Az agyhullámok már lassan egy évszázada foglalkoztatják az agykutatókat. A rejtélyes elektrofiziológiai mintázatok egyesek szerint nem pusztán az agyműködés melléktermékei, hanem fontos funkcionális elemei, abban viszont mindenki egyetért, hogy az agyhullámok konkrét idegélettani hátterének feltárása alapvető fontosságú lépés a megértésükhöz vezető úton. Egy új vizsgálat az úgynevezett lassú hullámok neurális hátteréből tárt fel egy újabb szeletet, ami a terület vezető kutatói szerint több új kérdést vetett fel, mint amennyit megválaszolt.
Elektroenkefalográfia: lassú hullámok
Az 1920-as években egy német tudós, Hans Berger a telepátia fizikai alapjait szerette volna vizsgálni, és biztos volt benne, hogy az elektromágneses hullámoknak fontos szerepük van ebben. Így hát elektródákat helyezett a kísérleti alanyai fejbőrére, és érdekes módon apró potenciálváltozások sorozatát tudta regisztrálni műszerével. Ez az eljárás az elektroenkefalográfia (EEG) nevet kapta, és noha a telepátia valóságának alátámasztását nem hozta el, a 30-as évek óta alapvető eszköz az agykutatásban. Az agyműködés időbeliségének vizsgálatában máig az egyik leghatékonyabb eszköz, ráadásul akár embereken is alkalmazható, hiszen csak hajas fejbőrre helyezett elektródákat igényel, semmiféle kellemetlenséget nem okoz a kísérleti alanynak.
Már Hans Berger is leírta, hogy az agyhullámokban az ébrenlét és az alvás során megjelenő mintázatok között fontos különbségek vannak. Ezt azóta számtalan eredmény erősítette meg, és több jellegzetes oszcillációt is elkülönítettek, melyek az alvás különböző fázisaira jellemzők. Ezek egyike a lassú hullám. A lassú oszcillációk 1 Hz-nél kisebb frekvenciájú, nagy amplitúdójú ritmusok, melyek az alvás legmélyebb szakaszában jelentkeznek. A hullámzást felmenő és leszálló szakaszokra lehet osztani. A felmenő szakaszban az agykéreg és a thalamusz közötti kapcsolatokat kialakító neuronok intenzív aktivitást mutatnak, míg a lemenő szakaszban ezek a sejtek hiperpolarizálttá válnak, vagyis gyakorlatilag elcsendesednek.
Egy japán kutatócsoport a zármag funkcionális vizsgálata során figyelt fel arra, hogy a struktúrának fontos szerepe lehet a lassú hullámok koordinálásában. A zármag egyébként egy lapra emlékeztető sejtcsoport, mely az agykéreg inzuláris része és a bazális magok között helyezkedik el. Az inzula az agy felszínén található oldalsó árok mögött elhelyezkedő agykérgi terület, a bazális magok pedig az agytörzs fölött, a nagyagy belsejében található szürkeállományi struktúrák. A zármag szerepéről nem sok konkrétumot tudunk, az agykutatás irodalmába elsősorban Francis Crick, a DNS struktúrájának egyik felfedezője jóvoltából került be, mivel a 2000-es évek elején megfogalmazott, tapogatózó jellegű elmélete szerint ez a struktúra felelhet a tudatosság létrejöttéért. Az elképzelés alapja a zármag kapcsolatrendszere volt, amely az agykéreg nagyrészére, kétirányúan terjed ki. Ez a tulajdonsága úgy tűnik, a lassú hullámok kialakulása szempontjából valóban fontos, noha a tudat létrehozásában még ma sem ismert a valódi szerepe.
Mi köze a zármagnak a lassú hullámokhoz?
A kutatócsoport egy szerencsés véletlen kapcsán kezdett a zármaggal foglalkozni. Az egerek szaglórendszerének vizsgálatára létrehozott transzgénikus törzsek közül az egyiknél ugyanis azt figyelték meg, hogy az egész agyban szinte csak a zármag sejtjeiben jelent meg az a fehérje, amellyel a genetikai manipulációk kivitelezhetők. Alaposabb vizsgálatok révén kiderült, hogy a zármag serkentő hatású sejtjeinek harmadában fejeződött ki a kérdéses fehérje. A jelölt sejtek kapcsolatrendszerét is feltárták a kutatók, és azt találták, hogy az agykéreg számos területéről, illetve például a thalamuszból és az agytörzsből is neuronok idegzik be őket, illetve a sejtek maguk is számos kérgi területhez küldenek axonokat.
