Tájékozódni és dönteni nem csak a hajósoknak muszáj

2022. november 16, szerda
Címkék: Hírek

Ujfalussy Balázs (ELKH KOKI) és Orbán Gergő (ELKH Wigner) felfedezte, hogy a rágcsálók idegrendszere tájékozódás közben nem csak az állat pozícióját képes jelezni, de rövid távon az előrejelzés bizonytalanságát is előre megjeleníti. A tanulmány a nagy presztízsű eLife folyóiratban jelent meg. 

 

Vajon mi történik, ha olyan valaki követi bámulattal két madár fantasztikus repülőpárbaját a Balaton felett, aki az ELTE-n idegtudomány szakirányon végzett, s már egyetemistaként elkezdett idegrendszeri hálózatok modellezésével foglalkozni?

Először is felismeri, milyen madarak vívják számunkra látványos, számukra a napi betevő falatért folytatott csatájukat, másodszor, de talán még inkább ugyanekkor, elgondolkozik azon, vajon mi segíti a régi, találó nevükön rablósirálynak, a rendszertan szerint ékfarkú halfarkasnak nevezett madarat abban, hogy sikerrel tudja áldozatát, lerázhatatlanul addig követni, zaklatni, míg az végül elejti zsákmányát, amit a halfarkas még zuhanás közben elkap, majd elfogyaszt, mint megszolgált járandóságot.

Hogyan lehetséges, hogy egy ragadozó ne csak villámgyorsan kövesse áldozatának mozgását, irányváltoztatását, de fel is mérje a lehetséges repülési irányokat és az irányváltásokra is felkészüljön? (1. ábra)

 

 

 

1.ábra Halfarkas üldöz egy csért.  Fotó: Ujfalussy Ferenc

 

 

A kérdés elsősorban nem amiatt fontos, hogy megértsük egy ragadózó madár vagy akár a legsikeresebb-intelligensebb ra- gadozó agyműködését és ennek alapján viselkedését.
A kutatás célja az emberi agy működésének, az ember viselkedésnek a megértése, itt pedig a párhuzam nyilvánvaló. Mozgásunk útvonalát az érzékelt környezet alapján, döntéseinket újra és újra felülvizsgálva tervezzük meg mi is. Gondoljunk csak egy átlagos hétköznapi délutánra, mikor igyekszünk kiválasztani azt a lehetséges útvonalat, melyen a leghamarabb érhetünk haza. Azt, amelyik biztos sikerrel kecsegtet, sokszor nem lehet előre megjósolni.

Bár navigálni, azaz jó tájékozódás alapján jól kormányozni, döntéseket hozni, majd kétezer-egyszáz éve sem volt könnyű. Navigare necesse est (hajózni muszáj) – szól a tehetséges, de sokszor kegyetlen, Róma számára sikeres afrikai hadjárata után Magnus azaz Nagy melléknévvel kitüntetett Cnaeus Pompejustól származó mondás első fele. Azok a bizonyos hajósok, akiknek nem sok kedvük volt gabonával rakott hajójukkal Szicíliából viharban elindulni Rómába, a teljes mondást hallva indultak el mégis. A teljes mondat ugyanis így szól: Navigare necesse est, vivere non est necesse - Hajózni muszáj, élni nem muszáj. A hajósok pedig jobban féltek Pompejus biztos büntetésétől, mint a vihartól, mely csillapulhatott.

 

De térjünk vissza a jelenbe és a jelen kérdéshez, amit Ujfalussy Balázs és Orbán Gergő így fogalmaztak meg: milyen kapcsolatban van az idegi aktivitás a jövőbeli pozíciókra vonatkozó jóslatok bizonytalanságával?

Kezdjük az alapokkal. A hippokampusz nevű agyterület egyes idegsejtjei, az O’Keefe által 1971-ben felfedezett „helysejtek”, akkor válnak aktívvá, amikor az állat az adott környezet egy meghatározott helyére érkezik. 

A helysejtek szekvenciális aktivitása azonban nem csak az állat mozgásával párhuzamosan rajzolja ki az állat útvonalát, és nem is mindig a valódi útvonalat mutatja. A helysejtek aktivitás sorozata másodpercenként kb. tízszer újra kezdődik, oly módon, hogy a szekvencia elején a pillanatnyi pozíciót kódolja, majd elindul előre, az állat lehetséges jövőbeli helyét jósolva (2. ábra).

