Amikor telefonunk vagy számítógépünk energiatakarékos módba lép, lekapcsolódik a kijelző, vagy legalábbis csökken a megvilágítás, a nem szükséges folyamatok pedig leállnak, így az akkumulátor tovább húzza a következő töltésig. Agyunk a leginkább energiaigényes testrészünk, és ennek esetében is előfordul, hogy a vártnál kevesebb energia áll rendelkezésre, így spórolni kell. Az agyi sejtek elsősorban a glükóz folyamatos utánpótlásától függenek, amit aztán ATP-vé alakítanak, ezt pedig működésük során bontják, így jutnak energiához. Amikor épp csak elkezdünk éhesek lenni, agyunk nem nagyon változtat működésén. Vannak azonban olyan helyzetek, amikor tartósabb éhezéssel kell megküzdeni az embernek, illetve fajoknak. A kutatókat az érdekelte, hogy vajon mit csinál az agy, ha nincs elég energia a magas szintű működések fenntartásához.
Nathalie Rochefort, az Edinburghi Egyetem kutatója és kollégái a Neuron című folyóiratban számoltak be legfrissebb kapcsolódó eredményeikről. A szakértők egerek látórendszerében mutatták ki egy energiatakarékos üzemmód létezését.
Amikor az egereket hetekig éheztették, vagyis nem adtak nekik a megfelelő mennyiségben táplálékot, és testsúlyuk 15–20 százalékát elvesztették, a látókéreg idegsejtjei jelentősen, 29%-kal csökkentették ATP-felhasználásukat.
Ez pedig a látásra is hatással volt: az egereknek kimutathatóan romlott az észlelése, az agyba befutó jeleket kevésbé precízen dolgozták fel, és rosszabbul teljesítettek a látáson alapuló feladatok végrehajtása során. A szakértők szerint lényegében arról lehet szó, hogy ebben az energiatakarékos módban a látás rosszabb felbontással működik.
Az új eredmények nagy visszhangot keltettek szakmai körökben. A független kutatók szerint az új információk fontosak lehetnek például annak megértésében, hogy az alultápláltság és egyes diétázási szokások hogyan hathatnak az emberi észlelésre. És azért is nagyon fontosak és érdekesek az eredmények, mert az állatkísérletek során rutinszerű módszer a táplálék megvonása motiváció gyanánt, ami viszont ezek szerint alapvető hatással lehet arra, hogyan teljesítenek az állatok a különböző feladatok során.
Megváltozott szükségletek
Az eredmények persze annyiban nem jelentenek meglepetést, hogy hasonló folyamatokról saját magunk is be tudunk számolni, még ha nem is tudunk mérhető adatokkal szolgálni. Sokan vagyunk úgy vele, hogy ha éhesek vagyunk, rosszabbul megy a koncentrálás és romlik a teljesítmény is. Ezt pár évvel ezelőtt kísérletileg is sikerült megerősíteni: már a rövid távú éhezés is megváltoztatja a neurális feldolgozás folyamatát, és figyelmünket elsősorban abba az irányba koncentrálja, hogyan juthatunk táplálékhoz.
2016-ban Christian Burgess, a Michigani Egyetem kutatója úgy találták, hogy amikor az egereknek egy táplálékkal összefüggésbe hozott képet mutattak, a látókéreg egy része nagyobb aktivitást mutatott, ha éhesek voltak, mint hogyha nem. Evés után ezt az aktivitás lecsökkent. Hasonlót embereken végzett képalkotó eljárásokkal is sikerült igazolni. Az ételekről készült képek erősebb aktivitást váltanak ki bizonyos agyi területeken, ha éhes az illető, mint amikor jóllakott.
A retinát elérő fotonok mennyisége persze nem változik attól, hogy mennyire vagyunk éhesek, mondja Burgess. Az agyi reprezentáció azonban módosul, mert éhes állapotban megváltozik a test célja, módosulnak a szükségletek, és a figyelem úgy irányítódik, hogy ezeket a szükségleteket ki lehessen elégíteni.
