Egy internacionális kutatócsoport egy agyi ritmus, a gamma oszcilláció újabb funkcióját találta meg a neurális kódolásban. Sikerült bizonyítaniuk, hogy agyunk idegsejtjei erre a ritmusra hangolódva kódolják a teret és navigálnak minket. Ez megerősíti azt a feltevést, miszerint a szélsebes ritmus a elengedhetetlen előfeltétele minden magasabb rendű agyi szerepkörnek.
A tudósok ezelőtt már kimutatták, hogy a bennünket körülvevő teret agyunk idegsejtjei kódolják, és a jelekből a mediális temporális lebeny (a hippokampusz és az entorhinális kéreg szövetségben) elkészíti a környezet neurális modelljét. Ebben a modellben a sejtek úgy jelzik aktuális koordinátáinkat, mint a Google térképen az a némely kék pont. Az viszont, hogy ez miként történik, még mindig élénk vita tárgya. Az ELTE információja alapján ezt a kérdést vizsgálta austini kollégáival Nádasdy Zoltán, az ELTE Pedagógiai és Pszichológiai Kar (PPK) akadémiai főmunkatársa. Az eredményhez a fáziskódolás elmélete segítette a kutatókat.
Mint a beszámolóban írják, téri pozíciónkat a hippokampusz sajátos neuronjai, az úgynevezett helysejtek kisülése mutatja. Ezek a sejtek azt a helyet képviselik, amelyen a mozgásban található személy éppen áthalad. A kisülések sorozatából rekonstruálja agyunk azt az útvonalat, amit a személy megtesz. Ehhez egy koordinátarendszert alkalmaz, amit a szakemberek 2005-ben biztos, hogy meg 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 egyéni igényeknek megfelelő neuronok aktivitásának követését.
A betegek tablettal a kezükben számítógépes játékokat játszottak, ezzel a lehetőséggel a virtuális környezetben hajtottak végre tájékozódási feladatokat.
Az eljárással a szakemberek az epilepsziás rohamok helyének meghatározása mellett a betegek téri navigációját és emlékezetét is tesztelni tudták.
A kísérletek célpontjai az entorhinális kéregben felfedezhető sajátos neuronok, az úgynevezett grid- vagy rácssejtek voltak. A rácssejtek arról ismertek, hogy a térnek periodikusan ismétlődő rácspontjaiban tüzelnek. A betegek játékát figyelve a tudósok azt is látták, hogy ezek a sejtek nemcsak a tér meghatározott pontján, de meghatározott időben is tüzelnek. Ez alapján felvetődött a kérdés, hogy mi hozza létre a neuronok közti összhangot.
Nádasdy Zoltán, a kutatásról beszámoló cikk első szerzője már ezelőtt felvetette, hogy az idegtestek közti információcsere nem véletlenszerű időpontokban történhet, mint ahogyan azt ezelőtt vélték. Az agyban a sejtek tüzelési mintázatát egy ritmus, a gamma oszcilláció szabályozhatja.
Létrehozta a fáziskódolás elméletét, amely a gamma hullám frekvenciájának rögzítése után precíz becslést ad annak terjedésére és sebességére, megjósolja a gamma fázis késését az agykérgen belül vagy az agy távoli részei közt, amellett az oszcillációk terjedéséből következő hálózati tulajdonságokat is mutatja. Mikor is ezek a gamma hullámok természetellenesek, a viselkedés megváltozik, ez történik epilepsziás rohamokban is. A szakemberek így is kezdtek epilepsziás betegeket vizsgálni.
A beszámoló alapján a vizsgálat esetén az ELTE PPK akadémiai főmunkatársa austini kollégáival azt is látta, hogy a kisülések fázisa a gamma ritmushoz képest némely téri pontok környezetében konstans, ezután attól eltávolodva szisztematikusan változik, és némely távolságra megint állandó lesz. Ebből a ritmusból mindazonáltal 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 tudósok alapján 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 mindent összevetve kódolják a teret, akkor a kisülés fázisából megjósolható az avatár pozíciója. Ez ezáltal is történt, emellett azt gondolták a tudósok, ha ez a kód ilyen jól olvasható számunkra, akkor nagy valószínűséggel a neuronok is olvassák.
„Ilyen sebes és precíz fáziskoordinációt, mint melyet most demonstráltunk, téri feladatban még nem figyeltek meg” – összegezte Nádasdy Zoltán. A beszámoló alapján az áttörő megfigyelés nemcsak a fáziskódolás elvét támasztja alá, de választ ad arra kérdésre is, mi a kód kiolvasásának időalapja. Ez ugyanakkor, mint írják, a gamma ritmus lehet. Amennyiben ez ezáltal van, akkor a tudósok a gamma ritmus egy újabb funkcióját találták meg 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, ezáltal az embernél is. Az evolúció alatt stabilan minden agytípusban megjelenő ritmusnak kulcsszerepe lehet az idegi információ kódolásában, s ezt várhatóan újabb kutatások is bizonyítani fogják. A tanulmány a Science Advances című lap 2022. május 4-i számában jelent meg.
mti