2.ábra Hippokampális helysejtek szekvenciális aktivitása, mint lehetséges útvonalak idegi reprezentációja.

alul: Az adott környezetet kódoló helysejtek (a helymezők ellipszisekkel ábrázolva)

középen:  A fekete vonal a théta oszcilláció, melynek egyes periódusai-

ban a helysejtek egymás után lesznek aktívak. A színes vonalak a sejtek tüzelését jelzik.

fent: A szekvenciális idegi aktivitás úgy is értelmezhető, hogy a sejtek minden egyes théta ciklusban egy lehetséges útvonalat kódolnak. Az útvonalak a múltból indulnak, ahol az állat bizonytalansága helyét illetően csekély, és a jövőbe vezetnek, ahol ez a bizonytalanság megnő. 

Mindeddig a helysejtek gyors szekvenciális aktivitás-mintázatát úgy értelmezték, mint az állat saját mozgására vonatkozó jóslatának alapját képező idegrendszeri folyamatot. Azt, vajon az egyes megjósolt lehetőségek mellett azok a bizonytalanságát is megjeleníti-e az idegi aktivitás, nem tudtuk. 

Az eLife-ban most megjelent tanulmányban a szerzők tájékozódási feladatot teljesítő rágcsálókból felvett mérések, a hippokampális helysejtek aktivitásának új megközelítés szerinti elemzésével próbálták megtalálni a bizonytalanság kódját.

Először azt feltételezték, hogy a jövőbeli pozíciók bizonytalansága oly módon tükröződik, hogy több lehetséges útvonal egyszerre jelenik meg a neurális aktivitásban. Ebben az esetben a bizonytalanság azonnal és közvetlenül kiolvasható lenne a pillanatnyi idegi aktivitásból. A megvizsgált kísérleti adatok azonban nem támasztották alá ezt a felvetést. Ezzel szemben, a jövőbeli bizonytalanságot az egyes théta ciklusok során lejátszott útvo-nalak közötti variabilitás tükrözi: minden ciklusban egy új lehetséges útvonalnak megfelelő helysejtek aktiválódnak. Érdekes módon, az egymást követő théta ciklusok során megfi- gyelt útvonalak nem függetlenek egymástól, hanem különböző irányokba mutatnak. Ez teszi lehetővé, hogy viszonylag rövid idő alatt az állat hatékonyan mintavételezze a ren-delkezésére álló lehetőségek lehető legnagyobb részét (3. ábra).

Tájékozódás közben a rágcsálók egy térképszerű mentális modell segítségével tudnak lehetséges útvonalakat “kipróbálni”.

A kép alapja egy szintvonalas domborzati térkép. A fehér vonal ábrázolja a kísérleti patkány útvonalát, a zöld és narancs vonalak pedig lehetséges alternatív útvonalak. A halvány színek a minden pillanatban jelenlévő rengeteg lehetőségre mutatnak példákat, amelyekből az agy kiválasztja azt az egy hipotetikus útvonalat (élénk színek), amely az idegi aktivitásban megjelenik.

Az alternáló színekkel jelzett, egymást követően megjelenő útvonalak általában különböző irányban térnek el az állat valódi útvonalától. A megjelenített útvonal nem feltétlenül az, amelyik a legjobban hasonlít az állat útjára.

A cikk eredményei fontos útmutatásul szolgálhatnak változó környezetben is  megbízható-an működő, tervezésre is képes intelligens rendszereket fejlesztő mérnököknek. Amennyiben az emberi agyban is hasonló folyamatok játszódnak le, a tanulmány segíthet megérteni, miként vagyunk képesek jóslataink bizonytalanságával megbirkózni döntés-hozatali helyzetekben. 

 

Balázs Ujfalussy, Gergő Orbán: Sampling motion trajectories during hippocampal theta sequences.  eLife

<< Vissza

Navigare necesse est

Balázs Ujfalussy, Gergő Orbán: Sampling motion trajectories during hippocampal theta sequences. eLife https://elifesciences.org/articles/74058

 

halfarkas
Halfarkas üldöz egy sirályt Fotó: Ujfalussy Ferenc
Tájékozódás közben a rágcsálók egy térképszerű mentális modell segítségével tudnak lehetséges útvonalakat “kipróbálni”.
Hippokampális helysejtek szekvenciális aktivitása mint lehetséges útvonalak idegi reprezentációja.