De mi történik akkor, ha tartósabb az éhezés? Azzal kapcsolatban, hogy az egyébként energiazabáló agy komolyan képes takarékoskodni, ha erre szükség van, 2013-ban találták az első meggyőző bizonyítékokat.
Pierre-Yves Plaçais és Thomas Preat francia kutatók ecetmuslicákkal kísérleteztek, igazolva, hogy amikor a rovarok éheznek, agyukban az emlékek hosszabb távú raktározását lehetővé tevő pályák lezárulnak.
Amikor ezeket működésre bírták, az éhező muslicák sokkal gyorsabban pusztultak el, mint azok, amelyeknél hagyták, hogy az agy fenntartsa a megváltozott működést. Ami azt sugallja, hogy ilyen módon valóban kevesebb energiát fogyasztott az agy, ami meghosszabbította az állatok életét.
Kevesebb táplálék, alacsonyabb precizitás
Azt viszont ebből még nem lehetett tudni, hogy vajon az emlősök sokkal összetettebb agya is művel-e hasonlót. Ahogy azt sem, hogy az energiatakarékos működés vajon már a tartósabb éhezés előtt is aktiválódhat-e. Az ugyanakkor világosan látszott, hogy nagyon kényes egyensúlyról van szó, hiszen ha az agy működése túl korán korlátozódik, azzal jelentősen romolhat annak az esélye, hogy az állat képes lesz magának táplálékot találni. Az új vizsgálat viszont pontosan ezekbe a problémákba kínál bepillantást, vagyis hogy mi történik egy emlős agyában akkor, ha van valamennyi táplálék, de közel sem elég.
Ahogy már említettük, a kísérletben a kutatók tartósan, 3 hétig korlátozott mennyiségű táplálékkal etették az egereket, amíg azok testsúlyuk 15 százalékát elvesztették. Az egerek nem éheztek a szó klasszikus értelmében, sőt, mindig a kísérleti feladatok előtt etették meg őket, hogy a rövid távú éhséget csillapítsák, és megelőzzék az ehhez kapcsolódó ideig változások jelentkezését. Ugyanakkor a rágcsálók nem kaptak elég kalóriát a normál működéshez.
A vizsgálat során a kutatók a neuronok közti kommunikációt figyelték a látókéregben, miközben az egerek különböző irányokba döntött fekete sávokat néztek. Alapesetben az elsődleges látókéreg idegsejtjei különböző dőlésszögekre hajlamosak reagálni, például vannak olyan neuronok, amelyek 90 fokos vagy ahhoz közeli dőlésszög esetén aktívabbak a többi neuronnál, ha viszont más szögű a sáv, akkor kevésbé aktívak.
A neuronok csak akkor sülnek el, ha bennük a feszültség elér egy kritikus szintet, ami pozitív nátriumionok bepumpálásával valósul meg. Az elsülés után viszont a nátriumionoktól újra meg kell szabadulni, ami – mint 2001-ben felfedezték – az agy leginkább energiaigényes folyamatainak egyike. A kutatók sejtették, hogy ha spórolni kell az energiával, ez egy olyan terület lehet, amely érintett lesz.
Mint kiderült, igazuk volt. A kevesebb táplálékot kapó egerek kevesebb nátriumiont juttattak be sejtjeikbe, hogy aztán kevesebbet kelljen kipumpálni. Ez azonban nem társult mérsékeltebb idegi aktivitással, az idegsejtek látókérgi neuronjai hasonló gyakorisággal sültek el, mint a bőségesen táplált egerek esetében. Világos volt tehát, hogy valamiképpen módosul a folyamat, hogy energetikailag kedvezőbbé váljon.
A szakértők két változást találtak: a sejtekben megnőtt a bemeneti ellenállás és a nyugalmi membránpotenciál is, így kevesebb iontöbblet kellett az akciós potenciál eléréséhez.
