Mátrixot néző vadászgörényekkel tárják fel az agy titkait

Az agy ahhoz, hogy értelmezze a környezetét, kialakítja és tárolja a külső világ belső modelljét. Egy magyar kutatók közreműködésével készült új tanulmány ennek a belső modellnek a fő elemeit derítette fel. A kísérletekhez vadászgörényeket használtak, amelyek agyának sötétben mutatott idegi aktivitását vetették össze azzal az agyi aktivitással, amelyet képek, például a Mátrixból származó jelenetek levetítésekor rögzítettek.

Képzeljük el, hogy a barátunk szabadság alatt készült fényképeit nézegetjük. Patakot átszelő turistaösvény az Alpokban, pihenő egy hegyi tónál és a sok más élvezetes és színpompás fotó között egyszer csak kezünkbe kerül egy szurokfekete kép. Hogyan változik meg agyunk reakciója a kép hatására?

Az, hogy képesek vagyunk felismerni a fényképek témáját, összetett és lenyűgöző folyamat eredménye. A szembe jutó fény- és színmintázat elektromos jelekké alakul a retina érzékelő sejtjeiben. Az információ innen továbbkerül a látókéregbe, az agy képfeldolgozó részébe. A látókéregben lévő neuronok a bejövő látási inger (vizuális input) tartalmának megfelelően változtatják a válaszmintáikat. Az egyik kép például olyan aktivitásmintázatot vált ki, amely a hegyeknek, a fáknak és az alpesi falvaknak felel meg.

A koromsötét képre adott idegválasz azonban nem olyan, mint várnánk. "Az ember naivan azt gondolná, hogy látási inger hiányában nagyon kevés aktivitás tapasztalható a látókéregben" - mondja dr. Pietro Berkes, aki az amerikai Brandeis Egyetemen Fiser József laboratóriumában tanulmányozza ezt a témát, együttműködésben a Cambridge-i Egyetem Elméleti Tanulás és Memória csoportjában dolgozó két másik magyar kutatóval, Orbán Gergővel és Lengyel Mátéval. A valóságban azonban nem ez a helyzet. Amikor először rögzítették a sötétben észlelhető idegaktivitást (az úgynevezett spontán aktivitást), a kutatók nagyon meglepődtek. A várt kevés aktivitás helyett nagyon erős, összehangolt aktivitást tapasztaltak az idegállományokban. Ez energetikailag nagyon pazarló módnak tűnt egy egységes fekete inger leképezésére.

A megfigyelés zavarba ejtette az idegkutatókat. Miért pazarol az agy értékes forrásokat egy sötét kép megjelenítésére? Egyáltalában számít valamit az agynak az inger? Kiderült, hogy az e kérdésekre adott válaszok a látórendszernek nem a "mi van a képen" feldolgozásában játszott szerepével kapcsolatosak, hanem azzal, hogy "mi lehet esetleg a képen".

Ahhoz, hogy belássuk, miért ez a helyzet, figyelembe kell vennünk a következőt. Noha képesek vagyunk könnyedén értelmezni egy képet, a kép önmagában nem elég a tartalmának megértéséhez. Vegyük például ezt a kutyakiállításon készült képet. Ha közelebbről megvizsgáljuk, számos nehéz problémával kerülünk szembe, amelyet meg kell oldani a kép megértése közben.

Az előtérben lévő kutyafelvezetők jóval nagyobbak és nagyobb területet foglalnak el, mint a háttérben lévő nézők, pedig a valóságban nagyjából egyforma méretűek. Az egyik kutyát részben takarja a felvezető lába, így vizuálisan kettévágva őt, mégis egyetlen állatnak érzékeljük. Ez és még számtalan más példa mutatja, hogy látórendszerünknek ki kell egészítenie a képen lévő információt a világ egy belső modelljével, hogy kitöltse a hiányzó információt, és megtalálja a kép valósággal legjobban egyező értelmezéseit.

