láthatunk ezen kísérletek eredményeiben is, legalábbis abban a tekintetben, hogy a körök számát kódoló sejtek a jutalom várható érkezése függvényében teszik a dolgukat.

Az amerikai kutatók végül azt is megvizsgálták, hogy hogyan hat a köröket kódoló sejtek működésére a hippokampusz és az entorhinális kéreg közötti kapcsolat blokkolása, ugyanis felmerült, hogy ez az agykérgi terület közvetíthet az idővel kapcsolatos információt a hippokampusz felé. Ennek az elképzelésnek többek között két tavalyi kutatás adott alapot. Az egyik vizsgálat emberekkel zajlott, képalkotó eljárások segítségével követték az agyműködésüket. Azt találták, hogy amikor egy rövid videófilmben látott jelenet időbeliségével kapcsolatban nagyon pontos ítéletet hoztak, akkor az entorhinális kéreg egy része jóval magasabb aktivitást mutatott, mint az alacsonyabb pontosságú ítéleteknél. A kutatók ebből arra következtettek, hogy az idő múlásának érzékelésében szerepe lehet az entorhinális kéregnek, hiszen ez akkor mutat magas aktivitást, amikor pontosan sikerül felidézni egy esemény időpontját. Egy állatkísérletes kutatás ugyanezt a gondolatot erősítette meg: ezen vizsgálatok szerint a változatos feladatok elvégzése közben az entorhinális kéreg egyes sejtjeinek aktivitása fokozatosan növekedett, vagyis korrelált az eltelt idővel, míg a repetitív feladatok alatt nem lehetett ilyen mintázatot megfigyelni. Talán az ismétlődő elemek esetében már nem lehet pusztán az entorhinális kéregre hagyatkozva meghatározni az eltelt időt?

A kutatókban felmerült, hogy talán a hippokampusz sejtjei az entorhinális kéregtől kapnak valamiféle információt az időbeliségről, ami alapján a körök kódolása lehetségessé válik. Az entorhinális kéreg sejtjeinek mesterséges gátlása elmosta a korábban megjelenő mintázatot, tehát úgy tűnik, valóban a szükséges a hippokampusz és az entorhinális kéreg kapcsolata a körök számontartásához, a jutalom közelségének elbírálásához. Az új eredmények tükrében tehát talán azért nem jelenik meg az entorhinális kéregben az idő múlását tükröző neurális aktivitás, mert ehhez már a hippokampusz közreműködése is szükségeltetik.

hpcctx
A hippokampusz és a környező kéregrészek fontos szerepet töltenek be az idő múlásának érzékelésében (Forrás: Kandel és Schwartz, 2015).

Ezek az eredmények összességében arra mutatnak rá, hogy a halántéklebeny struktúrái által kódolódik az idő az emlősagyban. Amikor az események változatosak, akkor az entorhinális kéregben keletkező jelek már önmagukban is elegendőek lehetnek az idő múlásának érzékelésében, amikor viszont az események repetitívek, akkor az entorhinális kéreg és a hippokampusz együttműködése révén tud eligazodni az élőlény. Mindehhez úgy tűnik, hogy a jutalmak adják a legfontosabb viszonyítási pontokat.

Ez a cikkem az Élet és Tudomány 2020/23. számában jelent meg.

Források:

https://www.nature.com/articles/s41593-020-0631-9

https://www.nature.com/articles/s41593-020-0614-x