Előre gondolkodnak a cikázó denevérek

Vágólapra másolva!
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.
Vágólapra másolva!

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 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.

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.

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?