Alacsonyabb felbontás
Ez a fajta módosult működés ugyanakkor komoly áldozatokkal járt: jelentősen csökkent a neuronok szelektivitása, vagyis hogy mennyire érzékenyek a dőlésszögekre. A kutatók úgy vizsgálták a vizuális észlelés változásait, hogy egy két folyosós, víz alatti kamrába helyezték az egereket, ahol döntött fekete sávok jelezték a különböző irányokat. Az egyik jelzés egy olyan platform felé mutatott, amelyen keresztül az egerek ki tudtak jutni a víz alól. A rágcsálóknak előzetesen megtanították, hogy a kérdéses jelzést a meneküléssel asszociálják.
A keveset enni kapó egerek könnyen megtalálták a menekülő platformot, ha a két jelzés között nagy volt a dőlésszögbeli eltérés. Ha viszont a különbség 10 fok alá csökkent, az kevesebbet evő állatok nem tudták megkülönböztetni a két jelzést, miközben a megfelelően táplált egyedeknek ez továbbra is ment. Vagyis úgy tűnik, hogy az energiatakarékos agyi üzemmód valóban azzal jár, hogy alacsonyabb felbontású képet kapnak az állatok a külvilágról.
Az eredmények azt is jelzik, hogy az agy prioritások szerint sorolja be a funkciókat, és ennek megfelelően juttat számukra energiát. A két jelzés közötti 10 foknyi eltérés észlelése pedig nem tartozik a kritikus fontosságú funkciók közé, ha arról van szó, hogy meg kellene találni a közelben levő gyümölcsöt, vagy elmenekülni a közelgő ragadozók elől.
Az viszont váratlan, hogy ezek az észlelésbeli korlátozódások jóval azelőtt jelentkeztek, hogy az állatok igazán éhezni kezdtek volna.
Úgy tűnik, hogy a látórendszer nagyon korán képes jelentősen csökkenteni az energiahasználatot néhány kevésbé fontos funkció pontatlanabbá tételével, és ezt igen korán meg is teszi, ha úgy tűnik, nincs elég táplálék.
Hogy a folyamat más érzékszervek kapcsán is hasonlóan zajlik-e, azt nem tudni. Lehet például, hogy a szaglás is romlik ilyenkor, és más érzékek felbontása is csökken, de ennek feltárása további vizsgálatokat igényel.
Az is érdekes, hogy ez az energiatakarékos észlelési mód visszafordítható. Amikor a kutatók leptint adtak az egereknek, amely az energiamérleget és az éhségérzetet szabályozza, sikerült kikapcsolniuk az energiatakarékos módot. A neuronok újra úgy kezdtek működni, mint az alacsonyabb kalóriabevitel előtt, és az észlelés érzékenysége is helyreállt. A kutatók szerint könnyen lehet, hogy éppen a leptin alacsony szintje az, ami aktiválja az energiatakarékos módot, ha a test nem kap elég táplálékot.
***
Ahogy már említettük, hogy az új eredmények túlmutatnak az éhes agy működésén. Az ugyanis, amit az agy működéséről napjainkban tudunk, jelentős részben olyan kísérletekből származik, ahol éhes állatok végeztek különböző feladatokat, hiszen a táplálék megvonása és jutalomként való alkalmazása bevett módszer az ilyen kísérletek során.
Vagyis az idegtudományi eredmények közül rengeteg olyan helyzetekből származik, amelyekben, mint most kiderült, megváltozott agyműködés jellemző a normálhoz képest.
Ez egyrészt kétségeket támaszt azzal kapcsolatban, hogy mit is tudunk ténylegesen az egészséges, normál körülmények között működő agyról, másrészt alapos átgondolásra késztetheti a kutatókat, akik a jövőben idegtudományi kísérleteket terveznek.
Az eredmények egyúttal azzal kapcsolatban is új kérdéseket vetnek fel, hogyan befolyásolja a fiziológiai állapotunk és a hormonháztartásunk az olyan alapvető funkciókat, mint az észlelés. A leptinszint például egyénenként széles határok közt változhat. Ez vajon azt jelentheti, hogy emiatt is mindannyian egy kicsit máshogy észleljük környezetünket? És mi történik akkor, ha valaki például új diétába kezd, vagy komolyan nekiáll fogyókúrázni? Ezzel saját észlelését is áthangolja?
