FMRI-vel az időskori kognitívképesség-hanyatlás jobb megértéséért

A Vidnyánszky Zoltán vezette Agyi Képalkotó Központ hat évvel ezelőtt alakult a Természettudományi Kutatóközpontban azzal a céllal, hogy a Központban 2015-ben beüzemelt MR-készülék gazdája és üzemeltetője legyen. A szkenner beszerzését a Nemzeti Agykutatási Program és a Magyar Tudományos Akadémia közös támogatása tette lehetővé. Ez az MR-gép a NAP alapinfrastruktúrájának része, így az Agyi Képalkotó Központ számos olyan NAP-kutatásnak szolgáltat kutatási infrastruktúrát, amely a mágneses rezonancián alapuló képalkotást (MRI-t) hasznosítja.

Strukturális és funkcionális MR-vizsgálatokra egyaránt van a Központban lehetőség, tehát az agy működését valós időben is tanulmányozhatják a kutatók. A Vidnyánszky Zoltán csoportja által végzett kutatás-fejlesztési tevékenység elsődleges célja új MRI adatgyűjtési módszerek és mesterséges intelligenciával támogatott adatelemzési eljárások fejlesztése, valamint azok alkalmazása a kognitív öregedés hátterét képező egészséges és kóros idegrendszeri folyamatok feltárása. Továbbá, a felfedező kutatásaik eredményeinek klinikai alkalmazása érdekében egy Demencia MRI Diagnosztikai Platform létrehozásán dolgoznak, mely lehetővé teszi a demencia korai diagnózisát és stratifikációját mesterséges intelligenciával támogatott MRI adatelemzési módszerek alkalmazásával.

„A NAP program keretében végzett kutatásaink során az agyi jutalmazó rendszer szerepét vizsgáljuk az emberi munkamemória időskorban jelentkező hanyatlásában  – mondja Vidnyánszky Zoltán. – Jól ismert, hogy a kognitív képességek romlanak a korral, ez leginkább a munkamemórián vagy a végrehajtó funkciókon érhető tetten. A munkamemória egy véges kapacitású memóriatípus, csak néhány másodpercig raktározza az információt, például olvasáskor emlékszünk az előző szóra, szótagra. Ez a képesség romlik a korral, de az már nem egyértelmű, hogy e képességromlás hátterében valóban a munkamemória kapacitásának csökkenése áll, vagy motivációs probléma okozza elsősorban.”

A munkamemória működése közben az agy rövid ideig tárolja a különböző modalitásokon érkező szenzoros információt, hogy rajta műveleteket végezzen. A kapacitáson felül azonban a feladat elvégzésekor felmutatott eredményt az is lényegesen befolyásolja, hogy az agy mekkora erőfeszítést tesz a végrehajtás érdekében. A kutatócsoport vizsgálatainak fontos célja, hogy e két faktort elválasszák egymástól és szelektíven vizsgálják.

A legújabb kísérletek eredményei azt mutatják, hogy a várakozásnak megfelelően mindkét tényező, a munkamemória kopása és a motiváció csökkenése együttesen okozzák az kognitív képesség időskori romlását. Azonban, nagyszámú önkéntes vizsgálatával kimutatták, hogy az előre jelzett pénzjutalom szignifikánsan erősebben növeli a munkamemória-teljesítményt fiatal, mint idős önkéntesek esetében. Továbbá, funkcionális MRI vizsgálatokkal sikerült azonosítani a jutalmazási hatás közvetítéséért felelős agyi hálózatot, melyben a striátum mellett kiemelt szerepet játszik az agyi alapállapotú hálózat (default mode network, DMN).

Továbbá, sikerült felderíteniük a jutalmazás és munkamemória kölcsönhatásának dinamikáját is. A kísérletekben általában munkamemória feladatokat kell az alanyoknak végrehajtaniuk, amit siker esetén pénzjutalommal díjaznak is. A különböző feladatok díjazása azonban jelentősen eltérő.

A fiatal résztvevők általában nagyon gyorsan tanulnak a kísérlet elején, majd viszonylag gyorsan elengedik azokat a feladatokat, amelyek nem fizetnek jól, és azokra koncentrálnak, amelyekkel sok pénzt lehet keresni. Ezzel szemben az időseknél kemény és kitartó tanulási folyamatot láttak, ami 30-40 percig tart, miután a teljesítmény stabilizálódik. A teljesítmény később sem csökken számottevően (sem a jutalmazott, sem a kevésbé jutalmazott feladat esetében), és a végén majdnem ugyanolyan sikeresek a feladatmegoldásban, mint a fiatalok. Vagyis az idősek motivációja a feladat végéig erős marad.

