A térbeliség az emberi tapasztalás egyik legalapvetőbb jellemzője. Annyira magától értetődő, hogy talán el sem gondolkodtunk még azon, hogyan vagyunk képesek tájékozódni a térben. Pedig a probléma valójában közel sem egyszerű, ahogy azt a mesterséges rendszerek navigációjának problematikája is tükrözi. Az automatizált útkeresés megoldásához talán épp az élőlények navigációjának megértése fog közelebb vinni, de ez is komoly kihívás. Nemrégiben azonban az emberi tájékozódás idegrendszeri alapjairól publikáltak izgalmas új eredményeket.
A kognitív térkép
A navigáció régóta foglalkoztatja a viselkedéskutatókat. Az egyik legfontosabb elképzelés vele kapcsolatban, hogy az ember és feltehetőleg az állatvilág számos képviselője is leképezi az agyában és elméjében a környezetét. Ez azt jelenti, hogy az agyunk tevékenysége révén az elménkben hozzáférünk a környezetünk modelljéhez. El tudjuk például képzelni, hogy milyen utat kellene most bejárnunk az otthonunkban ahhoz, hogy tölthessünk magunknak egy pohár vizet. Ezt a belső modellt nevezte Edward C. Tolman „kognitív térképnek”.
Vajon hogyan hozza létre az agy a kognitív térképet? Erre a kérdésre manapság már egészen részletes és komplikált válasz adható. Az első fontos eredmény 1971-ben látott napvilágot, amikor John O’Keefe és Jonathan Dostrovsky felfedezték a helysejteket patkányok hippokampuszában. A kutatók az emlékezet és a navigáció összefonódására alapozva vizsgálták a hippokampuszt. A kognitív térkép ugyanis felfogható az emlékezet azon részeként is, amelyik a környezetre vonatkozik. A kutatók tudták, hogy a hippokampusz roncsolása hatására a kísérleti állatok a korábban már bejárt labirintusokban nem képesek eligazodni. O’Keefe és Dostrovsky ezért a hippokampusz sejtjeinek elektromos tevékenységét rögzítették, miközben az állatok szabadon mozogtak a vizsgálati területen. Így fedezték fel a helysejteket, melyek aktivitása akkor fokozódott számottevően, mikor a tér egy bizonyos pontján helyezkedett el a kísérleti állat. Ezt úgy is meg lehet fogalmazni, hogy a sejtek receptív mezeje a tér egy adott pontja. Éppen úgy, ahogy például a retina sejtjeinek receptív mezeje a látótér egy adott pontja.
A navigáció neurális alapjai
A helysejtek felfedezését követően amerikai kutatók ún. fej irányultság sejteket is felfedeztek a hippokampuszban. Ezek a sejtek akkor aktiválódnak, amikor a kísérleti állat feje egy bizonyos irányba néz, vagyis az állat orientációját kódolják. Az ezredforduló után May Britt Moser és Edward Moser felfedezték a rácssejteket az entorhinális kéregben, amely a hippokampusz közvetlen közelében lévő agykérgi terület. A rácssejtek már kicsit bonyolultabb szabály szerint változtatják a tüzelési frekvenciájukat: a tér egymástól azonos távolságra lévő pontjain növekszik meg jelentősen az aktivitásuk. Ezek a sejtek rácsháló-szerű receptív mezővel bírnak, amivel feltehetőleg a térbeli pontok távolságának meghatározásához járulnak hozzá.
Az eddig felsorolt sejtek mind a halántéklebeny belső oldalán helyezkednek el. Ezen a területen úgynevezett vektoros kódolású sejteket is találtak a kutatók. Ezek a környezet különféle részleteit kódolják, például határokat (falak, szakadékok) vagy objektumokat, ezért határvektor, illetve objektumvektor sejteknek nevezik őket. Ezekben a sejtekben az a közös, hogy akkor tüzelnek, amikor az állat aktuális pozíciójához képest egy bizonyos irányban és közelségben előfordul egy határ vagy egy objektum. Vegyünk például egy vektoros kódolású sejtet, ami az állathoz közel eső, déli irányban lévő határokat kódolja. Ez akkor fog magas aktivitást mutatni, amikor az állattól délre, néhány centire a ketrec fala helyezkedik el. Ezek a sejtek tehát a környezet finomabb részleteit kódolják. A szakértők úgy gondolják, hogy ezek a halántéklebenyi sejtek a fali lebeny bizonyos agykérgi területeivel szorosan együttműködve hozzák létre a térbeliséggel összefüggő képességeinket, így a navigációt is.
