A jövő útjai a hippokampuszban

Az agy halántéklebenyében elhelyezkedő hippokampusznak alapvető szerepe van az útkeresésben. A modern idegtudomány egyik legfontosabb felfedezése volt, hogy a hippokampuszban található helysejtek a külső környezet belső leképezését hozzák létre. Ezek a sejtek felelősek azért, hogy az ember tudja, hogy lakásának melyik pontján van éppen és azt is el tudja képzelni, hogyan kell eljutni egy másikba. Ez utóbbi állítást egy új vizsgálat eredményei látszanak alátámasztani: az éppen nem mozgó egerek agyában olyan mintázatokat rajzol ki a helysejtek aktivációja, amelyek a későbbi útvonalaiknak feleltethetők meg.

A hippokampális helysejtek léte az idegtudomány egyik legnagyobb jelentőségű modern felfedezése, amiért 2014-ben ítélték oda a Fiziológiai és orvostudományi Nobel-díjat. A helysejtek hozzák létre a kognitív térképet, a külvilág belső leképezését, amit az ember és az állatok ahhoz használnak fel, hogy megtalálják úticéljaikat. A kognitív térkép gondolata Edward C. Tolmantól származik, a 40-es évekből. Tolman patkányokkal kísérletezett és azt találta, hogy az állatok, miután megismertek egy labirintust, amelynek egy pontján táplálékhoz juthattak, a táplálékhoz vezető legrövidebb útvonal lezárása esetén azonnal az új legrövidebb utat választották.

Abban az időben a navigációt mozdulatok láncolataként értelmezték, így feltehető volt, hogy az állatok csak olyan útvonalakat képesek bejárni egy jutalom megszerzése érdekében, amit valamikor már felderítettek és összekapcsoltak a céllal. Tolman a labirintus egy szakaszának eltorlaszolásával megváltoztatta a táplálékhoz vezető legrövidebb utat, amit a kísérleti állatok viszont azonnal megtaláltak. Ez a viselkedés Tolman szerint azt feltételezi, hogy a patkányok magukban hordozták a labirintus modelljét, ami alapján anélkül is meg tudták határozni az új útvonalat, hogy azt ténylegesen be kellett volna járniuk előtte.

A kognitív térkép megléte az embernél nem is kérdés. Az, hogy a legtöbben képesek vagyunk elképzelni a számunkra ismerős tereket és meghatározni bennük olyan útvonalakat, amelyek eljuttatnak a célunkhoz, épp a kognitív térkép létezését támasztja alá. A kognitív térképpel kapcsolatos egyik legnagyobb jelentőségű felfedezést a 70-es években tették meg: ekkor tárta fel a hippokampusz helysejtjeit John O’Keefe és munkacsoportja, amiért később O’Keefe Nobel-díjban részesült. Ezek a sejtek a tüzelési mintázatuk alapján a környezet bizonyos pontjait képezik le. Egy helysejt mindig akkor aktiválódik, amikor a kísérleti állat a ketrece egy bizonyos részén helyezkedik el, vagyis a helysejtek aktivitása alapján dekódolható az állat pozíciója a térben. Ezek alapján rögtön felmerült, hogy a helysejtek hozzák létre a kognitív térképet, hiszen a kognitív térkép a külső környezet leképezése, a helysejtek aktivitása pedig épp a külső környezetben elfoglalt helyet kódolja.

A helysejtek és a visszajátszás

A helysejtek tehát a kognitív térkép létrehozásáért felelnek. A rendszer működésével kapcsolatban egy másik fontos felfedezés volt, hogy a helysejtek akkor is aktiválódnak, amikor a rágcsálók pihennek, alszanak, tehát nem feltétlenül csak helyváltoztató mozgás közben. Az is kiderült, hogy ilyenkor az ébrenlét alatt bejárt útvonalakra jellemző aktivitási mintázatok rajzolódnak ki, azonban akár hússzor gyorsabb ütemben, mint a valódi bejárás során. Ez a visszajátszásnak is nevezett jelenség egyébként a hippokampális éleshullám fodrokkal esik egybe. Az éleshullám fodor egy elektrofiziológiai mintázat, amelyet legalább részben a helysejtek hoznak létre. Az éleshullám fodrok olyan egyéb agyi tevékenységekkel esnek egybe, melyek alapján a kutatók úgy gondolják, hogy az éleshullám fodor az emlékek megszilárdulásának kulcsa.

