Az ELKH Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet (KOKI), a Pázmány Péter Katolikus Egyetem, valamint a Roska Botond, Rózsa Balázs és az ITM által 2021-ben alapított BrainVisionCenter (BVC) kutatói a St. Louis-i Washington Egyetemen dolgozó kollégáikkal együttműködve egy eddig nem azonosított, az egész agykéregre jellemző működési elvet írtak le, amely hozzájárul a tanulás korai fázisának sikerességéhez. A jutalmazás és a büntetés hatásának megismerése céljából a kutatók egy speciális gátlósejt, a vazoaktív intesztinális polipeptid tartalmú (VIP) interneuron működését vizsgálták egerekben. Az erről szóló tanulmány a rangos eLife nemzetközi folyóiratban jelent meg. Az eredmények alapul szolgálhatnak egyes kórállapotok ‒ például autizmus, skizofrénia ‒ patomechanizmusát vizsgáló kutatások tervezéséhez.
Az agykéreg egyik funkciója, hogy modelleket készít a külvilágról, melyek segítségével megjósolható, hogy bizonyos helyzetekben és a hozzájuk tartozó környezetben milyen eseményekre számíthatunk. E modellek elengedhetetlen része az olyan információ, amely jelzi, hogy az adott szituációban történhet-e valami számunkra hasznos vagy káros dolog. Míg az előbbi eseteket előnyben részesítjük, az utóbbiakat inkább elkerülnénk. Azt azonban, hogy az agykéreg által létrehozott modellekbe hogyan épül be az ilyen információ, eddig nem értettük.
Az eLife folyóiratban megjelent tanulmányban a kutatók a fenti szituációkat modellezték egerekben. Apró jutalom ‒ víz ‒ vagy kellemetlen inger ‒ az állat felé szemből érkező levegőlöket ‒ alkalmazása közben vizsgálták egy speciális gátlósejt, a vazoaktív intesztinális polipeptid tartalmú (VIP) interneuron működését. Bár az agykérgi sejteknek csupán 1 százaléka VIP sejt, ezek szerepe kulcsfontosságú. Aktivitásuk éppen azokat az idegsejteket gátolja, amelyek az agy fő sejtjeit, a piramissejteket tartják folyamatosan gátlás alatt. Ez azt jelenti, hogy ha a VIP sejtek aktívak, a piramissejtek működése is felerősödik. Ez pedig elengedhetetlen a tanuláshoz, másképpen fogalmazva a külvilágról készült modellek megváltoztatásához.
1. ábra: A kísérleti elrendezés és a VIP sejtek működése. Pásztázó mikroszkóp rögzítette a vizsgált fél mm3-es agyrészletben lévő 120 idegsejt aktivitását, miközben az egereknek el kellett különíteni két hangot, és választásuktól függően jutalmat vagy büntetést kaptak. Szaggatott vonalak jelölik a hang, a jutalom és a büntetés bekövetkeztének idejét. Minden egyes sor egy neuront jelöl, az x tengelyen az idő van feltüntetve. Piros szín jelzi, ha egy neuron aktív. Míg hang hatására a sejteknek csak egy kis része aktiválódik, addig a jutalomra és a büntetésre majdnem az összes.
A VIP interneuronok szerepe az idegrendszer más sejttípusaihoz képest kevésbé feltárt. Ennek egyik oka, hogy ritkás elhelyezkedésük, kis méretük és a mérés közben létrejövő mozgási műtermékek miatt vizsgálatuk mozgó, viselkedő modellállatokon mind elektrofiziológiai, mind optikai eszközökkel technikailag nehezen kivitelezhető. Rózsa Balázs csoportjának kutatói olyan saját fejlesztésű, háromdimenziós képalkotásra alkalmas kétfoton-mikroszkópot használtak, amelynek sebessége, felbontása, jel/zaj aránya sokkal jobb, mint más hasonló rendszerek paraméterei. Kepecs Ádám St. Louis-i laborjának tagjai a mélyebb agyi régiók sejtpopulációiból származó idegi aktivitást száloptikával rögzítették.
A vizsgálatokat Szadai Zoltán, Hyun-Jae Pi és Quentin Chevy végezték Popara Lídia technikus segédletével. A kísérletben a szomjaztatott egereknek két hangot kellett megkülönböztetniük. Vizet kaptak jutalmul, ha ezt sikeresen tették, kellemetlen léglöket érte őket „büntetésként”, ha nem. Mind a jutalom, mind a büntetés a VIP sejtek erős aktivációját váltotta ki a teljes agykérgi területen. Ez arra utal, hogy a túlélés szempontjából fontos, szervezetszintű információkat a VIP sejtek közvetítik az agykérgi mikrohálózatoknak. Ezek a mikrohálózatok aztán új asszociációkat hoznak létre, melyek segítségével megjegyezhető az a komplex környezet, amelyben a jutalmazás vagy a büntetés megtörtént.
2. ábra: Agykérgi mikrohálózatok működése. Jutalom (vízcsepp) vagy büntetés (kellemetlen léglöket) hatására a VIP sejtek fokozottan gátolják a piramissejteket gátló sejteket, emiatt a piramissejtek aktivitása fokozódhat. A pozitív és negatív jelek az adott sejttípus gátló (-) vagy serkentő hatására (+) utalnak. A jobb felső képen piros szín jelzi a jutalom/büntetés hatására aktiválódó VIP sejteket a piramissejtek zöld felhőjében.
Az élőlények számára fontos események során tehát a VIP sejtek lehetőséget teremtenek az agy piramissejt-populációinak együttes aktiválódására, ami elősegíti a belső modellek átalakulását.
Ez az alapkutatás közelebb visz a tanulás és az érzékelés agykérgi szintű folyamatainak megértéséhez, eredményei alapul szolgálhatnak egyes kórállapotok ‒ például autizmus, skizofrénia ‒ patomechanizmusát vizsgáló kutatások tervezéséhez. Emellett arra is rávilágít, hogy az agykéregben is a mesterségesintelligencia-modellekben megerősítő tanulásnak nevezett elvhez igen hasonló folyamatok játszódnak le.
Publikáció:
Zoltán Szadai, Hyun-Jae Pi, Quentin Chevy, Katalin Ócsai, Florin D. Albeanu, Balázs Chiovini, Gergely Szalay, Ádám Kepecs, Balázs Rózsa (2022). Cortex-wide response mode of VIP-expressing inhibitory neurons by reward and punishment. eLife, 11. Doi: 10.7554/eLife.78815.