Hogyan is történik maga a kísérlet?

„A munkamemória kutatásában használt feladatok általában két kép összehasonlításáról szólnak, ahol mindössze annyit kell az alanynak megmondania, hogy a látott két kép ugyanaz-e vagy különböző. Ez nagyon durva feladat, számos oka lehet az igen/nem típusú válaszoknak – folytatja Vidnyánszky Zoltán. – Ehelyett mi finomabban elemezhető feladatokat adunk. Például az alanyok látnak egy bizonyos irányban álló pálcikát, majd egy másik pálcikát pontosan ugyanabba az irányba kell beállítaniuk. Vagyis pontosabban kell visszaidézniük a látott képet.”

Így a memória precizitását is mérni tudják. A feladatoknál jelzik az alanyoknak, hogy a helyes megoldásért sok vagy kevés pontot adnak, és várhatóan azoknál a feladatoknál lesznek motiváltabbak az emberek, ahol sok pontot lehet nyerni. Amikor egymás után több pálcikát mutatnak a próba elején, majd csak az egyikre kérdeznek rá, akkor kiderülhet, hogy a munkamemória milyen tisztán tárolja az információt.

Gyakori probléma ugyanis az időskori memóriaproblémáknál, hogy a különböző szenzoros ingerek reprezentációi összemosódnak. Rendszerint egyszerre sok információ áramlik az agyunkba, amelyeket egy rövid ideig el kell tárolni, hogy értékelni tudjuk őket. A memória gyengesége gyakran abból adódik, hogy bár egyenként az idős agy képes lenne tárolni ezeket az információkat, nem tudja szeparálni őket, interferálnak egymással, és gyengítik egymást.

Az összefüggő információk agyi összekapcsolása (szakszóval: binding) elengedhetetlen az egészséges memóriaműködésben, de idős korban ez gyakran károsodást szenved. A TTK kutatóinak sikerült kimutatni, hogy függetlenül a feladat jellegétől, az információ elégtelen összekapcsolása közös tőről gyökerezik. A hátterében valószínűleg a memórianyomok konszolidációjában központi szerepet játszó hippokampusz károsodása állhat.

Ezen a ponton lép a képbe az fMRI vizsgálat, amely alkalmas a feladatok megoldásában aktív agyterületek azonosítására. Főként azt vizsgálják, hogy az agyban hogyan jelenik meg a motiváció, és hogyan allokálódnak az idegsejtek egy-egy feladat megoldására. Ebben pedig az agyi jutalmazórendszeré lehet a főszerep.

„Az agyi jutalmazórendszer nagyon érzékeny arra, hogy az adott viselkedési válasz milyen jutalommal járhat, és folyamatosan kalibrálja a saját működését a körülményektől függően. E rendszer döntései motiválják explicit vagy implicit módon gyakorlatilag minden cselekvésünket – mondja Vidnyánszky Zoltán. – A jutalmazórendszer részei többek között a dorzális és ventrális striátum, és a nucleus accumbens. Ez meglehetősen jól ismert. Ugyanakkor arról szinte semmit sem tudunk, hogy milyen mechanizmus fordítja át a jutalmazórendszer döntését kognitív erőfeszítésre, amit a jutalom eléréséért teszünk.”

A viselkedési és az MRI-eredmények is arra utalnak, hogy a jutalmi válasz erősségéből nem lehet egyértelműen következtetni arra, hogy mekkora kognitív erőfeszítés-allokáció fog történni. Ezt a homloklebenyben lévő agyi központ határozza meg. Az agy csak a biztosnak tűnő, hosszútávú előnyök reményében hajlandó jelentős további erőforrásokat allokálni egy feladat megoldására.

Mindent összevetve, a csoport kutatásai fontos új ismereteket szolgáltattak a motiváció és a kognitív erőfeszítés agyi hétteréről és az azokban bekövetkező változásról időskorban. Eredményeik hozzájárulnak a kognitív képességek korral történő hanyatlásának jobb megértéséhez és a hanyatlás késleltetése érdekében hatékonyabb kognitív intervenciók kidolgozásához.