Valóság és illúziók: kiderült, hogy miért a zajos agy a hatékony agy

Látásunk legalapvetőbb szintjén is befolyásolják idegsejtjeink működését a világról alkotott agyi modelljeink. Orbán Gergővel, az MTA Wigner FK Lendület-csoportvezetőjével, a témáról a Neuron című folyóiratban most megjelent cikk vezető szerzőjével beszélgettünk érzékelésünk újraértelmezett modelljéről, az agy matematikájáról és az idegrendszerünkhöz csatlakozó implantátumok jövőjéről.

2016. október 19. Gilicze Bálint

„Észenlétünk pillanataiból kell válogatnunk, s ami homokot felmarkolunk az eszmélet tájairól, az lesz a tudatunk” – Robert M. Pirsig: A zen meg a motorkerékpár-ápolás művészete (ford. Bartos Tibor)

Egy kávézóban ülünk A Neuronban most megjelent cikk ide kattintva teljes terjedelmében olvashatóOrbán Gergővel, és már kínosan hosszú ideje a karosszékét bámulom, miközben az agysejtek aktivitásának mintázatairól magyaráz. Vajon a karfák valóban összetartoznak? Lehetséges, hogy interjúalanyom két karfa alakú mankón támaszkodik, és ezt a fura, félig guggoló testhelyzetet valami emberfeletti önuralommal tartja meg, hónapok kitartó gyakorlása után? Jobban belegondolva akár ez is elképzelhető, bár valljuk be, elég valószínűtlen.

A becsapható szem

A karosszékkel kapcsolatos hirtelen jött bizonytalanságom persze nem a véletlen műve, egyszerűen csak leragadtam beszélgetésünk egy korábbi részénél. Orbán Gergő mindössze azzal az egyszerű ténnyel szembesített, hogy amit látunk, az egyáltalán nem egyértelmű. Bár épp a karosszék esetében viszonylag nagy erőfeszítés kell a hétköznapi értelmezésünk szétrombolásához, rengeteg vizuális illúzió ismert, ahol egyáltalán nem ilyen egyszerű agyunk feladata. Gondoljunk csak a barokk templomok kupoláinak háromdimenziós térélményt nyújtó festményeire, de ha valaki ellátogat az MTA Székházába, az emeletre vezető lépcsősor faldíszei között is találhat zseniális háromdimenziós illúziókat – én például hónapokig jártam úgy dolgozni, hogy azt hittem, mindegyikük igazi stukkó. A módszer neve trompe l’oeil, vagyis „szemet becsapó” festészet.

Pere Borrell del Caso: Menekülés a kritika elől (1874) Forrás: Wikimedia Commons

Az agykutatók számára azonban ebben a látványos trükkben nem is annyira az az izgalmas, hogy működik, hanem az, hogy azután is működik, hogy lelepleztük. Illetve, az illúzió erősségétől függően képesek vagyunk kétféleképpen – festményként síkban és háromdimenziós látványként térben – látni, sőt vannak olyan vizuális illúziók, amelyek szemlélése közben akár hat különböző értelmezés között váltogat az agyunk. És nem állapodik meg egynél.

Felmerül hát a karosszékes példánál még elég mesterkéltnek tűnő kérdés: hogyan is jelenik meg a látottak bizonytalansága az agyunkban? Orbán Gergő és kutatótársai ennek a problémának eredtek nyomába.

Rádió az agyban

Képzeljünk el egy nagyon egyszerű kísérletet. Egy majomnak megmutatják egy vízszintes rúd képét, majd szép lassan elkezdik forgatni, míg függőleges helyzetbe nem ér, mindeközben pedig mérik agyában az idegsejtek aktivitását a látásélmény keletkezésének helyén, az elsődleges látókéregben. Az már korábbi kísérletekből világos volt, hogy az idegsejtek különböző intenzitású aktivitással reagálnak a rúd helyzeteire, valahogy úgy, mintha a rúd egy rádió csatornakeresője lenne. Az viszont újdonság volt, hogy kimutatták: egyáltalán nem mindegy, milyen minőségű képet adnak a rúdról. Attól függően, hogy a majom élesebb, kontrasztosabb vagy elmosódottabb képet látott, látókérgének idegsejtjein „tisztább” vagy „zajosabb” aktivitást mértek. Vagyis, amikor kevésbé jól kivehető képet adtak a rúdról, mintha felerősödött volna a „rádióadást” zavaró recsegés, éles, kontrasztos képnél pedig az adás is mintha tisztábban hangzott volna.

