Mire gondol, amikor nem gondolkodik?

“Belső pasziánsz”, avagy az agy alapértelmezett üzemmódja

Agyunk akkor is gőzerővel dolgozik, amikor mi pihenünk. Az ekkor aktívvá váló agyterületeket többnyire az ábrándozással hozzák összefüggésbe, sokak szerint ez csak a jéghegy csúcsa. 

1953-ban Louis Sokoloff fizikus (Pennsylvania Egyetem, Philadelphia) felfektetett egy 20 éves egyetemi hallgatót egy hordágyra, elektródákat helyezett a fejbőrére, és egy fecskendőt szúrt a nyaki verőérbe. A kísérleti alany 60 percen át feküdt ott, számtani feladatokat kapott, közben Sokoloff figyelemmel kísérte az agyhullámait, továbbá vérének oxigén- és széndioxid szintjét is mérte. A kutató azt próbálta kideríteni, mennyi energiát fogyaszt az agy, amikor erőteljes gondolkodásra kényszerítjük. Azt várta, hogy agyunk sokkal több oxigént emészt fel a matematikai problémák megoldásához, mint amikor relaxálunk.

Az eredmény megdöbbentette. Alanyának agya a számtani feladatok megoldásakor semmivel sem fogyasztott több oxigént, mint amikor becsukott szemmel pihent az ágyon.

Az emberek sokáig tekintettek úgy az agyra, mint egy készenléti üzemmódban pihenő számítógépre, ami egészen addig szunnyad, míg valami feladatot nem kap, legyen az egy egyenlet megfejtése, egy újság elolvasása, vagy egy arc keresése a tömegben. Sokoloff kísérlete elsőként világított rá arra, hogy agyunk igen nyüzsgő “magánéletet” él. Ez az elképesztő szerv, amely testünk tömegének mindössze 2 százalékát teszi ki, az általunk bevitt kalóriák 20 százalékát fogyasztja el. Ráadásul az energia nagy részét elherdálja a nagy semmire – legalábbis sokáig nem igazán tudták megmondani, mivel tölti az agy a szabadidejét.

“A pihenő agyban hatalmas aktivitás zajlik, amelynek természete nagy mértékben tisztázatlan” – erősíti meg Marcus Raichle, a St. Louisi Washington Egyetem idegtudósa. “Az agy rendkívül költséges szerv, azt azonban még senki sem vizsgálta mélyrehatóan, mire fordítja az erőforrásokat.”

A helyzet azonban lassan változik. Raichle és pár másik kutató végre elkezdett foglalkozni azzal az alapvető kérdéssel, hogy vajon mit csinál az agy, amikor részünkről üresjáratba kerül. Munkájuk elvezetett egy agyon belüli nagy rendszer, egyfajta szerv a szervben felfedezéséhez, amely képes volt évtizedeken át rejtve maradni, pedig még keresni sem kellett túlságosan. Egyesek az ábrándozás neurális dinamójának nevezik, mások ennél jóval rejtélyesebb szerepekkel ruházzák fel. Akármit csináljon is, mindig felizzik, amikor agyunkat magára hagyjuk és munkához lát, több oxigént fogyasztva el, mint a dobogó szívünk.

“Nem túl gyakori, hogy egy új, funkcióval rendelkező rendszert azonosítunk az agyban – hangsúlyozza Giulio Tononi, a Wisconsin-Madison Egyetem idegtudósa -, valójában nem is emlékszem hány évvel ezelőtt történt hasonló. Olyan ez, mintha ma egy új kontinenst fedeznénk fel.”

Ennek ellenére a felfedezés elég lassan született meg. Sokoloff immár 56 évvel ezelőtti kísérlete annak idején kevesek érdeklődését keltette fel. Egészen a ’80-as évekig kellett várni, mire a kutatókban felsejlett, hogy az agy fontos dolgokon munkálkodhat, miközben látszólag semleges állapotban van. Ekkoriban kezdett elterjedni egy új agyletapogatási technika, a pozitronemissziós tomográfia (PET). A módszerhez radioaktív jelzőanyagot, többnyire glükóz molekulákat fecskendeznek be a vizsgálandó területre és a felgyülemlett anyag méréseivel  betekintést kapnak az agyi anyagcsere változásaiba. Az egyik legegyszerűbb kísérlet az volt, hogy letapogatták a gondolkodó és a pihenő agyat, majd a kapott felvételeket összevetve megpróbálták megtalálni a különböző aktívvá váló agyterületeket.

