Mi történik a hippokampusz nevű agyrégióban miközben tanulunk és alkalmazkodunk?
A Makara és az Ujfalussy csoport kollaborációjából született, a Science Advances folyóiratban megjelent munka feltárta,hogy az agy fő tanulási- és memóriaközpontjában, a hippokampuszban hogyan alakul át az idegsejtek aktivitásmintázata térbeli tanulás illetve a hirtelen megváltozott környezethez történő alkalmazkodás során. Az eredmények azt mutatják, hogy a hippokampusz fontos szereplője nemcsak a tanulási, hanem a gondolkodás rugalmasságáért felelős agyi folyamatoknak is. Ezen folyamatok további vizsgálata elvezethet a számos pszichiátriai betegségben és az öregedés során megfigyelhető kognitív hanyatláshoz vezető mechanizmusok jobb megértéséhez.
Agyunk egyik legfontosabb, az egyed túlélése szempontjából elengedhetetlen képessége, hogy elősegíti a változó környezethez való alkalmazkodást. Ennek alapja a tapasztalatgyűjtésen alapuló tanulás. Ugyanakkor szükséges a váratlan környezeti változásokhoz történő gyors alkalmazkodást lehetővé tévő rugalmas gondolkodás, más néven kognitív flexibilitás is.
A rugalmas gondolkodáshoz vezető mechanizmusok alulműködése merev, beszűkült gondolkodáshoz, kognitív rigiditáshoz vezet. Az ilyen beteg képes ugyan szabályszerűségek felismerésére és elsajátítására, de a tények és szabályok megváltozásakor is ragaszkodik a korábban bevált megoldási módokhoz. Mind a tanulásra való képesség zavara, mind a kognitív rigiditás számos neuropszichiátriai betegségben és az öregedés során is megfigyelhető.
Arról, miért is kell ezeket a folyamatokat jobban megismernünk, Nyilas Rita, a cikk első szerzője a következőket mondta:
„Nem teljeskörűen ismert, hogyan épülnek be az alkalmazkodáshoz szükséges térbeli- és kontextuális információk az agy kognitív térképébe a tapasztalatgyűjtésen alapuló tanulás során. Arról is keveset tudunk, milyen változások zajlanak egy-egy szabály- vagy kontextusváltás alatt az agy memóriafolyamatokban és navigációban központi szerepet játszó területén, a hippokampuszban.
Célunk egy olyan kísérleti paradigma megalkotása volt, melyben egyszerre tudtuk vizsgálni a hippokampusz kimeneti régiójában elhelyezkedő serkentő sejtek aktivitását egerekben kontextus-függő tanulás és térbeli tájékozódás során.”
A kísérletekben olyan transzgén egereket használtak, melyek vizsgálni kívánt célsejtjeikben egy aktivitás-függő fluoreszcens fehérjét (GCaMP) fejeztek ki, így a sejtek aktivitását 2-foton mikroszkópiával lehetett hosszútávon követni. Az egereknek vetített virtuális folyosókon futva kellett megtanulni, milyen színű és mintázatú környezetben számíthatnak jutalomra. A kísérletben két, eltérő falú folyosótípust használtak, és csak az egyikben járt a jutalomcsepp az egérnek, ha jó helyen kereste.
A kísérletek végrehajtásának több módszertani feltétele is volt. Az egyik a stabil, jó minőségű képalkotást hosszú ideig (akár több héten-hónapon keresztül) is lehetővé tévő részletek kidolgozása, a másik a virtuális környezetben végzett feladat optimalizációja. Be kellett állítani a vetített folyosó hosszát, meghatározni a naponta felvett kísérletek számát annak érdekében, hogy az állatok motiváltan és az eredmények statisztikai analíziséhez is elégszer csinálják végig a feladatot, valamint kidolgozni az elemzési módszereket.
A gondosan felépített kísérletek több meglepő eredményre is vezettek.
Hippokampális idegsejtek (A) virtuális folyosókban futó egerekben (B) 2-foton mikroszkópiával mért aktivitása (C) alapján egy általánosabb korai térbeli reprezentáció (C, KORAI) egy kontextus-specifikus, diszkrimináló idegi aktivitásmintázattal egészül ki (C, KÉSŐI) a kísérleteinkben használt diszkriminációs feladat (D) szabályának megtanulása (Szabálytanulás) során (E). A feladat feltételeinek váratlan megváltoztatása (Szabályváltás) a kognitív térkép globális átrendeződéséhez vezet (F).
Nyilas Rita: „Az általunk használt diszkriminációs feladat megtanulása során először a folyosók térbeli kódolása (reprezentációja) alakul ki a hippokampuszban, amely specifikus a tér adott pontjához köthető sejtakivitás révén alakul ki. A viselkedésben tükröződő tanulással párhuzamosan az általánosabb térbeli reprezentáció fokozatosan egy, a folyosóra specifikus, idegi aktivitásmintázattal egészült ki. A szelektív aktivitást mutató sejtek a nem-jutalmazott folyosó reprezentációjában is megjelentek, vagyis absztrakt, kontextus-függő kód alakult ki a hippokampuszban.
Az egyik folyosó színének és mintázatának váratlan cseréjekor, azaz a már megtanult feladat hirtelen megváltoztatásakor, az egerek gyors teljesítményromlásával összhangban az idegi kód is igen gyorsan átrendeződött, de nem csak az új, hanem a változatlanul hagyott folyosó hippokampális reprezentációjában is. Ez a feladat hierarchikus idegi leképezésére utal, amire az jellemző, hogy a szabály áll a legfelső szinten, azután a folyosó, majd a pozíció. A szabály megváltozásával változik a másik két kód is, melyek együttesen vannak jelen a sejtek aktivitásában.
Harmadik kísérlettípusunkban nem a már megtanult feladathoz használt folyosópár típusán változtattunk, hanem a jutalmat helyeztük át váratlanul és jelzetlenül az egyik folyosóból a másikba. Ezt a kontextusváltást az egerek lassabban vették észre, így a reprezentációs változás is időben elnyújtottabban jelentkezett. Ebben az esetben is a viselkedési változásnak megfelelően változott a hippokampális idegsejtek aktivitásmintázata.
A viselkedés és a hippokampális idegi aktivitás közötti összefüggést jól mutatta, hogy a jutalom-áthelyezést követően, amikor az egerek hiába próbáltak a csere előtt jutalmazott folyosóban vizet találni, az idegsejtek aktivitásmintázata jobban hasonlított a csere előtti reprezentációhoz, mint a helyes, megváltozott stratégiájú keresések alatt.”
Az eredmények tehát arra utalnak, hogy a kognitív rigiditás, az új körülményekhez való alkalmazkodás képtelensége mögött jól jellemezhető idegi folyamatok állnak. Ez a jövőben felveti annak lehetőségét, hogy a kognitív hanyatlás hátterében lévő idegi folyamatok is vizsgálhatók lesznek.