A thalamusz és a munkamemória közötti kapcsolat megléte 2017-ben vetődött fel, ezúttal pedig egy újabb bizonyítékot találtak rá amerikai kutatók. A vizsgálatukat egy genetikai módszerre alapozták, melyet általában a szervezetre jellemző mennyiségi tulajdonságokat meghatározó gének feltárására használnak. A kutatók a módszerrel egy olyan gént találtak, ami jelentősen befolyásolja a kísérleti egerek munkamemóriáját, és kimutatták, hogy a gén főleg a thalamuszban fejeződik ki.

A thalamusz működése

Ha elképzeljük az emberi agyat, nagyjából a közepébe vizualizálhatunk két kb. 4 cm hosszú ovális sejtcsoportot. Ez lenne a thalamusz. A thalamuszt elsőként Galénosz, a legendás római orvos írta le az időszámítás szerinti második században. A thalamusz kifejezés hitvesi hálószobát vagy ágyat jelent, sokak szerint az Odüsszeia inspirálta Galénoszt a struktúra elnevezésében. Odüsszeusz ugyanis oly módon építette a házát, hogy a hitvesi ágy került a középpontjába, amit egy olajfából faragott ki. Galénosz talán a fa ágaihoz hasonlatosnak találta a thalamuszból kiinduló megannyi fehérállományi köteget, melyek az agykéreggel tartják a kapcsolatot.

A thalamusz elhelyezkedése és a belőle kiinduló fehérállományi kötegek (Forrás: Thalamic peduncles. (anterior, posterior, superior, inferior) Fitzgerald MJT, Gruener G, Mtui E. Clinical Neuroanatomy and related Neuroscience, 6th Ed., W. B. Saunders)

A thalamusz jelentőségéről alkotott elképzelések sokat változtak az idők során. Már Galénosz is felvetette, hogy a látásban van szerepe. A XIX. században azonban a léziós vizsgálatok szépen lassan feltárták, hogy a thalamusz szinte minden érzékelési folyamatban szerephez jut, és még a mozgatást is befolyásolja. A léziós vizsgálatok lényege az volt, hogy az agy bizonyos területeit elpusztították és megfigyelték, ez hogyan hat a kísérleti állatokra. A pályakövetéses vizsgálatok ezzel párhuzamosan alátámasztották, hogy a thalamusz és az agykéreg között kiterjedt kapcsolat van. Hamarosan kialakult az elképzelés, miszerint a thalamusz egy átkapcsoló állomás az érzékszervek és az agykéreg között, hozzájárul, hogy az agykéreg létrehozhassa az észlelést.

Ez az elképzelés napjainkra kicsit finomodott. Manapság ki szokták hangsúlyozni, hogy a thalamusz nem csak továbbítja az információt, hanem maga is fontos feldolgozási lépéseket végez rajta. A lényegen ez viszont nem sokat változtat, thalamusz szerepét továbbra is főleg az agykéreg és az alacsonyabb idegrendszeri struktúrák közti kommunikáció lebonyolításában látják a kutatók. Ettől valamelyest eltérő funkciójára derült fény 2017-ben, amikoris három olyan tanulmány is megjelent, melyek a munkamemóriával hozták összefüggésbe a thalamuszt.

Munkamemória

A munkamemória az a képességünk, mellyel a szenzoros bemenet hiányában is hozzá tudunk férni valamilyen információhoz, illetve ezt az információt manipulálni is tudjuk a céljainknak megfelelően. Ilyen például, amikor hallás után fenntartunk a fejünkben egy telefonszámot, majd azt írásjelekbe konvertálva lejegyezzük. Ez a példa azonban manapság már egyre kevésbé ismerős, legalábbis az újabb generáció számára, talán ideje másik után nézni. Kiváló példa lehet az olvasás is: az olvasás során az új információt fenntartjuk, értelmezzük, és ez alapján illesztjük a képbe az újabb és újabb mondatokat.

A munkamemória idegrendszeri alapjait a 30-as években kezdték feltárni. Egy mára már klasszikusnak számító tanulmányban Jacobsen makákók prefrontális kérgét sértette. Azt figyelte meg, hogy a kísérleti állatok jelentősen rosszabbul teljesítenek egy munkamemória feladatban, mint az egészséges társaik. Az állatok először benézhettek egy két rekeszből álló doboz rekeszeibe, melyek közül az egyikben egy darab gyümölcs volt. A rekeszeket ezután lezárták, a kísérleti állatok pedig néhány másodperc elteltével választhattak egy rekeszt, amit aztán a kutatók kinyitottak. Az egészséges állatok a próbák szinte mindegyikén a gyümölcsöt tartalmazó rekeszt választották. Ezzel szemben a sértett prefrontális kérgű állatok nagyon gyakran hibáztak. Feltehetőleg nem voltak képesek fenntartani a táplálék helyére vonatkozó információt a munkamemóriájukban.

