Az idegrendszer működésének rejtelmei talán kifürkészhetetlennek tűnnek, de a modern idegtudomány egyre több titkát tárja fel. Egy új kutatás például a menekülés irányának megválasztása hátterében álló neurális mechanizmust feszegette.

Az idegrendszer működésének rejtélye évezredeken keresztül lengte be az emberek hiedelemvilágát. Galénosz az i. sz. II. században tisztázta, hogy az agyhoz köthető az elme. Ezután azonban több mint másfél évezreden keresztül az volt a többségi álláspont, hogy az elme az agykamrákban lévő folyadékban található másvilági létező, ami az idegeken keresztül tartja a kapcsolatot a test többi részével. Az idegrendszer működésének alaposabb megismerését két alapvető jelentőségű felfedezés tette lehetővé. Egyrészt kiderült, hogy az idegrendszerben elektromos jelek közlekednek, másrészt az is világossá vált, hogy az idegrendszer idegsejtek építik fel. Az idegsejtek bonyolult hálózatokat alkotnak, melyekben az elektromos jelek többé kevésbé kiszámítható módon terjednek.

A XX. század első felében számos további felfedezés támasztotta alá, hogy az idegsejtek alkotta hálózatok működésének feltárása lehet a viselkedés és a gondolkodás megértésének kulcsa. Ez a folyamat az érzékelés és a mozgás idegrendszeri alapjainak megismerése során volt a leghatékonyabb, hiszen ezek a funkciók az idegrendszer perifériáján jól megfigyelhetők. Az érzékelés során kialakul valamilyen aktivitásmintázat az érzékszervekben, amit aztán követni lehet a központi idegrendszerbe. A mozgás során az aktivitás az izmokat mozgató idegekben egyértelmű, ennek a forrását lehet visszafejteni a központi idegrendszerben.

Szenzorimotoros transzformáció az ecetmuslica agyában

Ezek alapján azt hihetné az ember, hogy az érzékelés és a mozgás kapcsolata teljesen világos az idegtudósok számára, azonban sajnos ez nem ilyen egyszerű. Egy inger érzékelése és az annak nyomán kialakuló mozgató parancs, illetve viselkedéses válasz között bekövetkező események egyelőre nem tisztázottak. Egy amerikai kutatócsoport azonban néhány hete publikált egy tanulmányt, mely feltárta, hogy milyen mechanizmus révén határozza meg az ecetmuslicák agya a menekülés irányát egy fenyegető inger közeledése során.

Az érzékelés és a mozgás közötti kapcsolat olyan esetekben a legnyilvánvalóbb, amikor az érzékelt ingerre azonnali választ ad az idegrendszer. Azt a folyamatot, melynek során az érzékelésből nyert információ alapján alakul ki egy mozgató parancs az idegrendszerben, szenzorimotoros transzformációnak nevezzük. Ilyen például, amikor egy hang irányába fordul a fej, vagy amikor egy muslica elmenekül a felé közeledő fenyegető vizuális inger elől. Ez utóbbi helyzetet vizsgálták az amerikai kutatók, méghozzá úgy, hogy az ecetmuslicák látóterében lévő felületre fokozatosan növekvő fekete korongot vetítettek.

A kísérletek lényegének megértése szempontjából az is központi, hogy az ecetmuslica esetében viszonylag jól ismert, hogy a látásért felelős idegsejtek egy részének szerepe van a vizuálisan irányított mozgásokban, például a járásban és a menekülésben is. Ezeket a neuronokat vizuális projekciós neuronoknak nevezik, mivel a vizuális rendszer által feldolgozott információt továbbítják az agy központi területe felé. Ezek a sejtek közvetlenül az ún. leszálló premotoros neuronokkal képeznek szinapszisokat, melyek specifikus mozdulatokat hoznak létre, mozgató idegsejtek felé továbbítanak jeleket. Az ecetmuslicában tehát viszonylag egyszerű az anatómiai háttere a szenzorimotoros transzformációnak, csupán a transzformációkonkrét mechanizmusa volt ismeretlen, vagyis az, hogy pontosan hogyan alakítja az idegrendszer az érzékelésből származó információt mozgató paranccsá.

