Az agyi áramkörök módosulása a tanulási folyamat során
Az agy különböző területein végbemenő fizikai változások felfedezése komoly segítséget jelenthet az agyi rendellenességek lehetséges új terápiáinak kifejlesztéséhez. A Kaliforniai Egyetem San Diego-i tudósai által publikált tanulmány újrafogalmazza a tudománynak a tanulás folyamatáról alkotott ismereteit. A Naturefolyóiratban megjelent tanulmány újszerű betekintést nyújt az agy kapcsolatrendszerének tanulási időszakokban végbemenő változásaiba.
Az idegtudósok korábban az agy frontális lebenyében található elsődleges motoros kéreg (M1) területét azonosították a tanulás során a komplex mozgásokhoz kapcsolódó jelek továbbításának központjaként. Az utóbbi időben azonban azt tapasztalták, hogy a motoros tanulási funkciók során az agy közepén található motoros thalamus is szerepet kap az M1 területének befolyásolásában.
De még ezeknek az előrelépéseknek ellenére sem állt rendelkezésre bizonyíték arra, hogy hogyan zajlik ez a tanulási folyamat, főként azért, mert az agy különböző területein zajló sejtek közötti interakciók megfigyelése rendkívül összetett feladat.
Takaki Komiyama professzor laboratóriumának kutatócsoportja hatékony neurobiológiai kutatási technikák segítségével először írta le ezeket a mechanizmusokat egereken. High-tech képalkotó technikák és egy újszerű adatelemzési módszer segítségével a kutatók azonosították a thalamocorticalis útvonalat, a thalamus és a kéreg közötti kommunikációs hidat, mint a tanulás során módosuló kulcsfontosságú területet.
A fő útvonal azonosításán túl a kutatók azt is megállapították, hogy a régiók közötti kapcsolatok fizikailag is megváltoznak a tanulás során. A motoros tanulás nem csupán az aktivitás szintjének módosítására szolgál, hanem az áramkör összeköttetéseit is alakítja, finomítva a thalamus és a kéreg közötti kommunikációt sejt szinten.
„Eredményeink azt mutatják, hogy a tanulás nem csupán helyi változásokon megy túl – átalakítja az agyi régiók közötti kommunikációt, gyorsabbá, erősebbé és pontosabbá teszi azt” – mondta Assaf Ramot, a tanulmány vezető szerzője és posztdoktori kutató a Komiyama Laboratóriumban. ”A tanulás nem csupán azt változtatja meg, mit csinál az agy, hanem azt is, hogyan kapcsolódjanak ennek érdekében az egyes agyi területek.”
A tanulmány, amelynek során egerek tanultak meg bizonyos mozdulatokat, kimutatta, hogy a tanulás a thalamus és a kéreg közötti interakció célzott átszerveződését okozza. A tanulás során a thalamus aktiválta az M1 neuronokat, hogy kódolja a tanult mozdulatot, és leállítsa a tanult mozdulattal nem kapcsolatos neuronok aktiválódását.
„A tanulás során ezek a párhuzamos és pontos változások a thalamus által aktivált M1 neuronok egy meghatározott alcsoportja által jönnek létre, amelyek aztán más M1 neuronokat aktiválnak, hogy létrehozzák a tanult tevékenységi mintát” – mondta Komiyama, a Neurobiológiai Tanszék (Biológiai Tudományok Kar) és az Idegtudományi Tanszék (Orvostudományi Kar) professzora, aki a Halıcıoğlu Adattudományi Intézetben (Számítástechnika, Információ- és Adattudományok Kar) és a Kavli Agy- és Elme Intézetben is dolgozik.
A tanulmány egyik legfontosabb eredménye, hogy a kutatók egy új elemzési módszert fejlesztettek ki, a ShaReD-et (Shared Representation Discovery), amelynek segítségével a specifikus neuronok aktivitására lehet fókuszálni. A módszert Marcus Benna, a neurobiológia adjunktusa és Felix Taschbach, a tanulmány társszerzője, egyetemi hallgató fejlesztette ki.
Taschbach szerint, aki az adatelemzési eljárás fejlesztését vezette, a különböző alanyoknál gyakran előforduló viselkedésminták azonosítása jelentős kihívást jelent, mivel a viselkedés és annak idegi reprezentációja állatok között jelentősen eltérhet. A probléma megoldására a kutatók kifejlesztették a ShaReD-et, amely azonosítja az egyes alanyok idegi aktivitásával korreláló egyetlen közös viselkedési reprezentációt, lehetővé téve a finom viselkedési jellemzők és az egyes állatok különböző idegsejtjeinek aktivitása közötti kapcsolat feltérképezését.
A meglévő módszerek általában mesterséges összehangolást alkalmaznak az egyéni variabilitás csökkentése érdekében – hasonlóan ahhoz, mintha mindenkitől megkövetelnék, hogy pontosan ugyanazt az útvonalat kövesse a célállomásig. Ezzel szemben a ShaReD inkább úgy működik, hogy azonosítja azokat a tereptárgyakat, amelyek követése következetesen segít az utazóknak a navigációban, függetlenül attól, hogy milyen útvonalat választanak. A ShaReD módszer döntő szerepet játszott a tanulmány eredményeiben.
„Ez az új módszer lehetővé teszi, hogy több kísérlet adatát kombináljuk, és olyan részletes felfedezéseket tegyünk, amelyek csupán az egyes agyban rögzített korlátozott számú releváns idegsejt felhasználásával nem lennének lehetségesek” – mondta Benna, számítógépes idegtudós és a tanulmány társszerzője.
Az új tanulmány a Komiyama laboratórium által vezetett második olyan kutatás, amely rávilágít arra, hogyan tanul az agyunk. Áprilisban William Wright, Nathan Hedrick és Komiyama a Science folyóiratban publikáltak egy tanulmányt, amely leírja a neuronok által tanulási epizódok során követett többféle szabályt, miszerint a különböző régiók szinapszisai különböző szabályokat követnek.
A Nature-tanulmány eredményeivel a kutatók tovább mélyítették a tudomány ismereteit a tanulási folyamatról egy új, átfogó modellel, amely leírja, hogyan alakulnak ki a tanulás során a tanult mozgások alapját képező idegpályák. Az új információk reményt adnak azoknak is, akik idegrendszeri rendellenességekben szenvednek.
„A tanulmány azt mutatja, hogy a tanulás nem csupán ismétlés” – mondta Ramot. ”Az agyunk szó szerint célzott módon átalakítja magát. Akár új készséget tanulunk, akár stroke-ból lábadozunk, akár neuroprotézist használunk, az agyi régiók kommunikációja átalakulásának megértése segít abban, hogy jobb terápiákat és technológiákat fejlesszünk, amelyek együttműködnek az agy természetes tanulási mechanizmusaival.”