Az agyi kapcsolatok fejlődésének dinamikája

Az ELTE Matematikai Intézet PIT Bioinformatikai Csoportja évek óta foglalkozik az Amerikai Egyesült Államok egy agytudományi kutatási programja, a Human Connectome Project adatainak gráfelméleti, matematikai feldolgozásával – derül ki a szerkesztőségünkhöz eljuttatott közleményből. 2015-ben elkészítették az emberi agy összeköttetéseinek konszenzus-modelljét: a személyes változékonyságot kiszűrve, a modell csak a sok alanynál megtalálható kapcsolatokat tartalmazza, azaz az agygráf egy egyén agya helyett a közös, emberi agygráf kapcsolatait írja le. A webszervert korábban a Neuroscience Letters méltatta. A tavalyi eredményre épül a 2016. június 30-án a rangos PLOS ONE hasábjain megjelent felfedezés.

A biológiában rendkívül ritkán fordul elő az, hogy ugyanazon a csúcshalmazon sok különböző gráfot vizsgálnak. Az agygráfoknál azonban ez a tipikus helyzet: a csúcsok az agy szürkeállományának anatómiailag azonosított 1-1,5 négyzetcentiméteres területeinek felelnek meg, és két csúcs éllel van összekötve, amennyiben egy diffúziós MRI-alapú eljárással közvetlen, idegrostokból álló összeköttetést fedeznek fel a csúcsoknak megfelelő, szürkeállománybeli területek között. A webszerver segítségével lehet megjelentetni és ábrázolni a kisebb, illetve a nagyobb gyakorisággal megjelenő agyi kapcsolatokat, azaz az agygráf ritkábban és gyakrabban előforduló éleit. 

Az ELTE-s kutatócsoport doktori hallgatója, Kerepesi Csaba a webszerver publikálása után, rendkívül meglepő észrevételt tett. Azok az élek, amelyek a vizsgált alanyok 100%-ában jelen vannak, nyilvánvalóan kevesebben vannak, mint azok az élek, amelyek csak az alanyok legalább 75%-ban vannak jelen, és ezek kevesebben vannak, mint azok, amelyek legalább 50%-ban vagy mondjuk legalább 25%-ban vannak jelen. Tehát ha tekintjük azokat az agyi kapcsolatokat, amelyek az alanyok legalább x %-ában vannak jelen, és az x-et csökkentjük 100-tól 1-ig, akkor egyre több kapcsolatot kapunk, egyre több él lesz a gráfunkban. A megdöbbentő észrevétel az, hogy az élek nem véletlenül, szétszórva jelennek meg az x paraméter csökkentésével, hanem egy növekedő fához hasonlóan, többnyire a már meglevő élekhez csatlakozva. (Ezt mutatja a mellékelt ábra is, a jelenségről itt megtekinthető egy animáció. Az ELTE-s webszerveren bárki saját maga is megtapasztalhatja a jelenséget, ha a „Show options” választás után a „Minimum edge confidence” csúszkát jobbról balra tolja el, és közben figyeli a megjelenő éleket.)

Az ELTE PIT Bioinformatikai Csoportjának kutatói, Kerepesi Csaba, Szalkai Balázs és Varga Bálint doktoranduszok és Grolmusz Vince egyetemi tanár azt feltételezik, hogy a növekvő fához hasonló struktúra az emberi agy kapcsolatainak fejlődését írja le. Az elsőként megjelenő kapcsolatok szinte minden alanyban ugyanolyanok, és a kapcsolatok kialakulása során az apró, egyedi különbségek fokozatosan összeadódnak, és így a később kialakuló kapcsolatok esetében az egyének közötti változékonyság már jóval nagyobb, mint az előbb kialakulók között volt.

Ha a fenti feltételezés helytálló, akkor – az agyi kapcsolatok fejlődésének leírásán kívül – az agyi kapcsolatok irányának meghatározására is alkalmazhatónak látszik a most felfedezett jelenség; erre idáig az MRI-alapú módszerek nem adtak módot.