A denevérek egy kisrobogó sebességével repülnek, így ha nem akarnak akadálynak csapódni, jobb, ha nem az aktuális helyzetükkel törődnek, hanem azzal, hol lesznek a következő másodpercekben. Ha ez egy általános emlős jellegzetesség, akkor valószínűleg a mi agyunk is ilyen üzemmódba lép például autóvezetés közben.

Miközben autónkkal forgalmas kereszteződéshez érünk, valószínűleg kevésbé figyelünk az aktuális helyzetünkre, mint inkább arra, hol leszünk pár pillanat múlva. Ez logikus, hiszen a jövőbeni helyzetünkkel kell törődnünk, nem az aktuálissal, ha pontosan akarjuk tudni, mikor érjük el a kereszteződést, és kell-e lassítanunk, esetleg meg is állnunk, hogy elkerüljük az ütközést egy utunkat keresztező autóval, biciklistával vagy gyalogossal.

Ez a képességünk, amellyel arra koncentrálunk, hová érünk az elkövetkező pillanatokban, s nem arra, hol vagyunk éppen, feltehetőleg az emlős agy beépített navigációs moduljának alapvető alkotóeleme – vetik fel a kaliforniai Berkeley Egyetem idegtudósai a Science folyóirat legutóbbi számában. A kutatók vezeték nélküli jeladók segítségével követték nyomon egyiptomi gyümölcsdenevérek agyi aktivitását, miközben az állatok egy számukra újdonságszámba menő röpdén cikáztak keresztül.

Amikor összevetették a denevérek röppályáját a kiolvasott idegi aktivitással, arra lettek figyelmesek, hogy a denevéragy „helysejtjei" – azok a speciális neuronok, amelyek az állat térbeli pozícióját kódolják – olyan mintázat szerint tüzeltek, amely szorosabb korrelációt mutatott a közeljövőbeni helyzetükkel, mint a pillanatnyival.

Fotó / Shutterstock

„Azt szerettük volna tisztázni, hogy a bármely adott pillanatban megfigyelt idegi aktivitás jobban reprezentálja-e az állat pár pillanattal azelőtti, vagy pár pillanattal későbbi pozícióját, mint az aktuálisat – magyarázta a cikket vezető szerzőként jegyző Nicholas Dotson, a Berkeley posztdoktor munkatársa. – A válasz pedig az, hogy az idegi aktivitás sokkal hatékonyabban reprezentálja a jövőbeni helyzetet. A megfigyelt agyi terület tehát nem, vagy nem is elsősorban a denevér aktuális helyzetét képezi le, hanem megkísérli felvázolni a teljes várható röppályát."

A hippokampusznak nevezett agyterületen található helysejtek sok szárazföldi gerincesben, köztük az emberben is egy együttműködő hálózat részeként egyfajta veleszületett GPS-rendszert alkotnak. Amikor az állat számára új környezetet fedez fel, a különböző helysejtek más és más helyeken aktiválódnak, így felépül az agyban a terület belső térképe, ami aztán eltárolható és visszahívható.

„Ha valaki követné a hippokampuszomban az idegi aktivitást, miközben járkálok egy szobában, ki tudná következtetni az aktivitásmintázatból, hol lehetek éppen" – fejtette ki Dotson. A rágcsálóagy helysejtjeinek felfedezéséért 2014-ben ítélték oda az orvosi Nobel-díjat, de az ezt megalapozó klasszikus kísérletek zömét már az 1970-es – 1980-as években elvégezték. Ennek ellenére máig számos nyitott kérdés maradt egyebek között azzal kapcsolatban, hogy miként működik ez az agyterület gyors mozgás közben, és hogyan reprezentálódnak benne a nem-aktuális pozíciók, vagyis azok a helyzetek, amelyeket nem épp az adott pillanatban foglalunk el.

Forrás: Getty Images/(c) Maciej Frolow/Maciej Frolow

„Mivel a hippokampusznak ismerten szerepe van a navigációban, jó pár tanulmány vizsgálta már az idegi kódolást ezen az agyterületen, választ keresve arra a kérdésre, hogy miként képezi le az itteni agyi aktivitás a jövőben várható, illetve a korábban történt dolgokat – ismertette Michael Yartsev, a Berkeley neurobiológia-biomérnök tanársegédje. – A kísérletek azt is megpróbálták tisztázni, hogy mutathat-e vajon a hippokampusz olyan aktivitást, ami nem a jelenlegi pozíciónkat, hanem egy térben távoli helyet reprezentál."

Az eddigi kísérletes munkák azonban kudarcot vallottak e kérdések meggyőző megoldásában – szögezi le Yartsev, hozzátéve: ennek az egyik lehetséges oka az, hogy viszonylag lassan mozgó állatokkal végezték őket, például patkányokkal, amelyek egy laborketrecben nem tesznek meg 5-10 centiméternél többet másodpercenként. Márpedig ha egyedi idegsejtek aktivitását figyeljük a térbeli helyzet függvényében, nem fogunk óriási változásokat látni néhány centiméteres elmozdulás hatására.

