Az emberi agy idegsejtjei meghatározott ritmusra kódolják a teret

A kutatók korábban már kimutatták, hogy a bennünket körülvevő teret agyunk idegsejtjei kódolják, és a jelekből a mediális temporális lebeny (a hippokampusz és az entorhinális kéreg közösen) megalkotja a környezet neurális modelljét. Ebben a modellben a sejtek úgy jelzik aktuális koordinátáinkat, mint a Google térképen az a bizonyos kék pont. Az azonban, hogy ez miként történik, továbbra is élénk vita tárgya. Ezt a kérdést vizsgálta austini kollégáival Nádasdy Zoltán, az ELTE Pedagógiai és Pszichológiai Kar (PPK) tudományos főmunkatársa. Az eredményhez a fáziskódolás elmélete segítette a kutatókat.

A téri pozíciónkat a hippokampusz sajátos neuronjai, az úgynevezett helysejtek kisülése jelzi. Ezek a sejtek azt a helyet képviselik, amelyen a mozgásban lévő személy éppen áthalad. A kisülések sorozatából rekonstruálja agyunk azt az útvonalat, amelyet a személy megtesz. Ehhez egy koordinátarendszert alkalmaz, amelyet a kutatók 2005-ben meg is találtak a hippokampusszal szomszédos entorhinális kéregben. A tudóscsoport ezt a területet kezdte el vizsgálni úgy, hogy epilepsziás betegek temporalis lebenyébe több tucat elektródát ültettek be, köztük olyan mikroelektródákat is, amelyek lehetővé tették egyedi neuronok aktivitásának követését.

A betegek tablettel a kezükben számítógépes játékokat játszottak, ily módon a virtuális környezetben hajtottak végre tájékozódási feladatokat. Az eljárással a kutatók az epilepsziás rohamok helyének meghatározása mellett a betegek téri navigációját és emlékezetét is tesztelni tudták.

A kísérletek célpontjai az entorhinális kéregben található sajátos neuronok, az úgynevezett grid- vagy rácssejtek voltak. A rácssejtek arról ismertek, hogy a térnek periodikusan ismétlődő rácspontjaiban tüzelnek. A betegek játékát figyelve a kutatók azt is látták, hogy ezek a sejtek nemcsak a tér meghatározott pontján, de meghatározott időben is tüzelnek. Ez alapján felvetődött a kérdés, hogy mi teremti meg a neuronok közti összhangot.

Nádasdy Zoltán, a kutatásról beszámoló cikk első szerzője már korábban felvetette, hogy az idegtestek közötti információcsere nem véletlenszerű időpontokban történhet, mint ahogy azt korábban vélték. Az agyban a sejtek tüzelési mintázatát egy ritmus, a gamma oszcilláció szabályozhatja.

Megalkotta a fáziskódolás elméletét, amely a gamma hullám frekvenciájának rögzítése után pontos becslést ad annak terjedésére és sebességére, megjósolja a gamma fázis késését az agykérgen belül vagy az agy távoli részei között, továbbá az oszcillációk terjedéséből következő hálózati tulajdonságokat is jelzi. Amikor ezek a gamma hullámok természetellenesek, a viselkedés megváltozik, ez történik epilepsziás rohamokban is. A kutatók ezért is kezdtek epilepsziás betegeket vizsgálni.

Az ELTE PPK tudományos főmunkatársa austini kollégáival azt is látta, hogy a kisülések fázisa a gamma ritmushoz képest bizonyos téri pontok környezetében konstans, majd attól eltávolodva szisztematikusan változik, és bizonyos távolságra megint állandó lesz. Ebből a ritmusból pedig egy idő múltán létrejön egy környezetspecifikus térkép.

Ebből kiderült, hogy a sejtek oly módon koordinálják tüzelésüket a gamma oszcillációkkal időben is és térben is, mintha szigorúan koreografált tánclépéseket tennének. A kutatók szerint a jelenséget leginkább a tangóhoz lehet hasonlítani, ahol a tánclépések ugyan kötöttek, de a vezető szabadon vezeti partnerét a táncparkett egész területén.

Azt feltételezték, ha a neuronok így kódolják a teret, akkor a kisülés fázisából megjósolható az avatár pozíciója. Ez így is történt, illetve azt gondolták a kutatók, ha ez a kód ilyen jól olvasható számunkra, akkor nagy valószínűséggel a neuronok is olvassák.

Ilyen gyors és precíz fáziskoordinációt, mint amit most demonstráltunk, téri feladatban még nem figyeltek meg – összegezte Nádasdy Zoltán.

Az áttörő megfigyelés nemcsak a fáziskódolás elvét támasztja alá, de választ ad arra kérdésre is, mi a kód kiolvasásának időalapja. Ez pedig, mint írják, a gamma ritmus lehet. Amennyiben ez így van, akkor a kutatók a gamma ritmus egy újabb funkcióját fedezték fel a neurális kódolásban. A felfedezés nemcsak magyarázatot ad arra, hogyan kódolja a teret agyunk, de közelebb vihet az agyi zavarok gyógyításához is.

A gamma ritmus az ízeltlábúaktól a gerincesekig, a rovaroktól a főemlősökig mindenhol megtalálható, így az embernél is. Az evolúció során stabilan minden agytípusban megjelenő ritmusnak kulcsszerepe lehet az idegi információ kódolásában, s ezt várhatóan további kutatások is bizonyítani fogják.

A tanulmány a Science Advances című lap 2022. május 4-i számában jelent meg.