A prefrontális kéreg és a munkamemória kapcsolatának magyarázatához a neurális hálók jellemzőiből merítettek a kutatók. Így jelent meg az a gondolat, hogy a fenntartott neurális aktivitás lehet a munkamemóriában fenntartott információ alapja. Ilyen fenntartott aktivitás mesterséges neurális hálókban is létrejöhet, amennyiben tartalmaznak egy bizonyos motívumot, az egyes részek közötti kölcsönös kapcsolatot. Ez a motívum a prefrontális kéregben is megtalálható, sőt a thalamusz és a prefrontális kéreg közötti kapcsolatban is felfedezhető. A 2017-es eredmények fényében felvetődött, hogy a munkamemóriában voltaképpen a thalamusz és a prefrontális kéreg közötti kapcsolatnak köszönhetően kialakuló fenntartott aktivitás játssza a központi szerepet. Egy amerikai kutatócsoport is ezt támasztotta alá egy új eredménnyel, ráadásul a jelenség molekuláris alapjaiba is betekintést nyertek sajátos megközelítésükkel.

Genetikai módszerrel szegődtek a munkamemória nyomába

A kutatók az ún. mennyiségi tulajdonságok lókuszai (quantitative trait locus – QTL) analízissel próbálták felderíteni, hogy milyen gének jutnak szerephez a munkamemóriát létrehozó idegsejthálózatban. Ennek a megközelítésnek az a lényege, hogy a sok gén együttműködésén alapuló tulajdonságok genetikai hátterét olyan egyedeken vizsgálják, melyek nagy változatosságot mutatnak az adott tulajdonságban. Így például, ha a testmagasságot meghatározó géneket keresnék, akkor olyan személyeket kellene toborozni, akik a lehető legváltozatosabbak a magasságukat tekintve. A kutatók olyan kísérleti egereket használtak, melyek a jelenleg használatos egértörzsek keresztezéséből származtak. A genetikailag homogén törzsek „összekeverése” révén létrehozott, genetikailag változatos, 200 egyedből álló mintán dolgoztak.

A kutatók először elvégeztek egy egyszerű tesztet a kísérleti állatokkal, ami az előbb leírt makákókon végzett klasszikus kísérlet egy változatának tekinthető. Itt az egereket berakják egy T-alakú doboz végébe, melynek két oldal közül az egyik le van zárva. Ezután újra berakják a dobozba, viszont ezúttal a korábban lezárt részen már egy kis táplálékot talál a kísérleti állat. Azok az állatok, amelyek jó munkamemóriával rendelkeznek, szinte az összes alkalommal a lezárt kar felé indulnak el a második próbán. A gyengébb képességű állatok viszont sokkal ritkábban tesznek így. A genetikai analízis révén a kutatók találtak is egy régiót az állatok DNS-ében, ami jelentősen eltért a nagyon jól, illetve a nagyon rosszul teljesítő állatok között. További vizsgálatok arra is fényt derítettek, hogy ez a régió a Gpr12-es gén része. Ez a gén a thalamusz egyik magjának sejtjeiben fejeződik ki nagy mennyiségben a kiváló munkamemóriával rendelkező állatoknál. A gyenge munkamemóriájú állatoknál ez a gén jóval kisebb mértékben fejeződik ki. A kutatók még azt is alátámasztották, hogy a Gpr12-es gén kifejeződése a thalamusz és a prefrontális kéreg közötti aktivitásbeli összhangot befolyásolja, vagyis az információ fenntartásához szükséges aktivitási mintázattal is összefüggésbe hozták.

A kutatók ezt az egyszerű munkamemória feladatot használták az állatok képességeinek felmérésére (Forrás: Halassa, 2020 – Nature).

A szakértők szerint az új ismeretek segíteni fognak alaposabban megérteni a munkamemória működését, sőt akár olyan vegyületek fejlesztését is lehetővé tehetik, melyek a munkamemóriát javítják. A munkamemória leromlása egyébként az öregedés egyik velejárója lehet, de például a figyelemzavarnál és számos neurodegeneratív betegségnél is jellemző. A vizsgálatot sokan méltatták a mennyiségi jellemzők lókuszait célzó analízis kreatív adaptálása miatt, ezzel ugyanis talán most vizsgáltak először viselkedésesen megnyilvánuló jelenséget. Biztosak lehetünk benne, hogy ezzel a megközelítéssel még számos izgalmas eredmény fog születni a jövőben.

Ez a cikkem az Élet és Tudomány 2021/02. számában jelent meg.