Hogy is van ez az embernél?
A navigációt magát még csak kevéssé értjük, de ahogy azt az előző szakasz is tükrözi, e bonyolult folyamat egyre több részletére derült fény az utóbbi időben. Ezek a felfedezések többnyire rágcsálók tanulmányozása révén születtek. Persze minden okunk meg van azt feltételezni, hogy hasonló neurális alapokkal bír az ember kognitív térképe is, sőt egyre több bizonyíték utal erre.
Már a kétezres évek elején megjelentek olyan tanulmányok, melyek például a súlyos epilepsziás betegek agyába ültetett elektródák segítségével támasztották alá, hogy helysejtek és rácssejtek is találhatók az emberi halántéklebenyben. Az epilepsziás betegek kezelésével egybekötött kísérletek néhány éve a határvektor sejtekre utaló aktivitást is kimutattak. Ismert volt, hogy patkányoknál a határvektor sejtek aktivitása a theta frekvenciatartományba (8-12 Hz) helyezhető. A kutatók azt találták a kísérleti résztvevőknél, hogy a theta aktivitás fokozódik a halántéklebenyükben, amikor egy virtuális környezet bejárása közben annak határai közelében vannak.
Ebben a vizsgálatban a kísérleti személyek egy helyben ülve jártak be egy virtuális teret egy számítógép képernyőjén, mivel az agyukba ültetett elektródák jeleinek rögzítéséhez direkt összeköttetésre volt szükség a jelfeldolgozó egységgel. Egy amerikai és izraeli együttműködéssel létrejött új kutatásban azonban sikerült kiküszöbölni ezt a korlátot. Egy vezeték nélküli eszközt használtak, így a résztvevők helyváltoztató mozgást végezhettek a kísérlet során. A kísérlet egy szobában zajlott. A résztvevők már a kísérlet előtt megjegyezték szoba néhány pontját, ezek lettek a „rejtett célpontok”. A kísérlet során időről időre utasításokat kaptak, hogy menjenek egy ilyen rejtett célponthoz, vagy egy a falon megjelenő célponthoz. Az eredmények szerint a halántéklebenyben mérhető theta aktivitás jóval magasabb volt akkor, amikor a résztvevők a rejtett célpontok felé haladtak a falak mellett. Amikor a falakon megjelenő célpontokat közelítették, akkor nem volt mérhető ilyen változás. A tudósok ebből arra következtettek, hogy a határvektor sejtek aktivitása elsősorban akkor hangsúlyos, mikor a tájékozódáshoz a saját kognitív térképére van utalva az ember, nem pedig egy külső jelet figyel.
A kutatók úgy is megismételték a vizsgálatot, hogy egy megfigyelő idegi aktivitását rögzítették. Ebben az esetben is hasonlóképp alakult a halántéklebenyben mérhető theta aktivitás, ami arra utal, hogy a határvektor sejtek önmagunkon kívül mások elhelyezkedését is leképezhetik. Ez az utóbbi eredmény talán még érdekesebb, hiszen ez az első olyan válaszmintázat az emberi agyból, amely egy másik személy térbeli elhelyezkedésével hozható összefüggésbe. Ez azt jelentheti, hogy ugyanazok a sejtek, amik az ember saját pozíciójának leképezésében vesznek részt, azt is lehetővé teszik, hogy mások térbeli helyzetének is tudatában legyünk.
A kutatók azt is megpróbálták megmagyarázni, hogy mi lehet a theta aktivitás fokozódásának komputációs háttere: talán, amikor a határok közelében vagyunk, akkor pontosabban tudjuk meghatározni a térbeli helyzetünket és a fokozott precizitás okozza az idegi tevékenység fokozódását. Egy érdekes kérdés, hogy vajon ebben a rendszerben hogyan képeződik le egyszerre több személy elhelyezkedése? Ha hasonlóképpen kódolódik a saját pozíciónk és más emberek helyzete a halántéklebenyben, akkor hogyan tesz különbséget ezek között az agy? Ezek a felvetések bizonyára számos további vizsgálatot fognak motiválni, melyek révén jobban megérthetjük az emberi navigációt és talán inspirálódhatunk a mesterséges rendszerek útkeresésének megoldásában is.
Ez a cikkem az Élet és Tudomány 2021/09. számában jelent meg.
Források
Neuronal vector coding in spatial cognition | Nature Reviews Neuroscience
Boundary-anchored neural mechanisms of location-encoding for self and others | Nature