A kísérleteket végző kutatók sokáig nem igazán foglalkoztak ezzel a zajjal, sőt inkább szabadulni akartak tőle, azonban Orbán Gergő és munkatársai felismerték, hogy

ha a zaj nagysága változik attól függően, hogy mit lát a kísérleti állat, akkor feltehetően ennek is van valamilyen információtartalma.

Több további kísérlet adatai nyomán egyre világosabban látták, hogy ez a zaj voltaképpen azt mutatja, mennyire biztosan tudta elhelyezni az agy a látottakat saját, a világról alkotott modelljében.

Gyerekzaj

Ahhoz, hogy megértsük, milyen információ is bújhat meg a „zajban”, hallgassuk meg a következő rövid (és persze kitalált) történetet.

A „Zöld és kék srácok” nevű együttes szombat esténként szabadtéri gyerekkoncerteket tart, és imádja bevonni a közönséget a buliba. Ezért a belépőjeggyel kiosztanak mindenkinek egy zöld és egy kék lapot, amit a „De jó, hogy zöld vagyok – de jó, hogy kék vagyok” című, méltán sikeres slágerük refrénjénél kell egymás után felmutatni. A nyári koncerteken készült fenomenális közönségfotók után az őszi felvételeket egyre komolyabb aggodalommal küldözgették egymásnak e-mailben a szülők, ugyanis a gyereknek valahogy nem sikerült eltalálni a megfelelő színt. Az iskolakezdés lehet a felelős? Vagy most tanulták a színeket, és összezavarták őket ezek a huncut tanárok?

A megnyugtató válasz egy fizikus apukától érkezett, aki rávilágított, hogy a vénasszonyok nyarának esti koncertjei már a szürkületben zajlottak, és mivel az emberi színlátás a sötétedéssel gyorsan romlik, a gyerekek egyre kevésbé tudták hirtelenjében megkülönböztetni a két színt egymástól. Ebben a példában a „zaj” nem más, mint a tiszta, egységes színhez képest látszó eltérés (vagyis hogy néhányan a zöld helyett kék lapot mutattak fel, és viszont), és világos, hogy igen értékes információt hordoz: az ügyes apuka a fényképek alapján azt is meg tudta saccolni, nagyjából mikori koncerten készültek.

Modell és céltábla

Orbán Gergőék elgondolása nagyjából a következőképpen áll össze. Agyunk folyamatosan érzékeli a bennünket körülvevő világot, és a rengeteg ismeret, emlék, tapasztalat, benyomás alapján megpróbálja valahogy modellezni az érzékszerveinken keresztül kapott információkat. Azonban akármit érzékeljünk is a világból, annak általában nem csak egyféle értelmezése lehet. Agyunkban ez a többféle értelmezés együttesen jelen van, csak mindegyiknek más a valószínűsége, melyet visszatükröz az adott értelmezés „súlyozása”. (Példánkban: az eddigi tapasztalatok alapján esélyesebb a karosszék, mint a két fura mankó.) A Neuronban, a világ egyik vezető idegtudományi lapjában most megjelent cikk szerzőinek elgondolása szerint a látókérgi idegsejtek aktivitása épp olyan, mintha folyamatosan mintát vennénk ezekből az értelmezésekből, méghozzá a súlyuknak megfelelő valószínűséggel.

