Az ELKH kutatói felfedezték, hogy az állatok is többféle lehetőséget vesznek figyelembe tájékozódás közben

Hírek

Az ELKH kutatóhálózathoz tartozó Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet (KOKI) és Wigner Fizikai Kutatóközpont (Wigner FK) kutatói felfedezték, hogy tájékozódás közben a rágcsálók idegrendszere nemcsak az állat pozícióját képes rövid távon előrejelezni, hanem az előrejelzés bizonytalanságát is meg tudja jeleníteni. Ujfalussy Balázs és Orbán Gergő azt találta, hogy a bizonytalanság alapját képező különféle lehetséges útvonalak szekvenciálisan, nagyjából 0,1 másodpercenként jelennek meg az idegi aktivitásban. Az eLife című rangos nemzetközi szakfolyóiratban publikált eredmények fontosak lehetnek olyan mérnököknek, akik változó környezetben is megbízhatóan működő, tervezésre is képes intelligens rendszereket fejlesztenek. A tanulmány emellett segíthet megérteni, hogy döntéshozatali helyzetekben miként vagyunk képesek megbirkózni jóslataink bizonytalanságával.

Navigálás során mozgásunk útvonalát úgy tervezzük meg, hogy döntéseinket az érzékelt környezet alapján újra és újra felülvizsgáljuk. Tervezés közben rengeteg különböző lehetőségből kell kiválasztanunk a számunkra pillanatnyilag leginkább kedvezőnek látszót, a való életben azonban nehéz előre megmondani, hogy melyik lehetőség kecsegtet biztos sikerrel. Hasonló a helyzet az állatvilágban is. A halfarkas például a küszvágó csér után eredve próbálja kikényszeríteni, hogy az eldobja a zsákmányát, amelyet így meg tud szerezni (1. ábra).

.

1. ábra: Halfarkas üldöz egy küszvágó csért (Fotó: Ujfalussy Ferenc)

A szélsebes hajsza közben a másodperc töredékével lemaradó halfarkasnak a küszvágó csér irányváltásaira úgy kell reagálnia, hogy mind az érzékelés, mind az irányváltáshoz nélkülözhetetlen mozgások vezérlése és végrehajtása is időt vesz igénybe. A küldetés lehetetlennek tűnik, hacsak a halfarkas nem képes modellezni a küszvágó csér mozgását, és fel tudja mérni a valószínűsíthető repülési irányokat, ezzel előre felkészülve a lehetséges irányváltásokra is. Ilyen, többféle lehetőséget egyszerre számba vevő mentális modell segítségével más, hasonló komplexitású feladatokat is hatékonyan végre lehet hajtani. Ám az, hogy ehhez a feladathoz az idegsejtek miképpen járulhatnak hozzá, eddig nem volt ismert.

A mostani tanulmányban a szerzők tájékozódási feladatot teljesítő rágcsálókban azt vizsgálták, hogy az idegi aktivitás milyen kapcsolatban van a jövőbeli pozíciókra vonatkozó jóslatok bizonytalanságával. Régóta ismert, hogy a hippokampusz elnevezésű agyterület egyes idegsejtjei, az úgynevezett helysejtek akkor válnak aktívvá, amikor az állat egy meghatározott helyre érkezik az adott környezeten belül (2. ábra).

.

2. ábra: Hippokampális helysejtek szekvenciális aktivitása mint a lehetséges útvonalak idegi reprezentációja. Az adott környezetet kódoló helysejtek (alul, a helymezők ellipszisekkel ábrázolva) a théta-oszcilláció (fekete vonal középen) egyes periódusaiban egymás után lesznek aktívak (középen a színes vonalak a sejtek tüzelését jelzik). A szekvenciális idegi aktivitást értelmezhetjük úgy, hogy a sejtek egy lehetséges útvonalat kódolnak minden egyes théta-ciklusban (fent). Az útvonalak a múltból indulnak, ahol az állat bizonytalansága a helyét illetően csekély, és a jövőbe vezetnek, ahol a bizonytalanság megnő.

A helysejtek szekvenciális aktivitása azonban nemcsak az állat mozgásával párhuzamosan rajzolja ki az állat útvonalát, és nem is mindig a valódi útvonalat mutatja. A helysejtek aktivitássorozata másodpercenként körülbelül tízszer újrakezdődik oly módon, hogy a szekvencia elején a pillanatnyi pozíciót kódolja, majd elindul előrefelé, megjósolva az állat lehetséges jövőbeli helyét. Korábbi megfigyelések alapján a helysejtek gyors szekvenciális aktivitásmintázatát úgy értelmezték, mint az állat saját mozgására vonatkozó jóslatának az alapját képező idegrendszeri folyamatot. Nem volt ismert azonban, hogy az egyes megjósolt lehetőségek mellett azok bizonytalanságát is megjeleníti-e az idegi aktivitás.

A mostani tanulmányban a kutatók korábban már publikált adatokat elemeztek újra a bizonytalanság kódját keresve a navigáló állatok helysejtjeinek aktivitásában. Először azt feltételezték, hogy a jövőbeli pozíciók bizonytalansága oly módon tükröződik, hogy több lehetséges útvonal egyszerre jelenik meg a neurális aktivitásban. Ebben az esetben a bizonytalanság azonnal és közvetlenül kiolvasható lenne a pillanatnyi idegi aktivitásból. A megvizsgált kísérleti adatok azonban nem támasztották alá ezt a feltevést. A mostani eredmények ezzel szemben azt mutatják, hogy a jövőbeli bizonytalanságot az egyes théta-ciklusok során lejátszott útvonalak közötti variabilitás tükrözi, tehát minden ciklusban egy új lehetséges útvonalnak megfelelő helysejtek aktiválódnak. Érdekes módon az egymást követő théta-ciklusok során megfigyelt útvonalak nem függetlenek egymástól, hanem különböző irányokba mutatnak. Ez teszi lehetővé, hogy az állat viszonylag rövid idő alatt hatékonyan mintavételezze a rendelkezésére álló lehetőségek lehető legnagyobb részét (3. ábra).

.

3. ábra: Tájékozódás közben a rágcsálók egy térképszerű mentális modell segítségével tudnak lehetséges útvonalakat „kipróbálni”. Ezen a képen egy szintvonalas domborzati térképre van ráhelyezve egy kísérleti patkány útvonala (fehér vonal) néhány lehetséges alternatív útvonallal együtt (zöld és narancs). Az agy minden pillanatban rengeteg lehetőségből (halvány színek) választ ki egyetlen hipotetikus útvonalat (élénk színek), amely megjelenik az idegi aktivitásban. A megjelenített útvonal nem feltétlenül az, amelyik a legjobban hasonlít az állat útjára. Az alternáló színek azt jelzik, hogy az egymást követően megjelenő útvonalak általában különböző irányban térnek el az állat valódi útvonalától.

Ezek fontos eredmények lehetnek olyan mérnököknek, akik változó környezetben is megbízhatóan működő, tervezésre is képes intelligens rendszereket fejlesztenek. Ha az emberi agyban is hasonló folyamatok zajlanak, a tanulmány segíthet megérteni, hogy döntéshozatali helyzetekben miként vagyunk képesek megbirkózni a jóslataink bizonytalanságával.

Publikáció:

Balázs Ujfalussy, Gergő Orbán (2022). Sampling motion trajectories during hippocampal theta sequenceseLife. Doi: 10.7554/eLife.74058