A visszajátszás tehát feltehetőleg hozzájárul a bejárt útvonalak emlékének rögzüléséhez, de már az is felmerült, hogy esetleg új útvonalak megtervezésében is szerepet játszik. E kérdést azonban nehéz lett volna az eddigi ismeretek alapján elbírálni, mivel a legtöbb vizsgálatban egy egyenes folyosón futottak végig a kísérleti állatok. A helysejtek tüzelési mintázata esetenként így is épp ellentétes volt azzal az útvonallal, amit a valóságban megtettek az állatok a folyosó egyik végéből a másikba. Ez azonban már elég volt ahhoz, hogy a kutatók elkezdjenek spekulálni, hogy a mozdulatlanul töltött időben jelentkező hippokampális aktivitás nem csak a már megtett útvonalak rögzítését szolgálja, hanem akár olyan útvonalak szimulációját is, melyeket az állat a valóságban még nem járt be.

Útvonaltervezés a hippokampuszban

Egy amerikai kutatócsoport olyan kísérleti elrendezést tervezett, amelyben egyértelműen kiderülhet, ha a helysejtek aktivitása nem a korábban bejárt, hanem a bejárni tervezett útvonalakat tükrözi. A kutatók ehhez egy négyzet alakú ketrecet használtak, amelynek az aljában vájatok voltak. Az egyik ilyen vájat minden próbánál a kezdőpontként szolgált, egy másik vájatban pedig jutalmat (cukoroldatot) helyeztek el a kutatók. A jutalom helye minden próba során más volt. Amikor az állat összegyűjtötte az első jutalmat, akkor a kezdőponton lévő vájatba is cukoroldat került. A területen volt még egy áttetsző fal, ami az illatokat is átengedte, de ennek a falnak a helye is változott a próbák során.

A kutatók az első jutalom elfogyasztása során kialakuló aktivitást figyelték a hippokampuszban. Ilyenkor az egerek kicsit megpihentek, amíg elfogyasztották a cukoroldatot a vájatból. A helysejtek aktivitása időnként a jutalomhoz vezető útvonalat tükrözte, azonban az esetek többségében a kiindulóponthoz vezető újabb útvonalat szimuláltak, amelyet aztán a kísérleti állatok általában meg is tettek, hogy megszerezzék a második adag cukoroldatot is. A hippokampusz tevékenysége ezek szerint tehát a jövőbeli jutalmak megszerzésére irányult. Ezek az útvonalak ráadásul az áttetsző fal helyének is megfeleltek, vagyis csak olyan útvonalakat szimulált a hippokampusz, amelyet valóban lehetséges volt bejárni az adott próba során.

Mindezek alapján tehát a hippokampuszban nyugalomban kialakuló aktivitás nem csak a már bejárt útvonalak lenyomatának megerősítését szolgálja, hanem új útvonalak szimulálását is, ami feltehetőleg a későbbi navigációt könnyíti meg. Az új útvonalak összeállítása azonban nem független a bejárt útvonalaktól. Az eredmények azt mutatják, hogy a próbánként változó korlátokat minden alkalommal számításba vették a kísérleti állatok, a szimulált útvonalak ezek megkerülésével jöttek létre. Ezek a szimulációk tehát talán frissítik a kognitív térképet, méghozzá virtuális bejárások útján.

Az új eredmények szerint a hippokampális helysejtek aktivitásából dekódolható útvonalak gyakran megfelelnek annak, amit később a kísérleti állat ténylegesen bejár (Forrás: Epsztein, 2022 – Nature).

Az új eredmények azonban nem alkalmasak arra, hogy ok-okozati kapcsolatot támasszanak alá a szimulációt tükröző aktivitásmintázat és a sikeres navigáció között. Ehhez olyan vizsgálatokra lenne szükség, amelyekben manipulálható a hippokampusz tevékenysége. Így meg lehetne határozni, van-e valóban kauzális szerepe a később bejárt útvonal megválasztásában. Elképzelhető, hogy a megfelelő helysejtek mesterséges aktiválásával befolyásolható lenne az állatok későbbi döntése az útvonalakat illetően? Vajon mire lehetne egy efféle technológiát felhasználni? Egyelőre ezek még távoli kérdéseknek tűnnek, de az újabb és újabb kísérletek valószínűleg idővel szükségessé fogják tenni a megválaszolásukat.

Ez a cikkem az Élet és Tudomány 2022/21. számában jelent meg, az Agyi aktualitások rovatban.

Források

Mental replays enable flexible navigation (nature.com)

Flexible rerouting of hippocampal replay sequences around changing barriers in the absence of global place field remapping – ScienceDirect