A denevérek ezzel szemben villámsebes légi akrobaták. „A denevérek nagyon-nagyon gyorsak – hangsúlyozta Yartsev.Laborkörülmények között is 30-50 km/h sebességgel repülnek, és ez a jelen kísérlet szempontjából óriási előnyt jelent. A másodperc ugyanazon törtrésze alatt, míg egy patkány pár centit halad előre, a denevér métereket repül."

A kísérlet

A kísérletek kivitelezéséhez Yartsev és Dotson vezeték nélküli eszközökkel rögzítették a denevérek agyi aktivitását, miközben az állatok keresztbe-kasul cikáztak egy kifejezetten erre a célra kialakított szobán. A szobát kamerákkal szerelték fel, amelyek minden pillanatban pontosan nyomon követték a denevérek röppályáját. A kísérletek egy részében emberek ösztökélték a denevéreket arra, hogy a szoba teljes háromdimenziós térfogatát bejárják, miközben rögzítették helyzetüket és agytevékenységüket. A többi kísérletben a denevérek maguk voltak a szobában, de annak különböző pontjain automatikus etetőket helyeztek el, ezzel sarkallva az állatokat a tér felfedezésére.

Amikor Yartsev és Dotson összevetette az idegsejtek aktivitásának időzítését a denevérek repülési útvonalával, azt tapasztalták, hogy ha a denevérek pozícióját előretekerik az időben – vagyis az idegi aktivitást a néhány száz ezredmásodperccel, legfeljebb egy másodperccel későbbi térbeli helyzettel hasonlítják össze –, jóval erősebb korrelációt kapnak az idegi aktivitásmintázat és a térbeli pozíció között. „Ha valaki csak a nyers adatokat nézné, arra a következtetésre juthatna, hogy a hippokampális idegsejtek egy része egyáltalán nem is kódol térbeli információt, mert semmilyen korreláció nem mutatkozik a t=0 időpontban látható aktivitás és a térbeli helyzet között – mondta el Yartsev. – Ha azonban az idegsejt aktivitását az egy másodperccel későbbi térbeli helyzettel vetjük össze, hirtelen hihetetlenül pontos korrelációt kapunk."

Az eredmények nyomán az a kép rajzolódik ki, hogy a helysejtek aktivitása nem egyetlen pillanatnyi helyzetet, hanem egy a közeli jövőbe – és talán a közelmúltba is – kiterjedő mozgásvonalat reprezentál.

Forrás: Biosphoto

„Elképzelhetjük, amint végigsétálunk egy folyosón, és arra gondolunk, hol is voltunk az imént, és hol leszünk mindjárt. Vajon hogy néz ki ez az agyi aktivitás szintjén? – teszi fel a kérdést Dotson.Eredményeink azt sugallják, hogy a denevérek elméje repülés közben nemcsak a pillanatnyi helyzetüket, de az egész mozgásvonalon elfoglalt helyzetüket is reprezentálja."

Bár magukat a helysejteket és az egész navigációs rendszer alapvető alkotóelemeit egy sor különféle emlősben azonosították, nem világos, hogy a mozgáspálya másodpercnyi előrevetítésének képessége csak a gyors röptükről híres denevérek sajátja, vagy más fajok is osztoznak rajta. A felfedezés ezért számos további izgalmas kérdést vet fel egyebek közt arról, hogy mi, emberek hogyan dolgozzuk fel agyunkban a mozgást téren és időn át.

Mivel a hippokampusz többféle neurodegeneratív megbetegedésben, így például a térérzékelés és memória zavarával járó Alzheimer-kórban is érintett, az itt zajló alapvető neurális műveletek felderítése a betegségekben tapasztalható zavarok jobb megértését is elősegíti, és a hatékonyabb gyógymódok kidolgozásához is hozzájárulhat.

„Talán a talajon mozgó lényeknek nem kell olyan messzire előretekinteniük a jövőbe, mint a denevéreknek, de ez még nálunk, embereknél is szituációfüggő lehet – hangsúlyozta Yartsev. – Ha csak sétálunk, valószínűleg elég tudnunk, mi várható épp az orrunk előtt. Viszont ha már autót vezetünk, jó pár méterrel előre kell terveznünk, hiszen nagy sebességgel haladunk. Most, hogy már tudjuk, a denevérekben létezik a jövőbeni térbeli pozícióknak valamiféle idegi képviselete, továbbmehetünk, és feltehetjük a kérdést: melyek ennek a rendszernek a közös elemei a különböző állatokban? És persze: milyen módon és mértékben birtokoljuk mi, emberek, ezt a képességet?"