A modern idegtudományi vizsgálóeljárások segítségével ma már lehetőségük van a kutatóknak arra, hogy egyszerre sok idegsejt, egész neuronpopulációk aktivitását figyeljék meg. Ezek vizsgálatához azonban teljesen más megközelítés szükséges, mintha csak egy idegsejtet vizsgálnánk, mondja Orbán Gergő, a Wigner Fizikai Kutatóközpont, Komputációs Tudományok Osztálya Komputációs Rendszerszintű Idegtudományi Csoport vezetője. A kutatócsoport például gépi tanulásos módszereket is használ az idegsejtek populációszintű vizsgálatához.
„Mi a gépi tanulás, az idegtudomány és a kognitív tudomány inderdiszciplináris szegmensével foglalkozunk, de valójában minden irányból ugyanazt a kérdést feszegetjük. E kérdés pedig, hogy azok a biológiai rendszerek, amelyek elérték azt, hogy bonyolult feladatokkal képesek változó környezetben is megküzdeni az idegrendszerük segítségével, hogyan képesek minderre – mondja Orbán Gergő. – Jelenleg az érzékelésre, azon belül a látásra, illetve a memóriára koncentrálunk. Azt igyekszünk megérteni, hogy mi az a matematika, amelynek segítségével az agy megbirkózik a környezet kihívásaival.”
A kutatásaik kognitív tudományi összetevője azt jelenti, hogy lényegében a viselkedésen keresztül igyekeznek feltárni az idegrendszer által végzett műveletek mechanizmusát. Az idegtudományi ágban az idegsejtek válaszait mérik, és ez alapján rajzolják fel a neurális működés matematikai alapjait. Orbán Gergő amellett érvel, hogy immár egyre intenzívebb a kognitív- és az idegtudomány közötti átjárás, és számos kérdés vethető fel, amely mindkét tudományág esetén hasonló helyre vezeti a kutatókat.
Egyszerre kell viselkedési és idegtudományi kísérleteket folytatni, hogy megértsük azt, hogy a két jelenség között milyen kapcsolat van, vagyis a magatartáshoz hogyan viszonyul a neurális válasz. A vizsgálataik során arra törekednek – legyen az alany állat vagy ember –, hogy az adaptív biológiai rendszerek tulajdonságainak két legfontosabb információforrását integráltan lehessen értelmezni.
Ezzel párhuzamosan pedig az idegsejtek szintjén a cél az, hogy értelmezni tudjuk, hogy az ilyen komplex viselkedésmintázatokhoz miképpen járulnak hozzá az idegsejtek. Ennek középpontjában az a kérdés húzódik meg, hogy az idegsejtek sokaságai milyen számításokat végeznek. Ehhez az idegtudományban mostanában megjelent, legmodernebb technológiákat alkalmazzák, amelyek segítségével egyszerre már több idegsejt válaszát lehet mérni. Vannak azonban olyan kérdések, amelyek vizsgálatához egyszerűen nem létezik még megfelelő eszköz, így azokat maguknak a kutatóknak kell kifejleszteniük.
„Amikor nem egy, hanem sok neuront mérünk egyszerre, akkor nem egyszerű felskálázási problémáról van szó, tehát nem ugyanazt kell csinálni, csak nagyobb léptékben – figyelmeztet Orbán Gergő. – Alapvetően teljesen máshogy kell a feladathoz közelíteni. Csak így deríthetjük fel, hogy egy adott idegsejt-populáció hogyan képes reprezentálni, illetve hol kell keresnünk a működés szempontjából fontos változók reprezentációját.”
A kutató szerint e kérdéseket olyan eljárások segítségével lehet hatékonyan kutatni, amelyek a gépi tanulásban használatosak. Ott is nagydimenziós adathalmazokkal dolgoznak, és itt is erről van szó: egyszerre több idegsejt aktivitását követik, és minden neuron hozzáad egy dimenziót a sokasághoz. E nagydimenziós adatokkal kell a kutatás során megküzdeni, és például felfedezni bennük, hogy hogyan jelenítik meg azokat a változókat, amelyek az adott feladat végrehajtásához szükségesek.
Amikor az ember vagy állat érzékel valamit (legyen az például egy mobiltelefonon játszott játék), akkor a látott információ bejut a központi idegrendszerbe, ahol számos idegsejt egyszerre lép működésbe, és a tüzelési mintázatuk fogja reprezentálni az adott információt. Gyakran előfordul természetes körülmények között is, hogy bár azonos a stimulus, ami bejut az idegrendszerbe, mégis másképpen kell reagálni rá a kontextustól függően. Orbán Gergő példaként a különböző kártyajátékokat hozza fel, amelyek szabályai szerint más-más stratégia a nyerő, hiába kapjuk ugyanazokat a lapokat.
Ennek megfelelően tervezhető olyan kísérlet, amelyben megtanítják a kísérleti állatoknak, hogy másképp reagáljanak ugyanarra a stimulusra a kontextustól függően. Ezután a kísérlet közben az agyuk számos idegsejtjének párhuzamos aktivitását vizsgálva kideríthető, hogy hogyan dolgozzák fel a neuronok ezt a döntési helyzetet.
„Ebben a helyzetben meg tudjuk nézni azt, hogy egy adott idegsejt-populáció miképpen képes szétválasztani az érzékelt stimilust, és a hatására létrejövő döntést. Ez a döntés függ a körülményektől, vagyis – a kártyás példánál maradva – attól, hogy milyen játékot játszik éppen – mondja Orbán Gergő. – Ehhez azonosítanunk kell azt, hogy a kontextus meghatározásához milyen változókat kell az állatnak reprezentálnia. Ezután megnézhetjük, hogy e változókat kiolvashatjuk-e valamiképpen az idegrendszerből. Ha mindez sikerül, és rájövünk arra, hogy e változók hogyan vannak kódolva az idegrendszerben, az nagyban segíthet annak megértésében, hogy az agy hogyan végzi el a feladatot.”
A kutatócsoport megközelítése szerint az elektrofiziológiai mérések (például a látókéreg idegsejtjeinek rögzített aktivitása) elemzéséből fel tudják tárni, hogy a feladat megoldása szempontjából fontos változókat hogyan reprezentálja az idegsejt-populáció. Ebből kiderülhet például, hogy egy adott stimulus feldolgozása függ-e attól, hogy az adott stimulus releváns e az aktuális feladat megoldása szempontjából. Vannak olyan feladatok, ahol a vizuális inger alapján kell döntést hozni, máskor a hallott stumulus alapján. Kérdés, hogy e különbség megjelenik-e a stimulus agyi reprezentációjában is.
„Ötven éve ismerjük, hogy egy stimulus hatására az idegsejtek aktivitása mintázatszerűen változik, ahogy telnek a milliszekundumok. A kérdésünk, hogy ha ugyanazt a stimulust mutatjuk, csak másféle kontextusban, akkor ez befolyásolja-e az idegsejtek viselkedését, és ezáltal az inger idegrendszeri reprezentációját” – mondja Orbán Gergő.
