Mi történik az agyunkban miközben tanulunk és alkalmazkodunk?

Agyunk egyik legfontosabb – a túlélésünk szempontjából elengedhetetlen – képessége, hogy elősegíti a változó környezethez való alkalmazkodást. Ennek alapja egyrészt a tapasztalatgyűjtésen alapuló tanulás, másrészt a váratlan környezeti változásokhoz történő gyors adaptációt lehetővé tévő rugalmas gondolkodás, azaz kognitív flexibilitás. A rugalmas gondolkodás képességének hiányában, gondolkodásbeli merevség (rigiditás) alakul ki. Az ezzel küzdő emberek képesek ugyan szabályszerűségek felismerésére és elsajátítására, de a szabályok megváltozásakor is ragaszkodnak a korábban bevált megoldási módokhoz. Mind a tanulásra való képesség zavara, mind a kognitív rigiditás számos neuropszichiátriai betegségben és az öregedés során is megfigyelhető. 

A kutatók szerint nem ismert teljeskörűen, hogyan épülnek be az alkalmazkodáshoz szükséges térbeli- és kontextuális információk az agy kognitív térképébe a tapasztalatgyűjtésen alapuló tanulás során. Illetve arról is keveset tudunk, milyen változások zajlanak egy-egy szabály- vagy kontextusváltás alatt a hippokampuszban, az agy memóriafolyamatokban és navigációban központi szerepet játszó területén. A KOKI kutatói - a Makara Judit által vezetett Idegi Jelátvitel Kutatócsoport és az Ujfalussy Balázs által vezetett Biológiai Számítások Kutatócsoport - ezeket a kérdéseket egerekben vizsgálták. 

„Célunk egy olyan kísérleti paradigma megalkotása volt, amelyben egyszerre tudtuk vizsgálni a hippokampusz kimeneti régiójában elhelyezkedő serkentő sejtek aktivitását kontextus-függő tanulás és térbeli tájékozódás során” – mondta Nyilas Rita, a Science Advances folyóiratban megjelent cikk elsőszerzője. A vizsgálatban a kutatók olyan transzgén egereket használtak, amelyekben a célsejtek aktivitása fényjel formájában vált láthatóvá, így két-foton mikroszkóppal pontosan követhető volt a működésük. 

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 technikai 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. 

„Az általunk használt diszkriminációs feladat megtanulása során először a folyosók térbeli kódolása alakul ki a hippokampuszban. A viselkedésben tükröződő tanulással párhuzamosan azonban az általánosabb térbeli reprezentáció fokozatosan egy folyosó-specifikus, diszkrimináló idegi aktivitásmintázattal egészült ki. Meglepő módon, szelektiv aktivitást mutató sejtek a nem-jutalmazott folyosóban is megjelentek, vagyis absztrakt, kontextus-függő kód alakult ki a hippokampuszban” – magyarázta Nyilas Rita. 

Az egyik folyosó színének és mintázatának váratlan cseréjekor, azaz a már megtanult feladat hirtelen megváltoztatásakor, az egerek gyors teljesítményromlásával összhangban az idegi kód is 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, amelyek együttesen vannak jelen a sejtek aktivitásában. 

Egy másik kísérletben a kutatók nem a már megtanult feladathoz használt folyosópár típusán változtattak, hanem a jutalmat helyezték 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 – magyarázták a kutatók.