Nincsenek címkézett útvonalak

A vizsgálatok során a muslicák menekülését figyelték meg a kutatók. A muslicák menekülése egy egészen egyszerű, ám annál hatékonyabb szabály szerint történik: amennyiben a fenyegető inger szemből közeledik hátrafelé, ha hátulról, akkor viszont előre indulnak el. A kutatók tudták, hogy a vizuális projekciós neuronok egy maroknyi leszálló premotoros neuronnal vannak kapcsolatban. Géntechnológiai úton tették mesterségesen aktiválhatóvá ezeket a premotoros idegsejteket és megfigyelték hogyan befolyásolja ez a menekülést. Találtak két premotoros idegsejtet, melyek közül az egyik az előre, a másik a hátrafelé irányuló felszállásokért felelt.

Ezen a ponton tehát a kutatók korábbi vizsgálatok alapján tudták, hogy mely idegsejtek továbbítják a közeledő, fenyegető ingereket kódoló jeleket (vizuális projekciós neuronok). Saját kísérleteik pedig azt mutatták meg, hogy az ezekkel kapcsolatban lévő sejtek (leszálló premotoros neuronok) közül kettő határozza meg a felszállás irányát a menekülés során. Innentől az volt a központi kérdés az volt, hogy vajon hogyan aktiválják a vizuális projekciós neuronok a megfelelő premotoros idegsejtet.

A legegyszerűbb lehetőség, ha azok az idegsejtek, melyek az állat előtt lévő vizuális ingereket érzékelik, azzal a premotoros neuronnal képeznek kapcsolatot, amelyik a hátra irányuló felszállás mozgató parancsát hozza létre végső soron. Ez az ún. labelled lines (címkézett útvonalak) konfigurációnak felelne meg, amely egyébként az érzékelőrendszereken belül jellemző. Az érzékelő rendszereknél szokványos, hogy a látótér közeli pontjairól érkező ingerlés vagy a hasonló frekvenciájú hangok egymáshoz fizikailag is közel lévő idegsejteket aktiválnak a rendszer különböző pontjain. Ennek az a feltétele, hogy a sejtek közötti kapcsolatok specifikusak legyenek, vagyis a vizuális projekciós neuronok csak az egyik premotoros sejttel képezzenek kapcsolatokat.

A szövettani vizsgálatok azonban azt mutatták, hogy a projekciós idegsejtek mindkét premotoros sejttel képeznek kapcsolatokat. Kiderült azonban, hogy a szemből közelítő ingerekre érzékeny sejtek nagyobb számú szinapszist képeznek azzal a premotoros sejttel, amely a hátrafelé irányuló menekülésért felel és ugyanez a mintázat volt jellemző a hátulról közelítő ingerekre érzékeny neuronok kapcsolataira is. Nincsenek tehát címkézett útvonalak a szenzorimotoros transzformációért felelős hálózatban. Ehelyett a szinaptikus kapcsolatok túlsúlya az, ami végül meghatározza, hogy melyik premotoros idegsejt aktiválódjon.

A kutatók további szövettani vizsgálatok révén azt is kimutatták, hogy általánosan jellemző a szinaptikus kapcsolatok efféle mintázottsága, tehát feltehetőleg egy olyan általános motívumra bukkantak, ami más folyamatokban is szerephez jut. Vajon az emlősök idegrendszerében is így történik ez?

A fémes légy esetének tanulsága

További vizsgálatokra lesz szükség, hogy kiderüljön mennyire jellemző a különféle állatok idegrendszerének szerveződésére a felvázolt motívum. A rovaragy gyakran egyszerűbb megoldásokkal hoz létre hasonló viselkedéseket, mint az emlősagy. Klasszikus példa erre a táplálékfelvétel szabályozása a fémes légyben. A XX. század derekán Vincent G. Dethier írta le az egyszerű hálózatot, amely a fémes légy táplálkozását határozza meg. Amennyiben a lábon lévő kemoreceptorok tápanyagokat jeleznek, a gyomor feszülésérzékelő receptorai pedig ürességet, úgy az állat táplálkozni kezd és egész addig folytatja, amíg a feszülésérző receptorok nem jeleznek. A táplálékfelvétel szabályozása ehhez képest nagyságrendekkel összetettebb az emlősöknél és talán ugyanez igaz a szenzorimotoros transzformációra is.

Ez a cikkem az Élet és Tudomány Agyi aktualitások rovatában jelent meg.

Források

A neural strategy for directional behaviour (nature.com)

Synaptic gradients transform object location to action | Nature