Magyar agykutató irányításával oldották meg a memória egyik nagy talányát
Rengeteg élmény ér minket nap mint nap, de ezeknek csak egy része rögzül a memóriánkban. Egészen eddig azonban az idegkutatók sem tudták, hogy milyen mechanizmus „jelöli meg” a megjegyzésre érdemes információkat. Buzsáki György, a New York-i Egyetem Idegtudományi Központjának Biggs-professzora, a Magyar Tudományos Akadémia külső tagja és munkatársai a Science folyóiratban publikálták legújabb felfedezéseiket, amelyek arra utalnak, hogy a Buzsáki által negyven éve felfedezett, úgynevezett „éleshullám-fodrozódások” (az idegsejtek rendkívül gyors ütemű szinkronizált tüzelése) emelnek ki bizonyos élményeket, amelyek aztán az alvás során újból lejátszódnak, és így rögzülnek. Buzsáki György interjúnkban elmondta, hogy bár a kísérletet egereken végezték, éles hullámokat az emberi agysejtek is produkálnak, így teljesen biztos, hogy az emberben is ez a rögzítendő élmények kiválasztásának módja.
Hogyan ismerték fel az éles- vagy meredekhullám-fodrozódások (sharp wave ripples) jelentőségét?
A meredek hullámokat 1983-ban fedeztem fel, amikor A Science-ben megjelent cikk itt olvasható.posztdoktori kutató voltam Kanadában. Akkoriban ez az idegsejt-aktivitás nagyon furcsának tűnt, hiszen abban az időben a memóriaműködés legelfogadottabb fiziológiai magyarázata a hosszú ideig tartó potenciáció volt. Nem volt azonban világos, hogy ez hogyan működhet az intakt agyban, mivel kezdetben a kutatók csak in vitro körülmények között tudták regisztrálni ezt az aktivitást. Néhányan ezért azt kerestük, hogy a normális fiziológiás körülmények között melyek azok a mintázatok – illetve van-e egyáltalán olyan mintázat – az agyban, amelyek megfelelnek az izolált idegszövet viselkedésének. E vizsgálatok során találtunk rá az éleshullám-fodrozódásokra. Rögtön nyilvánvalóvá vált számomra, hogy az éles hullámok az agysejtek legjobban szinkronizált működési mintázatai közé tartoznak. Úgy találtuk, hogy a memóriaműködés szempontjából központi jelentőségű hippokampuszban ilyenkor a sejtek körülbelül 15 százaléka együtt tüzel, ami sokszorosa az aktívan figyelő agy 1-2 százalékos szinkronizációjának.
Buzsáki György Forrás: NYU School of MedicineEz hány sejtet jelent?
A hippokampális rendszert patkányban nagyjából 1,5 millió idegsejt építi fel, ennek a 15 százaléka több mint 200 ezer sejt. De ez az aktivitás ezután más agyi régiókra is átterjed, bár az intenzitása folyamatosan csökken. Tehát ez egy nagyon jól szinkronizált tevékenység, ami erős aktivációra utalt. Ráadásul az aktivitás frekvenciája 150–200 hertz között mozgott, ami a hosszú távú potenciáció leggyakoribb frekvenciája. Tehát így kezdődött az éles hullámok története. Nem sokkal később kimutattuk, hogy alvás közben ezen éles hullámok intenzitása egyre nő, ami arra utalt, hogy összefügghetnek a memóriaműködéssel, illetve az emléknyomok alvás közbeni rögzülésével. De a hippokampusz aktivitása éber állapotban is két alapvető fázisra különül. Az egyik a preparatív (előkészítő) vagy explorációs aktivitás, amely általában théta-oszcillációkkal jár, és a környezet felderítése közben figyelhető meg. Amikor aztán véget ér az exploráció, akkor átvált az agy, és egy másik algoritmus, a konzumatív viselkedés agyi állapota kapcsolódik be. Ilyenkor különféle automatikus viselkedéseket végez az állat, amelyek nem igényelnek különösebb figyelmet. Például mosakszik, salakanyagot ürít, fészket rak, vagy egyszerűen megáll, és egy ideig nem folytatja a cselekvését. E fázisokat gyakran figyelmi és ellazult szakaszoknak is nevezik. Bár éber állapotban is előfordulnak az utóbbi tétlen, nyugodt fázisok, leghosszabban a nem REM-alvás során van ebben az állapotban az állat.
Ezek az agyműködési fázisok hogyan függnek össze a memóriával?
1989-ben alkottam meg a mai napig érvényes kétfázisú memóriamodellről szóló elméletemet, aminek a lényege az, hogy az információ a théta-hullámokkal jellemezhető idegi aktivitás során kódolódik, majd a konszolidáció az alvás idején történik meg. E jelenséget a mai napig intenzíven kutatjuk, de mindeddig hiányzott egy lépés a folyamatból. Mindenki jól tudja, hogy sok mindent megjegyzünk abból, ami a nap során történik velünk, de nagyon sok mindent nem jegyzünk meg. És ez igen előnyös tulajdonságunk, hiszen azok a különleges képességű emberek (akiket angolul savantoknak neveznek), akik mindent megjegyeznek egész életükben, gyakran nem képesek beilleszkedni a társadalomba. A legtöbb ember azonban nem minden ismeretet raktároz el, hanem szelektál az információk között. De a kérdés az, hogy milyen szelekciós mechanizmus működik emögött. A naiv elképzelés szerint van egy kis „emberke” (homunculus) az agyunkban, és ő dönt arról, hogy egy élményt megjegyezzünk-e, vagy ne. Ha tetszik, mi az éles hullámokban azonosítottuk ezt a homunculust: hiszen megmutattuk, hogy ez lehet a rögzítendő emlékeket kiválasztó aktivitás.