A kutatók ezután azt is megvizsgálták, hogy milyen hatást vált ki a zármag sejtjeinek mesterséges ingerlése az agyban. Amikor a kutatók agyszeletekben ingerelték ezeket a sejteket, azt tapasztalták, hogy az agykérgi gátló interneuronok egy bizonyos típusa (parvalbumin pozitív interneuronok csoportja) is aktiválódik. A kutatók ezután azt figyelték meg, hogy milyen aktivitást mutatnak a zármag sejtjei az élő állatokban. Az egerek fejét rögzítették, és a zármag sejtjeinek elektrofiziológiai aktivitását, illetve az ellenoldali agyfélteke EEG-jét monitorozták. Az eredmények szerint a zármag sejtjeinek tüzelési frekvenciája a lassú hullámú alvás alatt fokozódott, minden más éberségi állapotban viszonylag alacsony maradt. Alaposabb elemzések arra is rávilágítottak, hogy a zármag sejtjei a lassú hullámok leszálló szakaszát megelőzően nagyjából 150 ms-mal fokozzák a tüzelési frekvenciájukat.
Ez utóbbi megfigyelés vetette fel, hogy a sejteknek talán a leszálló szakaszok az egész agykéregre kiterjedő létrehozásában lehet szerepe. A feltevés ellenőrzésére a kutatók élő állatokban is ingerelték a zármag sejtjeit, méghozzá olyan időbeli paraméterekkel, amiket előzőleg a természetes alvás során rögzítettek az állatokban. Az ingerlés hatására a lassú hullámokhoz hasonló mintázat jelent meg az EEG regisztrátumon. A kutatók végül genetikailag pusztították el a zármag jelölt sejtjeit, ami azt eredményezte, hogy a lassú hullámok gyakorisága és amplitúdója jelentősen lecsökkent az alvás alatt.
Az új eredmények szerint tehát a zármagnak fontos szerepe van a mélyalvásban jelentkező lassú hullámok létrehozásában. A terület más szakértői azonban arra hívták fel a figyelmet, hogy az új eredmények ellentmondásban vannak néhány korábbi vizsgálat megállapításaival. Bizonyos eredmények szerint például a lassú hullámok leszálló szakaszát megelőzően az agykéregben csupán a szomatosztatint kifejező interneuronok tüzelési frekvenciája fokozódik, az új eredmény viszont a parvalbumint kifejező interneuronokról állítja ugyanezt. Egyelőre nem világos, hogy mi lehet az ellentmondás oka, hiszen mindkét vizsgálatot egereken végezték. Más tanulmányok arra mutattak rá, hogy a kérgi lassú hullámok mennyiségét a thalamusz sejtjeinek gátlása vagy elpusztítása csökkenti le számottevően, méghozzá valószínűleg a parvalbumin pozitív interneuronok aktiválása révén (az új eredmények alapján ebben valamiképp a zármag is szerepet játszhat).
A szakértők szerint a legfontosabb kérdés azonban az, hogy hogyan hozza létre a lassú hullámokra jellemző ritmust a zármag. A zármag neuronjai között még nem találtak olyat, amelynek saját ritmikus aktivitása lenne, így valószínűleg más neuronoktól kapnak jelet. Az új tanulmány szerint az agykéregtől sok nyúlvány érkezik, de más vizsgálatok egyelőre még nem találtak olyan sejteket az agykéregben, melyeknek hosszú axonjai vannak (tehát elérhetik a zármagot) és a lassú hullámokkal szinkronban változtatják a tüzelési frekvenciájukat. A kéreg alatti struktúrák közül szóba jöhet a thalamusz, hiszen ebben vannak ritmikus aktivitást produkáló sejtek, viszont a thalamusz csak ritkásan idegzi be a zármagot, ráadásul az is kérdéses, hogyan alakulhat a thalamuszban létrejövő magasabb frekvenciájú aktivitás 1 Hz alatti ritmussá a zármagban.
A lassú hullámokról ugyanakkor már tudjuk, hogy a homeosztatikus alvásnyomással vannak összefüggésben, vagyis az alvás elején nagyobb gyakorisággal jelennek meg, mint a vége felé. Az is elég megbízható jelenség, hogy a korosodással a lassú hullámok mennyisége jelentősen lecsökken. Ha a zármag valóban alapvető jelentőségű a lassú hullámok létrehozásában, akkor magasabb aktivitást kellene mutatnia a sejtjeinek az alvás elején, illetve a fiatalabb kísérleti alanyoknál is. Ezeket a feltevéseket is érdemes lehet megvizsgálni a jövőben.
Ez a cikkem az Élet és Tudomány 2020/24. számában jelent meg.
Források:
https://www.nature.com/articles/s41583-019-0223-4