Raichle is PET-tel dolgozott a szavakkal kapcsolatos agyterületek felkutatásában, amikor valami különösre lett figyelmes. Egyes agyterületek látszólag teljes intenzitással dolgoztak, míg az alany pihent, viszont amikor az egyén megkapta a szavakkal kapcsolatos feladatot, a területek lecsendesedtek. A felfedezés nem volt igazán új, s a legtöbb kutató véletlenszerű zajként értékelte és ezzel elintézettnek tekintette a kérdést. Raichle és egyik kollégája, Gordon Shulman azonban másként gondolkodott. Ekkor már 1997-et írtunk.

Raichle és Shulman 2001-ben publikáltak egy tanulmányt, melyben felhívták a figyelmet a korábban fel nem ismert “alapértelmezett módra” – egyfajta belső pasziánszra, amivel az agy elszórakoztatja magát, amikor nincs kihasználva és félreteszi, amikor valami feladatot kap tulajdonosától. Ez az agytevékenység főként az agy középvonalán hosszirányban átívelő területhalmazban zajlik, amelyet a két kutató alapértelmezett-mód hálózatnak, röviden az angol kezdőbetűkből DMN-nek (default mode network) nevezett el.

A hálózatba foglalt agyterületek nem voltak ismeretlenek a tudomány számára, a kutatók korábban is tanulmányozták ezeket, csak nem összességükben. Épp ezért nem ismerték fel, hogy e területek megállás nélkül társalognak egymással. Amikor azonban valami figyelmet összpontosító feladat érkezik, lecsendesednek, átadva a terepet, vagy inkább az erőforrásokat más agyterületeknek. 

Mindezek mellett sikerült egy még megdöbbentőbb felfedezést is tenni. Az agyterületek metabolikus (anyagcsere) aktivitásának méréseiből kiderült, hogy e hálózat egyes részei 30 százalékkal több kalóriát emésztenek fel, mint az agy bármely más területe! Ez már komolyan felvetette a kérdést – mi az ördögöt csinál agyunk, amikor mi a világon semmivel nem foglalkozunk?

Raichle és Shulman az érintett agyterületekről már megszerzett ismeretekből indult ki. A DMN egyik fő alkotóeleme a homloklebeny elülső-középső része (mediális prefrontális kéreg), amely ismereteink szerint erősen önközpontú nézőpontból értékeli a dolgokat, hogy azok vajon jók, rosszak vagy éppen közömbösek-e a számunkra. A terület részei szintén felvillannak, amikor például megkérnek minket, hogy tanulmányozzunk egy mellékneveket tartalmazó listát és válasszuk ki a kizárólag ránk illőket. Akiknél ez az agyterület valamilyen károsodást szenvedett, közömbössé és hallgataggá válnak, üresek lesznek, nem kalandoznak el, nincsenek gondolatfolyamaik – amelyeknek a megléte számunkra teljesen természetes.

A DMN részei szoros kapcsolatban állnak a hippokampusszal, amely rögzíti és felidézi “önéletrajzi” emlékeinket, mint a tegnapi reggelit, vagy az első napot az iskolában. Raichle és munkatára, Debra Gusnard számára mindez egyetlen dologra mutat, az ábrándozásra. A hippokampuszon keresztül az alapértelmezett hálózat megcsapolhatja emlékeinket, az ábrándok nyersanyagát, amelyet azután a mediális prefrontális kéreg kiértékelhet saját önelemző nézőpontjából. Raichle és Gusnard elmélkedése szerint a hálózat egyfajta “belső főpróbát” tart az agy számára jövőbeli tetteinket, választásainkat és döntéseinket illetően.

Ezzel Randy Buckner, a Harvard Egyetem kutatója is egyetért. Számára a bizonyítékok egy olyan agyi rendszerről festenek képet, amely az ábrándozás lényegét, a múltbéli emlékeken való töprengést és a jövő találgatását adja: “Nagyon jók vagyunk különböző lehetséges világok elképzelésében és a beleélésben. Ez lehet az az agyhálózat, amely segíti ezt a tevékenységünket”.

