Így reagál az agy, amikor hirtelen minden megváltozik körülöttünk

Hogyan reagál az agyunk, amikor egy ismerős helyzet hirtelen teljesen másképp működik? Magyar kutatók jártak utána.

Hogyan képes az agyunk adaptálódni és újratervezni a megfelelő viselkedést, amikor egy ismerős környezetben valami váratlanul megváltozik? A HUN-REN Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet (HUN-REN KOKI) két kutatócsoportjának legújabb közös munkája arra kereste a választ, mi zajlik a tanulásért és memóriáért felelős agyi központban, a hippokampuszban, térbeli tanulás és a hirtelen környezeti változásokhoz való alkalmazkodás során. Eredményeik – amelyeket a Science Advances folyóiratban publikálták – elősegíthetik a jövőben a kognitív hanyatláshoz vezető mechanizmusok jobb megértését is.

Az alkalmazkodás a túlélés kulcsa

Agyunk egyik legfontosabb – a túlélésünk szempontjából elengedhetetlen – képessége, hogy elősegíti a változó környezethez való alkalmazkodást. Ennek alapja egyrészt a tapasztalatgyűjtésen alapuló tanulás, másrészt a váratlan környezeti változásokhoz történő gyors adaptációt lehetővé tévő rugalmas gondolkodás, azaz kognitív flexibilitás. A rugalmas gondolkodás képességének hiányában, gondolkodásbeli merevség (rigiditás) alakul ki. Az ezzel küzdő emberek képesek ugyan szabályszerűségek felismerésére és elsajátítására, de a szabályok megváltozásakor is ragaszkodnak a korábban bevált megoldási módokhoz. Mind a tanulásra való képesség zavara, mind a kognitív rigiditás számos neuropszichiátriai betegségben és az öregedés során is megfigyelhető.

A kutatók szerint nem ismert teljeskörűen, hogyan épülnek be az alkalmazkodáshoz szükséges térbeli- és kontextuális információk az agy kognitív térképébe a tapasztalatgyűjtésen alapuló tanulás során. Illetve arról is keveset tudunk, milyen változások zajlanak egy-egy szabály- vagy kontextusváltás alatt a hippokampuszban, az agy memóriafolyamatokban és navigációban központi szerepet játszó területén. A KOKI kutatói – a Makara Judit által vezetett Idegi Jelátvitel Kutatócsoport és az Ujfalussy Balázs által vezetett Biológiai Számítások Kutatócsoport – ezeket a kérdéseket egerekben vizsgálták.

Célunk egy olyan kísérleti paradigma megalkotása volt, amelyben egyszerre tudtuk vizsgálni a hippokampusz kimeneti régiójában elhelyezkedő serkentő sejtek aktivitását kontextus-függő tanulás és térbeli tájékozódás során.

– mondta Nyilas Rita, a Science Advances folyóiratban megjelent cikk elsőszerzője.

Jobban érthetővé válhatnak majd a pszichiátriai betegséghez és a kognitív hanyatláshoz vezető mechanizmusok

A vizsgálatban a kutatók olyan transzgén egereket használtak, amelyekben a célsejtek aktivitása fényjel formájában vált láthatóvá, így két-foton mikroszkóppal pontosan követhető volt a működésük.

Az egereknek vetített virtuális folyosókon futva kellett megtanulniuk, milyen színű és mintázatú környezetben számíthatnak jutalomra. A kísérletben két, eltérő falú folyosótípust használtak, és csak az egyikben járt a jutalomcsepp az egérnek, ha jó helyen kereste.

A kísérletek végrehajtásának több módszertani feltétele is volt. Az egyik a stabil, jó minőségű képalkotást hosszú ideig (akár több héten-hónapon keresztül) is lehetővé tévő technikai részletek kidolgozása, a másik a virtuális környezetben végzett feladat optimalizációja. Be kellett állítani a vetített folyosó hosszát, meghatározni a naponta felvett kísérletek számát annak érdekében, hogy az állatok motiváltan és az eredmények statisztikai analíziséhez is elégszer csinálják végig a feladatot, valamint kidolgozni az elemzési módszereket.

Az általunk használt diszkriminációs feladat megtanulása során először a folyosók térbeli kódolása alakul ki a hippokampuszban. A viselkedésben tükröződő tanulással párhuzamosan azonban az általánosabb térbeli reprezentáció fokozatosan egy folyosó-specifikus, diszkrimináló idegi aktivitásmintázattal egészült ki. Meglepő módon, szelektiv aktivitást mutató sejtek a nem-jutalmazott folyosóban is megjelentek, vagyis absztrakt, kontextus-függő kód alakult ki a hippokampuszban.

– magyarázta Nyilas Rita.

Az egyik folyosó színének és mintázatának váratlan cseréjekor, azaz a már megtanult feladat hirtelen megváltoztatásakor, az egerek gyors teljesítményromlásával összhangban az idegi kód is gyorsan átrendeződött, de nem csak az új, hanem a változatlanul hagyott folyosó hippokampális reprezentációjában is. Ez a feladat hierarchikus idegi leképezésére utal, amire az jellemző, hogy a szabály áll a legfelső szinten, azután a folyosó, majd a pozíció. A szabály megváltozásával változik a másik két kód is, amelyek együttesen vannak jelen a sejtek aktivitásában.

Egy másik kísérletben a kutatók nem a már megtanult feladathoz használt folyosópár típusán változtattak, hanem a jutalmat helyezték át váratlanul és jelzetlenül az egyik folyosóból a másikba. Ezt a kontextusváltást az egerek lassabban vették észre, így a reprezentációs változás is időben elnyújtottabban jelentkezett. Ebben az esetben is a viselkedési változásnak megfelelően változott a hippokampális idegsejtek aktivitásmintázata.

A viselkedés és a hippokampális idegi aktivitás közötti összefüggést jól mutatta, hogy a jutalom-áthelyezést követően, amikor az egerek hiába próbáltak a csere előtt jutalmazott folyosóban vizet találni, az idegsejtek aktivitásmintázata jobban hasonlított a csere előtti reprezentációhoz, mint a helyes, megváltozott stratégiájú keresések alatt – magyarázták a kutatók.

Az eredmények azt mutatják, hogy a hippokampusz fontos szereplője nemcsak a tanulási, hanem a kognitív flexibilitásért felelős folyamatoknak is. Ezen folyamatok további vizsgálata elvezethet a számos pszichiátriai betegségben és az öregedés során megfigyelhető kognitív hanyatláshoz vezető mechanizmusok jobb megértéséhez.

Összegzés

• Az agy alkalmazkodóképessége segíti a váratlan környezeti változások kezelését.
• A kutatás az idegi aktivitásmintázatok tanulásban és kognitív flexibilitásban játszott szerepét vizsgálta.
• Egérmodellek használata fénymikroszkóppal lehetővé tette az idegsejt-aktivitás pontos követését.
• A hippokampuszban megfigyelt idegi kód a viselkedésbeli adaptációval összhangban változott.
• Eredményeik hozzájárulhatnak a neuropszichiátriai betegségek és kognitív hanyatlás jobb megértéséhez.

Kapcsolódó cikk

Hogyan segíti a mozgás a gyerekek tanulását? Egy győri kutató forradalmi programja

Kövesse az Egészségkalauz cikkeit a Google Hírek-ben , a Facebook-on, az Instagramon vagy a X-en, Tiktok-on is!