Orbán Gergő Forrás: mta.hu/Szigeti Tamás

A legjobban talán úgy érzékeltethetjük a dolgot, mintha íjászok lennénk, és két céltáblára lőnénk – az egyik tíz, a másik száz méterre van tőlünk. A közeli céltáblát nagyobb valószínűséggel találjuk el, a nyílvesszők elhanyagolható része szóródik szét a tábla körül, a távolabbin pedig sok-sok lehullott nyílvesszőből kirajzolódik, hogy hova is akartunk célozni, de a lövések hatalmas körben szórnak a tábla közepe körül. Ha a helyzetet szeretnénk leírni, tárolhatjuk a két céltábla pontos helyzetét – íjásztehetségünk ismeretében ez pontosan meghatározza, milyen eséllyel találunk célba, és hogyan fognak szóródni a nyílvesszők a céltábla körül. Ez egy absztrakt modell a helyzetről. A látókéregben megjelenő idegsejt-aktivitás viszont olyan, mint egy mindkét céltáblára leadott lövéssorozat (ez a mintavétel), ahol a nyílvesszők szóródásából kirajzolódik, hogy voltaképpen milyen két céltábláról is volt szó, és honnan adtuk le a lövéseinket.

Ezt a gondolatot illusztrálja az alábbi zebrafejes animáció is, ahol a szemléltetés kedvéért képzeletbeli „agyunk” egy igen-igen egyszerű valóságmodellt használ. Amikor a szem a fájdalmasan ordító zebra fejét látja (a videó végén ez is feltűnik, az indításhoz kattintson a képre), ebben a képzeletbeli agyban megformálódik egy modell arról, hogy a szemünk mely részén milyen valószínűséggel számíthatunk fotonok érkezésére (ezt mutatja a felső réteg az ábrán). Noha a látókéreg idegsejtjei nem éppen a fotonok eloszlását jelenítik meg, e képzeletbeli idegsejtek képzeletbeli aktivitása jól mutatja, hogy zajosnak tűnő mintavételek sokaságából hogyan rajzolódik ki a zebra képe.

A zebrás kép forrása: Istock.com/CliffParnell

A valóság vajon mi?

A cikkben ismertetett eredmények három komoly tanulsággal is járnak.

Először is, az agyműködés egyik újabb jelenségéről derült ki, hogy egyáltalán nem működési gyengeség, a törzsfejlődés során ránk hagyott „szemét” vagy épp evolúciós gyerekbetegség. Amit sok kutató egyszerűen „zajnak”, az idegsejtek véletlenszerű, kiszűrendő működésének tartott, fontos információkat hordoz. (Lásd még fenti keretes írásunkat.)

Másodszor, ismét érdemes hátralépnünk egy kicsit, és újra átgondolni, miként is érzékeljük a valóságot, és mennyire látja – mennyire láthatja – két ember ugyanúgy a világot. Orbán Gergőék eredményei azt mutatják, hogy már az elsődleges látókéregben saját, világról alkotott modelljeink – persze állandóan változó súlyozású – halmazának leképeződését találjuk. Tehát a világ értelmezésének agyi modellje szűrőként rögtön ott áll tudatos érzékelésünk küszöbén.

Végül, az új elmélet ismeretében teljesen át kell gondolnunk, hogyan is „beszélgessünk” az aggyal. Azzal, hogy az idegi aktivitás szerkezetét immár mélyebben ismerjük, és megtudtuk, hogy az idegi aktivitás zajának is fontos szerepe van az információfeldolgozásban, az ennek figyelembevételével készült implantátumok sokkal hatékonyabban kommunikálhatnak az emberi idegrendszerrel, mint korábban. Úgy képzelhetjük el, mintha eddig az anya és kétéves gyereke közti kommunikációban kizárólag a beszéd tartalmát tartottuk volna lényegesnek, és olyan készülékkel próbáltuk volna megnyugtatni anyja távollétében, amelyik robothangon ismételgette: „Nyugodj meg, kisfiam, ne sírj!”

Most jöttünk rá, hogy a hangsúly és a hangszín is számít.