Jelenleg már közvetlen bizonyítékaink is vannak az elmélet alátámasztására. Tavaly Malia Mason, a szintén amerikai Dartmouth College szakértője arról számolt be, hogy az alapértelmezett hálózat tevékenysége összefügg az ábrándozással. Ő a funkcionális mágneses rezonancia képalkotást (fMRI) alkalmazta, amivel remekül nyomon követhető volt a hálózat aktivitása, amikor a vizsgált alanyok ábrándozásról számoltak be, illetve gondolataik rendezésekor észlelhető volt a területek elhalványulása. Masonnak azt is sikerült kimutatnia, hogy az aktívabb alapértelmezett hálózattal rendelkezők gondolatai sokkal csapongóbbak, mint az átlagé.

Az ábrándozás mentális luxusnak hathat, célja azonban halálosan komoly. Buckner és harvardos kollégája, Daniel Gilbert a múltban tanult leckék jövő terveivé való gyúrásának végső eszközeként tekint rá. Ez a gyakorlat annyira fontos, hogy az agy, amikor csak teheti, ezzel foglalkozik, és csak akkor szakítja meg, amikor korlátozott vér, oxigén és glükóz ellátását valami sürgősebb feladatnak kell szentelnie.

Sokan azonban úgy vélik, a hálózat munkája nem merülhet ki pusztán az ábrándozásban. 2003-ban Michael Greicius, a Stanford kutatója egy új módszerrel kezdte tanulmányozni az alapértelmezett hálózatot. Kísérleti alanyait, akiket egy fMRI letapogatóba fektetett, megkérte, hogy próbáljanak lazítani és pihenni, miközben ő egyszerűen figyelemmel kísérte, mi zajlik az elvileg nyugalmi állapotban lévő agyakban. Ez vezetett el az úgynevezett nyugalmi állapoti fluktuációk felfedezéséhez. Ezek az agytevékenység lassú hullámai, melyek az agyterületeket összehangolják egymással. 

A hullámok csúcstól csúcsig 10-20 másodpercig tartottak, ami gyakorlatilag százszor lassabb, mint a tipikus EEG agyhullámok, amelyeket a fejbőrre helyezett elektródákkal mérnek. Greicius munkája szakított a régi módszerrel, a nyugalmi és a tevékeny állapotról készült felvételek összehasonlításával, és bebizonyította, hogy bármikor be lehet pillantani a hálózatba. Így aztán a tudósok olyan emberek hálózatába is bekukucskáltak, aki nem voltak tudatuknál, és valami egészen váratlanra bukkantak.

Raichle tavaly arról számolt be, hogy a hálózat lassú hullámai mesterséges altatásban levő majmoknál is folytatódtak, mintha ébren lettek volna. Az idén Greicius egy hasonló jelenségről számolt be szedált emberek esetében, miközben más kutatók azt észlelték, hogy az alapértelmezett hálózat az alvás korai szakaszában is aktív és szinkronizált. Ez megtörte azt a feltevést hogy a hálózat kizárólag az ábrándozásról szól. “Meglepődtem” – ismerte el Greicius. “Módosítanom kellett az elképzeléseimet arról, hogy mit is keresünk valójában.”

Mivel az alapértelmezett hálózat az alvás korai szakaszában is aktív, ezért nagy volt a csábítás, hogy összefüggésbe hozzák a valódi álmokkal. Raichle szerint azonban a hálózat éjjeli tevékenységnek más a célja, mégpedig az emlékek szétválogatása és elraktározása. Minden egyes nap rövidtávú emlékek tömegét fogadjuk be, de ezek közül csak néhány olyan van, amelyet érdemes hozzákapcsolni az életünket irányító személyi adatállományhoz. Raichle szerint a hálózat szelektíven tárolja és frissíti emlékeinket fontosságuk és személyes vonatkozásaik függvényében. Hogy ne halmozódjanak fel tárolatlan emlékek, a hálózat, amikor csak tud, visszatér tevékenységéhez.

Ennek alátámasztásaként Raichle kiemeli, hogy a hálózat folyamatosan társalog a hippokampusszal, emellett pedig rengeteg glükózt vesz magához, nagyságrendekkel többet, mint amennyit oxigénből elfogyaszt. Raichle szerint ezt a glükóztöbbletet a hálózat nem égeti el, hanem nyersanyagnak használja az aminosavak és az ingerületátvivő anyagok (neurotranszmitterek) előállításához, amelyek a szinapszisok felépítéséhez és működéséhez szükségesek. Ha pedig ilyen központi szerepet lát el, nem meglepő, hogy az alapértelmezett hálózat több ismert agyi betegségben is közrejátszik.

