Október a látás hónapja

A matematikusok és az idegtudósok elkészítették az első anatómiailag pontos modellt, amely elmagyarázza, hogyan látunk. Tudni kell, hogy bár élénk képek jelennek meg a szemünk előtt, ám az agy látórendszere nagyon kevés információt kap magáról a világról. Nagyon sok dolog, amit látunk, csak az elménkben felidézett részlet.

Október a látás hónapja, de ilyenkor többnyire csak arról esik szó, hogy a szemünket hogyan védhetjük meg, milyen a jó szemüveg, miért fontos szemészhez és optometristához menni a megfelelő lencse és keret kiválasztásához.  A látás egésze – amelynek számos folyamatát mind a mai napig nem tárták fel – azonban kevesebb figyelmet kap. Lássuk tehát, mit tudunk arról jelenleg, hogy hogyan látunk!

Az emberi anatómia tanulmányozása önmagában semmit sem mond arról, hogy az agy milyen módon állítja elő a tudatunkban megjelenő képeket. Lai-Sang Young, a New York-i Egyetem matematikusa a Quanta magazinnak ki is fejtette, hogy sok olyan dolog, amiről azt gondoljuk, hogy látjuk, tulajdonképpen csak az agy következtetése, mert valójában nem látjuk őket. E rejtély megfejtéséhez a kulcsot a matematika adja. Young és kollégái, Logan Chariker matematikus és Robert Shapley neurológus orvos az elmúlt éveket egy olyan egységes matematikai modell kidolgozásával töltötték, amely egyesíti a biológiai kísérletek eredményeit és elmagyarázza, hogy az agy miként készít apró látványinformációk alapján kifinomult vizuális reprodukciót a világról.

Young és munkatársai modelljük felépítéséhez a látást egységekre bontották, és egy adott időben létező alapelemét vették fókuszba. Ennek segítségével magyarázták el, hogy a látókéreg neuronjai egy időpillanatban hogyan hatnak egymásra, hogy észleljék a tárgyak széleit és a kontraszt változásait. Most pedig azon dolgoznak, hogy leírják, miként érzékeli az agy az objektumok mozgásának irányát. 

Sejtek és rétegek

Van néhány dolog, amit biztosan tudunk a látásról. A szem lencseként működik, és felfogja a külvilágból érkező fényt, majd rávetíti látómezőnk méretarányos másolatát a szem hátulján elhelyezkedő retinára. A retina az agy látókérgéhez kapcsolódik, a fej hátsó részében. A retina és a látókéreg között azonban nagyon kevés a kapcsolat. Az összeköttetésért felelős idegsejtek alkotják az LGN-t, vagy az oldalsó geniculatus magot, az egyetlen utat, amelyen keresztül a vizuális információ a külvilágtól az agyba jut. 

Nemcsak az LGN-sejtek száma kevés, hanem csekély az is, amivel foglalkoznak. E sejtek impulzust küldenek a vizuális kéregbe, amikor észlelik a sötét és világos változását (vagy fordítva) a látótér egy apró részében. És csak ennyi a dolguk. A külvilág adatokkal bombázza a retinát, de az agy csak az LGN-sejtek jelzésére figyel. A kérdés tehát az, hogyan tudja az agy ilyen kevés információból mégis rekonstruálni a világot? Míg a kéreg és a retina között viszonylag kevés idegsejt tartja fenn a kapcsolatot, addig maga a kéreg sűrűn tele van neuronokkal. Minden LGN idegsejtre, amely visszacsatolást kap a retinából, 400 idegsejt jut a látókéreg kezdeti „bemeneti rétegében”, és még sokkal több van a kéreg más rétegeiben. Ez az eltérés megmutatja, hogy az agy alaposan feldolgozza azt a kevés vizuális adatot, amelyet fogad. 

Vizuális hurkok

Az LGN-sejtek tehát a vizuális kéregbe elektromos impulzusok sorozatát küldik egytized voltos feszültséggel és egy milliszekundum időt felhasználva. Ezzel elindítják az idegsejtek kölcsönhatásának sorozatát, amelyet végtelenül bonyolult szabályok irányítanak. Az egyes neuronok egyidejűleg több száz másik idegtől kapnak jeleket. Ezek közül néhány az idegsejteket tüzelésre (jelkibocsátásra) ösztönzi, mások pedig ezt visszafogják. Mivel egy idegsejt ezekből az ingerlő és gátló neuronokból is kap elektromos impulzusokat, a membránján mérhető feszültség ingadozik. Csak akkor tüzel, amikor a feszültség (a membránpotenciál) átlép egy bizonyos küszöböt. Szinte lehetetlen megjósolni, hogy mikor fog ez megtörténni. A helyzet pedig ennél is bonyolultabb. Egy adott neuronhoz más idegsejtek százai kapcsolódnak, s ezek mindegyik szintén több száz másik neuron jeleit veszi. A vizuális kéregben visszacsatolási hurok örvénylő játéka zajlik.