Matematika a fekete dobozon kívül

Egy elmélet persze akkor igazán értékes, ha kísérleti bizonyítékokkal támasztható alá. Hangya Balázs bizonyossággal kapcsolatos vizsgálataihoz hasonlóan itt sem tudjuk pontosan, hogy konkrétan hogyan épülnek fel agyunkban a valóságot leképező modellek. Itt is igaz ugyanakkor, hogy a kutatók elméletéből következő matematikai tulajdonságok változását a kísérleti körülmények függvényében jól lehet vizsgálni úgy is, ha az agy mélyebb működéseit fekete doboznak tekintik.

A hipotézisben felvetett statisztikai mintavételnek és az adatok szórásának ugyanis olyan matematikai törvényszerűségei vannak, amelyek nagyrészt függetlenek a világ agybeli reprezentációjától, viszont függenek a látottak optikai jellemzőitől. Így például, ha a szem elé vetített kép kontrasztját vagy élességét növeljük, a repezentáció bizonyossága nő, vagyis a mért jelek szórása csökken – ez pedig már közvetlenül, kísérletesen is ellenőrizhető anélkül, hogy tudnánk, milyen agyi modellek működnek a háttérben.

Orbán Gergő és társai ezért összeszedték azokat az idevágó kísérleteket, amelyek elérhetőek voltak az irodalomban, és szimulálták őket, majd összevetették a publikációkban kapott eredményekkel. Emellett egyéb állatkísérletek szabadon hozzáférhető adatait elemezték elméletük szempontjából.

Ráadásul nemcsak a látás területéről ismeretesek a témához kapcsolódó kísérleti adatok. Az elmélet jól magyarázza azt az ismert furcsa jelenséget, amikor egy mozdulat tanulása során egymással ellentétes hatású izmok működnek egyszerre, látszólag teljesen feleslegesen. Ahogy egyre jobban megtanuljuk a mozdulatot, ez a jelenség lecseng, és egyre hatékonyabb, kecsesebb lesz a mozgás. Orbán Gergőék elmélete – bár ők jelenleg a látókéreggel foglalkoznak – jól magyarázza az itt tapasztaltakat: amikor tanulunk egy mozdulatot, valamiféle cél lebeg előttünk. A megvalósításnak pedig különböző modelljei lehetnek, melyek „súlyozása” folyamatosan változik, ahogy tanuljuk a mozgást. Mivel ezek a modellek egyszerre vannak jelen, e folyamatos bizonytalanság miatt gyakran egyszerre ellentétes hatású izmok is összehúzódnak. A tanulással azonban a modellek súlyozása is változik, és végül kikopnak a felesleges izom-összehúzódások.

Gauguin karosszéke Vincent van Gogh festményén – milyenek lehettek az ő agyának világról alkotott modelljei? Forrás: Wikimedia Commons

NAP-os út a nagyobb hálózatok felé

A Neuron című folyóiratban most megjelent cikk – melyet Orbán Gergő mellett Pietro Berkes, Fiser József és Lengyel Máté jegyez – zömében olyan eredményekről szól, melyek egyetlen vagy néhány idegsejt aktivitásának megfigyelésével is vizsgálhatók. Ezek a vizsgálatok meglepő módon akár egy laptoppal is elvégezhetőek, de az innen továbblépést jelentő számításoknak már több száz sejttel is meg kell birkózniuk: erre a laptop már nem lesz elég, azonban szerencsére ott az MTA Cloud.

Nagyobb hálózatok esetében azt is figyelni lehet, hogyan viszonyul egymáshoz a hálózatban részt vevő idegsejtek aktivitásának „zaja”, ami újabb részletekkel bővítheti megértésünket, és még pontosabb információkat adhat a majdani implantátumok gyártóinak. Az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpontban működő Lendület-kutatócsoport ilyen irányú kutatásait a Nemzeti Agykutatási Program (NAP) keretében Gulyás Attilával, az MTA KOKI kutatójával és nemzetközi kutatócsoportokkal együttműködésben végzi.