Dr. Berkes és magyar munkatársai (akik egyébként kutatásaikat részben magyar intézményekben is, a Collegium Budapestben és az MTA RMKI-ban, végezték) felismerték, hogy a sötétben mutatott idegi aktivitás lehet ennek a belső modellnek a megkülönböztető jegye. Képzeljük el, hogy fokozatosan csökkentjük egy fénykép fényerejét. Ahogy a részletek kezdenek fakulni, a látórendszer egyre inkább rászorul a belső modell használatára, hogy értelmezze a beérkező információt, és aktivitásának zömét a belső modell fogja uralni, végül teljesen sötét kép esetén a belső modell adja a teljes aktivitást A kutatók arra következtettek, hogy ha ez a magyarázata a spontán aktivitásnak, akkor a sötétben tapasztalt idegi aktivitásnak meg kell felelnie a valószínűleg felbukkanó képek lehetséges tartalmának. Így tehát a spontán aktivitás hasonló lesz a természetes képekre adott idegiaktivitás-mintázatokhoz, de eltér a természetes körülmények között nemigen előforduló ingerek által kiváltott mintázatoktól.

A Science január 7-i számában megjelent tanulmányban dr. Berkes és munkatársai különböző életkorú vadászgörények elsődleges látókérgének (itt zajlik az elsődleges látásfeldolgozás az agyban) idegi aktivitását elemezték. Az állatok vagy sötétben ültek, vagy természetes jeleneteket (például a Mátrix című filmből), illetve mesterséges mintákat néztek egy számítógép-képernyőn.

Az A-ábrán a munka alapelve látható. Az alapgondolat, hogy az agy minden vizuális információt egy belső reprezentáción, a világ egy belső modelljén keresztül interpretál. Ha a belső modell és a beérkező vizuális információ együtt alakítja ki az értelmezést, akkor ahogy a beérkező jel gyengül (például a kép kontrasztjának csökkenésével), a belső modellnek egyre nagyobb szerepet kell átvennie. Végül, ha nem érkezik semmi információ, akkor mindent a belső modell sugall. Az ilyenkor mért jelek az úgynevezett spontán aktivitást jelentik. Ez nem egyszerűen csak zaj, mint korábban gondolták, hanem a belső gondolatok, elvárások, elképzelések, állapotok tükröződése. Az ábra ezt az intuitív magyarázatot fordítja le formális leírásba a valószínűségszámítás eszközrendszerét alkalmazva. Az agyi jeleket valószínűségi eloszlások reprezentálják. A kiértékelés a poszterior eloszlás, a belső modell hozzájárulása a prior eloszlás, míg a vizuális inputot az úgynevezett likelihood-függvény reprezentálja. A sötétben tehát a poszterior (kiértékelés) megegyezik a priorral (spontán aktivitás). A B ábra a hipotézis kísérleti tesztelését mutatja be.

A világgal kapcsolatban még kevés vagy semmi tapasztalatot nem szerzett fiatal állatok sötétben mutatott idegi aktivitása jelentősen eltért a vizuálisan előidézett idegi aktivitástól. Ahogy azonban az állatok életkora növekedett, a spontán aktivitás egyre hasonlóbbá vált ahhoz az idegi aktivitáshoz, amelyet a vizuális inger hatására tapasztaltak a kutatók. Ráadásul a spontán aktivitás sokkal jobban hasonlított a természetes jelenetekre, mint a mesterséges ingerekre adott válaszhoz, épp úgy, ahogy a kutatók előre jelezték. Így tehát a neuronok aktivitása sötétben azért erős és összetett, mert az agy számba veszi a lehetséges természetes jeleneteket, amelyek megfelelhetnek az üres, jellegtelen bemeneti ingernek.

A spontán aktivitás megértésében bekövetkezett előrelépések hasznosak lehetnek annak megértésében is, hogyan képes az agy olyan könnyedén értelmezni a képeket. Mint dr. Fiser az [origo]-nak elmondta, nagyon izgatottak az eredmények miatt, mivel ez lehetővé teszi, hogy betekintést nyerjünk az agy világról alkotott belső modelljébe. "Ez a belső modell teszi az agyat a számítógépnél sokkal hatékonyabbá a tárgyak és emberek felismerésében, különösen összetett helyzetekben. A sötétben mutatott idegi aktivitást vizsgálva valószínűleg megérthetjük azokat az alkotóelemeket, amelyek a különbségekért felelősek" - mondta Fiser.