2004-ben Buckner részt vett a Pittsburghi Orvosi Egyetem egyik tanára, William Klunk előadásán, aki három dimenzióban szemléltette az Alzheimer-kórral küzdők agyában kialakult kóros protein csomókat. Korábban a kutatók egyszerre csak egy agyterületen vizsgálták ezeket a csomókat, Klunk volt az első, aki a teljes agyra kivetítve bemutatta azok elhelyezkedését, így sokan ekkor szembesültek először a teljes képpel. “Meglepő volt: gyakorlatilag az alapértelmezett hálózat rajzolódott ki előttünk” – mondta Buckner.

Raichle, Greicius és Buckner azóta felfedezték, hogy a hálózat aktivitási sémája megtörik az Alzheimer-kórral sújtott egyéneknél. A kutatók elkezdték figyelni a hálózat aktivitását enyhe memóriazavarokkal küzdő embereknél is, hogy lássák, képesek-e előrejelezni, kinél alakulhat ki az Alzheimer – a memóriaproblémákkal küzdők felénél ugyanis ez sajnos bekövetkezik. Kérdés, hogy melyik felénél. Képesek vagyunk-e használni eddigi tapasztalatainkat, hogy beazonosítsuk az Alzheimer-kór kockázatának kitett pácienseket?

Az alapértelmezett hálózatról időközben kiderült, hogy más betegségek is szétrombolhatják, köztük a depresszió, a figyelemhiányos hiperaktivitás (ADHD), az autizmus és a skizofrénia. Rejtélyes szerepet játszik továbbá azoknál az agyi sérülést szenvedett, vagy szélütést kapott embereknél, akik az öntudat és az agyhalál határmezsgyéjén, minimális öntudattal vagy vegetatív állapotban lebegnek. Steven Laureys, a belga Liege Egyetem neurológusa fMRI-vel vizsgálta az ebben az állapotban levő páciensei DMN aktivitását. “Jól megfigyelhető, hogyan bomlik le a hálózat a kóma elmélyülésével” – mondta a kutató, aki most kapcsolatot keres a hálózat tevékenysége és a kómából hosszú idő után történő visszatérés között, hasonló prognosztikus értéket remélve, mint amerikai kollégái az Alzheimer esetében.

A hálózat tevékenységével még nem hoztuk kapcsolatba a meditációt, pedig a fenti sorokat olvasva valószínűleg sokakban felsejlett már ez a gondolat is. A Zen buddhisták meditációja képes lehet kikapcsolni a DMN-t, hiszen a Zen meditáció célja az elme tisztán tartása az elkalandozásoktól, a gondolatfolyamoktól azáltal, hogy a figyelmet a testtartásra és a légzésre fókuszálja. Két olasz kutató, Giuseppe Pagnoni és Reggio Emili azt próbálta kideríteni, vajon ez azt jelenti-e, hogy a meditáció gyakorlói képesek elfojtani a hálózat tevékenységét? 

A vizsgálatokhoz egy, a Zen meditációban járatos emberekből álló csoportot kértek fel, hogy feküdjenek az agyletapogató alá. Az fMRI vizsgálat alatt véletlenszerű betűkből álló karaktersorozatokat mutattak nekik és megkérték őket, állapítsák meg, hogy a kibontakozó szöveg vajon egy angol szó, vagy csupán egy betűhalmaz-e. Minden esetben, amikor az alany egy létező szót látott, alapértelmezett hálózata pár másodpercre felvillant, ami azt bizonyítja, hogy a szavak nyomán, mint az alma, az almás rétes, vagy a fahéj, a gondolatok elkalandoznak. 

A Zen meditálók ugyanúgy teljesítettek a szófelismerési feladatban, mint akik nem gyakorolják a meditációt, azonban jóval gyorsabban zabolázták meg elkószáló gondolataikat. A Zen módszer alkalmazóinak ez 10 másodpercen belül sikerült, míg a nem meditálóknál jellemzően 15 másodpercre volt szükség, mire újra fókuszálták figyelmüket.

Forrás: sg.hu