A vizuális kéreg korábbi modelljei nem vették figyelembe ezt a funkciót. Feltételezték, hogy az információ csak egy irányban folyik: a szem elülső részétől a retináig és onnan a kéregbe, amíg a látás létre nem jön. Ezeket az „előre haladó” modelleket könnyebben létre lehetett hozni, de figyelmen kívül hagyták a kéreg anatómiájának nyilvánvaló következményeit. Pedig a visszacsatolási hurkoknak fontos szerepük kell, hogy legyen a látás kialakulásában. „A visszacsatolási ciklusokkal valóban nehéz foglalkozni, mivel az információk folyamatosan visszatérnek. Ez olyan dolog, amivel szinte egyetlen modell sem foglalkozik, pedig az agy minden területén megtalálható” – mondta Young.

Young, Shapley és Chariker bebizonyította, hogy visszajelzéseket szem előtt tartó modelljük képes reprodukálni az objektumok éleinek tájolását – a függőlegesről vízszintesre és minden egyéb szögre, ami közöttük van – csak a modellbe beáramló LGN bemenet csekély változása alapján. „Kimutatták, hogy minden orientáció előállítható a vizuális világban csupán néhány idegsejt segítségével, amelyek más neuronokkal kapcsolódnak össze” – jelentette ki Alessandra Angelucci, az Utahi Egyetem neurológus kutatója. A látás azonban sokkal több, mint a szélek érzékelése. A következő kihívás az volt, hogy a látás kiegészítő elemeit a kutatók beépítsék modelljükbe anélkül, hogy elveszítenék azt az elemet, amelyet már felfedeztek. 

Látás és rajzás

A laboratóriumi kísérletek során a kutatók a főemlősöket egyszerű vizuális ingerekkel stimulálják – fekete-fehér mintákat mutatnak nekik, amelyek kontrasztja vagy a látómezejükbe történő belépésének iránya változik. A kísérleti állatok látókéregéhez rögzített elektródok segítségével a kutatók nyomon követik az ingerekre adott válaszként megjelenő idegi jeleket. Egy jó modellnek meg kell ismételnie az azonos típusú impulzusokat, ha ugyanazokkal az ingerekkel váltják ki őket.

A három kutató 2018-ban publikált tanulmánya bebizonyította, hogy a szélek felismerésére alkalmas korábban bemutatott modelljük képes reprodukálni a látókéregben a gamma ritmusnak nevezett impulzusaktivitás általános mintáját. (Ez hasonló ahhoz, amit akkor látunk, ha világító szentjánosbogarak rajzását figyeljük.) Egy harmadik készülő tanulmányuk pedig azt magyarázza el, hogy a gerjesztő idegsejtek hogyan erősítik meg egymás tevékenységét. Ez a funkció akkor erősödik fel, amikor az agykéreg kevés bemenő információból kénytelen felépíteni a látványt.

Az ember alapvetően vizuális lény, azaz a környezetéről a legtöbb információt a látásával szerzi. Ezért beszélünk elvont dolgokról is úgy, hogy „látjuk, mi a probléma”. A látás tehát központi szerepet tölt be az életünkben, következésképpen hajlamosak vagyunk elméleteket gyártani vele kapcsolatban. De még a legelterjedtebbek sem mind állják meg a helyüket. Részletek!

Jelenleg Young, Shapley és Chariker már azon dolgoznak, hogy az irányérzékenységet beillesszék a modellejükbe. Ez megmagyarázná, hogy a vizuális kéreg miként rekonstruálja azt az irányt, amelybe az objektumok a látómezőben mozognak. Ezután próbálhatják meg elmagyarázni, hogy az agykéreg felismeri a vizuális ingerek időbeli mintáit. De ezen a ponton a modell még csak a vizuális kéreg hat rétegének egyikében zajló folyamatokat ragadja meg. Azt, ahol létrejönnek a vizuális benyomás alapvető vázlatai. A fennmaradó öt rétegről, ahol a kifinomultabb vizuális feldolgozás folyik a kutatás még nem mond semmit. Ahogy arról sem, hogy a vizuális kéreg hogyan különbözteti meg a színeket, ami egy teljesen más és bonyolultabb neurális úton valósulhat meg.

Azaz a látás teljes megfejtése még sokáig fog tartani. De a New York-i kutatók matematikai modellje jó irányba tett lépés, hogy végül megértsük, mi is az, amit a saját szemünkkel látunk.

forrás oldal: hazipatika.com