Az agy sokak szerint a legbonyolultabb szerkezet a világegyetemben, aminek a működését egyelőre kevéssé értjük. Az agyműködés lényege, hogy létrehozza a kogníciót, vagyis az agyban zajló információfeldolgozási folyamatokat. Noha ezeket a folyamatokat egyelőre nem igazán értjük, az agykutatók többségének mégis van egy hallgatólagos elképzelése arról, hogyan lehet majd megmagyarázni a kogníciót. Ezt az elméleti megközelítést a „sherringtoni nézetként” emlegetik. Ez az elképzelés viszont rejt némi ellentmondást, és így a terület néhány szakértője más lehetőségeket keres. A hopfieldi nézet lehet a megoldás?
Már az ókori filozófusok is igyekeztek megérteni az agy működését, de az eddigi egyik legfontosabb lépést ezügyben René Descartes tette meg a reneszánszban. Descartes vetette fel elsőként, hogy az agy működése mechanikus elvek alapján is megmagyarázható, reflexekkel. A Descartes által felvázolt reflex koncepció azóta is központi jelentőségű az agykutatásban.
Descartes elmélete szerint a reflex lényege az, hogy egy külső hatás energiát közvetít az idegrendszer felé. Az energia visszafordítása révén hoz létre egy bizonyos viselkedést az idegrendszer. A klasszikus példa szerint a tűz hője megfeszít egy ideget a lábban. Ennek hatására egy szelep nyílik az agykamrában, amibe a beáramlik az „agyvíz”. A folyadék az idegen visszajutva az izmokhoz felfújja azokat, és így mozgást idéz elő. Ez az elképzelés az idők során sok tekintetben tévesnek bizonyult. A központi gondolat azonban fennmaradt: a test egyik pontján kialakult hatást az idegrendszer jellé alakítja, ami az összeköttetései révén eljut a megfelelő végrehajtószervekhez, amik a megfelelő reakciókat kivitelezik.
A reflex koncepció a XIX. században egyre több viselkedéses jelenség magyarázatát tette lehetővé, ráadásul ekkor már az egyes reflexek konkrét idegrendszeri alapjait is elkezdték feltárni a kutatók. Néhány gondolkodó még azt is felvetette, hogy a reflexek akár a magasabb rendű mentális folyamatokat is megmagyarázhatják, például az emlékezést. Sechenov úgy vélte, hogy egy sütemény illata éppen olyan módon okozhatja gyermekkori emlékek felidézését, ahogy egy tűszúrás a kezünk elrántását.
A reflexekkel kapcsolatban úttörő munkát végzett Charles Scott Sherrington. Sherringtonnak köszönhetően kiderült, hogy még a legegyszerűbbnek vélt reflexek is elképesztő anatómiai komplexitást igényelnek. Ez az eredmény sok idegtudóst győzött meg arról, hogy megfelelően komplikált, ám hasonló elvek alapján felépülő hálózatok akár a magasabb rendű mentális képességek, vagyis a kogníció hátterében is állhatnak.
Az idegrendszer működésének sherringtoni magyarázata
Sherrington eredményeinek köszönhetően tehát gyökeret vert az agykutatásban az a gondolat, hogy az idegsejtek egymással alkotott kapcsolatai és ezek jelátviteli tevékenysége alapján megmagyarázható minden idegi működés, így maga a kogníció is. Ezt manapság a sherringtoni nézetnek nevezik. A sherringtoni nézet szerint a neuronok közötti kapcsolatok és a számítások, melyeket a neuronok végeznek, a kogníció elsőrendű magyarázói lesznek. A neuronok a beérkező jeleket bizonyos szempontok szerint átalakítják, így végeznek számításokat, komputációkat.
A sherringtoni nézet szerint központi jelentőségűek az idegsejtek biofizikai és molekuláris jellemzői. Például egy idegsejt különböző részeinek felépítése, a sejtmembrán összetétele, illetve az, hogy milyen ingerületátvivő szabadul fel az adott sejtkapcsolatban. Ezek az alacsony szintű részletek magasabb rendű szabályszerűségeket hoznak létre, melyekkel számos idegrendszeri működés megmagyarázható. Például a végtagok mozdulatait kiváltó reflexek esetében reciprok inhibíciót hoznak létre az izmokat beidegző neuronokat is tartalmazó hálózatok. A reciprok inhibíció lényege, hogy míg az egyik sejt tüzel és összehúzódásra készteti az általa beidegzett izmot, addig egy másik épp ellenkezőleg, csökkenti az aktivitását és ezzel elernyedést idéz elő az általa beidegzett izomban. Például amikor a Descartes által említett példában elrántjuk a tűztől a lábunkat, akkor a lábhajlító izmok húzódnak össze, közben a lábfeszítők pedig elernyednek. A reciprok inhibíciót többféle neurális konfiguráció is létrehozhatja. Elképzelhető például, hogy van egy központi sejt, ami a vele kapcsolatban lévő egyik sejtet glutamát segítségével serkenti, míg egy másikat GABA-val gátol. Az is lehet, hogy más transzmittereket használ, de akár egy ettől sokkal bonyolultabb hálózat is létrehozhatja a reciprok inhibíciót. A lényeg, hogy a sherringtoni magyarázatokban a hálózat konkrét részletei is fontosak.