Milyen kísérlet révén sikerült bizonyítani az éles hullámok szerepét?
A kísérletben vizsgált egerek egy labirintust derítettek fel. Az exploráció során két viselkedési fázis váltakozik. Nem fedezhetünk fel semmit, ha folyton csak megyünk, és sosem állunk meg, hogy az agyműködés válthasson a felderítő állapotból a konzumációs állapotba. Ezért a felderítés bizonyos értelemben kaotikus viselkedés, amelyben a haladás és a megállás ismétlődik kiszámíthatatlan ritmusban. Az agy pedig minden átállás alkalmával algoritmust vált. A megállások alatt a hippokampuszban száz milliszekundum hosszúságú éleshullám-fodrozódások jönnek létre, majd az aktivitás e „kis csomagjait” küldi a hippokampusz az agykéreg felé. Hiába ment végig az adott egér sokszor egymás után ugyanazon a labirintuson, az egyes futások során létrejött idegi aktivitásmintázatok mindig különböztek egymástól, vagyis az egyes próbák azonosíthatóvá váltak. Voltak próbák, amelyek után csak kevés éles hullám jött létre az egér hippokampuszában, más próbák viszont több ilyen hullámot keltettek. Amikor az állat később elaludt, újra lejátszódott az agyában az az aktivitás, amit éberen, a labirintus felfedezése után rögzítettünk (ilyenkor konszolidálódnak a memórianyomok), de kimutattuk, hogy az azon próbákra jellemző aktivitás volt alvás közben a legerősebb, amelyek után több éleshullám-fodrozódás alakult ki a hippokampuszban. Ez bizonyítja, hogy az éber állapotban jelentkező éles hullámok jelölik ki rögzítésre a valamiért fontosabbnak ítélt alkalmakat.
Ennek kimutatásához hány idegsejt aktivitását kellett rögzíteni a kísérlet közben?
Egyszerre 500 sejt aktivitását tudjuk elvezetni, de ezek interakcióinak láthatóvá tétele meglehetősen reménytelen feladat. Ahhoz, hogy értelmezni tudjuk az eredményeket, ezt az 500 dimenziót drasztikusan le kellett csökkenteni, amihez olyan újszerű módszereket használtunk, amelyek önmagukban is nagy előrelépésnek számítanak az agykutatásban. Amikor a rögzített idegsejt-aktivitásokat összegeztük, azonosítani tudtuk azokat a mintázatokat, amelyek nem az állat pozícióját jelölték a labirintusban, hanem egyértelműen azonosították az adott próbát is. Hiába ugyanolyan látszólag minden ismétlés, ahogy kétszer nem tudunk belépni ugyanabba a folyóba, úgy minden alkalommal más és más ingerek érik az állatot, így az élményei is eltérőek lesznek. Az ismétlések elkülöníthetősége elengedhetetlen volt ahhoz, hogy azonosítani tudjuk, hogy az alvás során melyik esemény konszolidálódott erősebben az egér agyában. Amikor visszahelyeztük az állatot a lakóketrecébe, és elaludt, megjelentek az agyi aktivitásában az éles hullámok. Ekkor derült ki, hogy ezek azokat az eseteket „játszották le” újra, amelyek után több éles hullám alakult ki a konzumációs fázisban.
Mi dönti el azt, hogy mely élmények legyenek megjelölve, tehát hogy mikor alakul ki több éles hullám a hippokampuszban?
Ez a kérdés mindig felmerül, és talán nem is vesszük észre, hogy a homunculus-elmélet köszön vissza benne: vagyis azt feltételezzük, hogy kell lennie valakinek, aki dönt az agy működéséről. Pont az a lényeg, hogy nincs ilyesmi: maguk az éles hullámok jelentik azt a mechanizmust, ami „ítéletet” hoz egy élmény fontosságáról, és rögtön meg is jelöli a későbbi konszolidációra. Mindez olyan gyorsan (egytized másodperc alatt) történik, hogy már pusztán a sebesség is kizár bármiféle tudatosulást és döntéshozatalt. Azt is tudjuk, hogy ezen éles hullámok működése nemcsak a közelmúlt, hanem a régmúlt élményeitől is függ, vagyis az éles hullámok egyszerre értékelik az agy teljes történetét. Ők a döntéshozók, annak ellenére, hogy meglehetősen primitívnek tűnnek.
Ezt a kísérletet rágcsálómodellen végezték. Mit tudunk arról, hogy emberben ugyanez a mechanizmus hogyan működik?
Amit a kétfázisú memóriamodellről, illetve az éleshullám-fodrozódásokról elmondtam (kivéve a rögzítendő élmények szelekciójának most felfedezett mechanizmusát), azt szinte teljes egészében megismételték már emberben is. Tehát emberben is vannak éles hullámok, és hasonló a frekvenciájuk. E hullámok érzékenyek a gyógyszerekre, és az életkorral is változnak. Mindezek a jelenségek ugyanúgy működnek az emberben, mint a majmokban, a macskában, az egérben és a patkányban. Vagyis ez a mechanizmus (az éleshullám-fodrozódások) az emlősök agyevolúciójában mindig is nagyon stabilan jelen volt. Ugyanakkor felmerülhet, hogy nem mindig (vagy nem csak) a memória szelekciójában játszott szerepet. Két évvel ezelőtt megjelent a Nature-ben egy cikkünk, amelyben kimutattuk, hogy ezek az éles hullámok alvás alatt lecsökkentik a vércukorszintet. Tehát az első funkciójuk valószínűleg a test szolgálata volt. Az evolúció létrehozta ezt a működést, ami aztán új funkciót nyert, hiszen a memóriaműködés „a saját céljaira kezdte használni”.
