Agyunk működésének megértése ősidőktől foglalkoztatja az emberiséget, mégis máig a hasonlóan homályos terület, mint a mélytengerek világa. Érdekes, hogy épp azon szervünkről tudunk nagyon keveset, amely kiemelt minket az állatvilágból, amelynek minden tudásunkat, kreativitásunkat, alkotóerőnket köszönhetjük…
Szerencsére viszont olyan korban élünk, ahol már nemcsak a technika fejlődése, az egyre gyűlő információk értékelése és újraértelmezése kecsegtet újabb és újabb eredményekkel, hanem a különböző tudományágak összekapcsolása is. Utóbbi téren alkottak nagyot magyar tudósok, egészen pontosan az ELTE PIT Bioinformatikai Csoport kutatói Grolmusz Vince professzor vezetésével.
Az emberi agy egyedfejlődését vizsgálva arról számoltak be, hogy felnőttek agyi kapcsolatainak matematikai elemzésével a magzati és csecsemőkori agyi fejlődésre lehet következtetni – tanulmányuk a rangos tudományos folyóiratban, a Scientific Reportsban jelent meg.
Felfoghatatlan: 80 milliárd a négyzeten
Agyunkban az idegsejtek hálózati összeköttetésben állnak egymással, korábbi kutatások kimutatták, hogy ebben a rendszerben mind a sejtek, mind a hálózat képes tanulni. Tudjuk azt is, hogy ezen kapcsolatok nagy része magzati, illetve korai csecsemőkorban fejlődik ki, ám létrejöttük követése gyakorlatilag megoldhatatlan feladat. De kezdjük az elején.
A fonálféregnek 302 idegsejtje van, ennek feltérképezését hosszú évek munkájával a 80-as évekre elvégezték. A következő kihívást az ecetmuslica ugyanilyen megismerése jelentette, vagyis jelenti: évek óta folyik a megfeszített munka, de a kutatók még nem jutottak a végére.
Ebből kiindulva sejthetjük, micsoda kihívást jelent az emberi agy 80 milliárd idegsejtjének feltérképezése főleg úgy, hogy ha a kapcsolatokat is számításba vesszük, a 80 milliárdot négyzetre kell emelni.
Ha valaki most átadna az emberiségnek erről egy pontos listát, nem tudnánk vele mit kezdeni. Olyan adatmennyiségről van szó, aminek feldolgozása, megértése jelenleg meghaladja a képességeinket
– fogalmaz a 24.hu-nak Grolmusz Vince professzor.
Akár egy fa vagy bokor
Kisebb lépések azonban lehetségesek, ami esetünkben nagyobb agyterületeket vizsgálatát jelenti. Az úgynevezett diffúziós MRI képes néhány négyzetcentis agykérgi területek közti kapcsolat aránylag megbízható feltárására. Jelenleg nagyjából 1000 agyi terület között néhány tízezer ilyen kapcsolatot tudunk megtalálni ezekkel az eszközökkel.
Az ELTE csapata több száz, 22 és 35 év közötti egészséges felnőtt agyi összeköttetéseit vizsgálta az általuk készített számítógépes program segítségével, a kérdés az volt, hogyan alakulnak ezek a kapcsolatok az egyedfejlődés során? A válasz két érdekességet rejt.
Az egyik, hogy a kapcsolatok nem véletlenszerűen jönnek létre, hanem az egymástól független adathalmazokból lényegében ugyanolyan agyi kapcsolatfejlődési sorrendre lehet következtetni, vagyis nagy valószínűséggel biológiai jelenségről van szó. Úgy képzeljük el, mint egy fa vagy bokor növekedését.
Egyes kapcsolatok 100 százalékos egyezést mutattak, ezek alakulnak ki a legkorábban, embriókorban, ezért mindenkinél ugyanúgy megjelennek. Később, az egyed fejlődése során egyre kevesebb a hasonlóság, ezek a későbbi összeköttetések.
Kissé leegyszerűsített példa: közel azonos fákból álló bükk erdőben a felületes szemlélő minden törzset egyformának lát, ám az már elsőre is világos, hogy az egész erdőben nincs két teljesen azonos ágakkal, gallyakkal rendelkező növény.
Matematikai eszközökkel sok felnőtt agyi kapcsolatainak elemzésével a magzati és csecsemőkori agyi fejlődésre lehet következtetni
– foglalja egy mondatba első fontos megállapításukat Grolmusz Vince.
A laikus itt közbeszól, hogy minek ennyire „bonyolítani”, miért kell felnőttekből következtetni gyerekek agyi működéseire ahelyett, hogy őket tanulmányoznák. A professzor válasza lesújtóan egyszerű: mert az MRI-vizsgálathoz hosszú ideig teljes nyugalom szükséges, ami a magzatnál kizárt, a csecsemő esetében meg nagyon nehezen kivitelezhető.
Ilyen MRI vizsgálatokat fiatal csecsemőkön csak akkor végeznek ha a baba élete múlik rajta, pusztán a tudomány kedvéért nem.
Az agyunk mint a World Wide Web
A másik fő megállapítás a kívülálló számára még érdekesebb.
Az agyi hálózatfejlődési dinamika némileg hasonló mintázatot mutat azzal, ahogy Barabási Albert László és kollégái leírták a World Wide Web kapcsolati hálóját.
Ott egy új weboldal sokkal nagyobb valószínűséggel olyan régi honlapok linkjeit tartalmazza, amelyekre már több hivatkozás mutat. Teljesen logikus: az ismert, megbízható webhelyek képesek népszerűvé válni, amit egyrészt az új lap készítője ismer, másrészt épp megbízhatóságuk miatt szívesen megoszt a saját tartalmán.
Itt, vagyis az emberi agyban a gráfélek (a gráf matematikai alapfogalom, egy csúcsokból és a köztük futó élekből álló rendszer) két végpontja is nagyobb valószínűséggel olyan csúcsokhoz csatlakozik, amelyeknek már több szomszédja van.
Tudományosabban: a kapcsolatnövekedési struktúra (bokor vagy fa) matematikai szimulációja szerint egyes kapcsolatok létrejöttének valószínűsége a kapcsolat által összekötött két végpont szomszédai számának összegével arányos.
Ez az eredmény hasonlít a World Wide Web gráfjának matematikai leírásához, ahol is az új csúcsok a régi csúcsok szomszédainak számával arányos valószínűséggel kapcsolódnak a már meglévő csúcsokhoz, azaz nagyobb valószínűséggel kapcsolódnak már amúgy is sok szomszédú csúcsokhoz.
A tanulmányt jegyző kutatók az ELTE PIT Bioinformatikai Csoportjának munkatársai:
- Grolmusz Vince professzor,
- Szalkai Balázs doktorjelölt,
- Varga Bálint doktorandusz.