A sherringtoni értelmezés a mozgásérzékelésben is sikeres. Képzeljünk el egy feladatot, melyben egy makákónak az a dolga, hogy egy központi fixációs keresztre fókuszálva észleljen egy seregnyi mozgó pontot, majd a tekintetét a megfelelő irányba irányítva jelezze a pontok domináns mozgásirányát. A feladat során a vizuális kéreg 5-ös számú alterületén (V5) lévő idegsejtek akkor tüzelnek, amikor a látótér egy bizonyos részén egy bizonyos irányultságú mozgás képződik le a retina sejtjein. Ezek a neuronok a laterális intraparietális kéreg sejtjeihez továbbítják a jelet. Az itt lévő neuronok aktivitása arányosan fokozódik a V5 adott irányra érzékeny aktív sejtjeinek számával. A legmagasabb aktivitást elérő intraparietális kérgi sejt jele határozza meg a szemmozgás irányát.
A hopfieldi nézet megjelenése
A sherringtoni nézet azonban nem minden esetben ad kielégítő magyarázatot, erre elsőként a mesterséges neurális hálók kutatása mutatott rá. A mesterséges neurális hálók felépítése elvben megegyezik a valódi neuronhálókéval. A kutatók már a 70-es években felismerték, hogy ezek a mesterséges neurális hálók képtelenek elvégezni egy egyszerű logikai műveletet (kizáró vagy – XOR). Ez azért jelentős probléma, mert a kizáró vagy nélkül például nem állapítható meg valamiről, hogy az egy kutya vagy egy macska, vagy egyik sem.
Ez a probléma hívta életre a kogníció egy más jellegű magyarázatát, amelyet kieszelője, John J. Hopfield után hopfieldi nézetnek neveznek. Ennek a megközelítésnek az a lényege, hogy a kognícióhoz szükséges leképezéseket és számításokat neurális terek transzformációival magyarázza. A neurális terek gyakorlatilag megegyeznek egy tetszőleges idegsejtcsoport összesített aktivitásával, ami néhány dimenzió mentén leírható. A számítások ebben az elképzelésben a neurális terek közötti transzformációk. Transzformáció lehet amikor egy neurális tér aktivitásának következtében egy másik neurális tér vesz fel egy bizonyos állapotot. Transzformáció az is, ha a neurális téren belül történik a mozgás, vagyis a neurális aktivitás mintázata megváltozik. A hopfieldi megközelítés szerint ezek a neurális terek a kogníció elsődleges magyarázói, a teret létrehozó neuronok biofizikai részletei nem fontosak a magyarázat szempontjából.
A hopfieldi nézetet erősíti például egy emlékezeti feladat elvégzése közben kialakult idegrendszeri aktivitás elemzése is. A feladat lényege, hogy a makákók képeket néztek, melyek speciális szabályok szerint követték egymást. A laterális prefrontális kéreg sejtjei között voltak olyanok, melyek szelektívek voltak az egyik szabályszerűségre, ám olyanok is akadtak, amelyek több különféle szabályszerűség hatására is jelentősen megváltoztatták az aktivitásukat. A feladat során mutatott viselkedés magyarázata szempontjából azonban ezek a sejtek is informatívnak bizonyultak az elemzések szerint. A kutatók ebből azt a következtetést vonták le, hogy a feladat során zajló kogníció szempontjából az egyedi sejtek tevékenysége helyett a sejtek által létrehozott neurális tér állapotai a mérvadók, ami egy hopfieldi magyarázatnak tekinthető.
Miért tartják egyes szakértők jobbnak a hopfieldi magyarázatokat? Vajon megfér egymás mellett sherringtoni és a hopfieldi megközelítés? A következő számban folytatjuk!
Ez a cikkem az Élet és Tudomány 2021/21. számában, az Agyi aktualitások rovatban jelent meg.
