Minden ébren töltött pillanatunkban a múlt és a jelen észlelései között egyensúlyozunk: folyamatosan fel kell dolgoznunk a környezetünkből beérkező érzéki információkat, de közben a nem sokkal korábbi megfigyelésekre is emlékeznünk kell, amelyek rövid távú memóriánkban tárolódnak. A körülöttünk folyó dolgok észlelése, megértése és a környezetünkkel való interakciók az aktuális percepcióink és az emlékeink közötti folyamatos egyensúlyozás nyomán válnak lehetségessé.
Ahhoz azonban, hogy ezt megtehessük, agyunknak gondosan el is kell különítenie ezt a kétfajta hatást, különben a beérkező információkat megzavarhatnánk a korábbi stimulusok, vagy fordítva.
Hogy ez pontosan hogyan történik, az sok szempontból még mindig kérdéses, de egyre több jel utal arra, hogy az agy nem különíti el szigorúan a rövid távú emlékeket egy kijelölt, magas szintű kognitív funkciókkal rendelkező területen, például a prefrontális kéregben. Ehelyett az érzéki információk rövid távú emlékei az ezeket előzőleg feldolgozó szenzoros régiókban és alacsonyabb szintű kérgi központokban tárolódnak. Mégpedig olyan módon, hogy a közelség ellenére sem zavarják meg a jelenben zajló percepciókat, és nem is íródnak felül ezek által.
Sorok egy darab papíron
Egy nemrég megjelent tanulmány szerzőinek érdekes teóriája van arról, hogyan működhet ez a rendszer. A kutatók eredményei alapján úgy látszik, hogy az agy gyakorlatilag „elforgatja” az érzéki információkat, amikor emlékké kódolja ezeket. Ennek köszönhetően az emlékek és a jelenbeli percepciók idegi aktivitása akár átfedésbe is kerülhet egymással, az egyes egységek pozíciójából (vagyis hogy „normál” vagy „elfordított” állapotban vannak) világos, hogy azok élő információk vagy emlékek, így nem zavarják meg egymást.
Timothy Buschman, a Princeton idegkutatója és tanítványa, Alexandra Libby egerek hangfeldolgozását vizsgálták kísérleteik révén. A rágcsálókkal négy különböző magasságú hangból álló sorozatokat hallgattattak meg újra és újra, amíg egy-egy dallam kapcsán már az első pár hangból tudták, azokat melyek követik. Eközben egy gépi tanulásra képes rendszerrel figyelték idegi aktivitásukat a hallókéregben, hogy megtudják, a hangsorok egyes elemeit mely idegsejtek képviselik.
Buschman és Libby így pontosan nyomon tudták követni, hogyan változnak az idegműködési mintázatok, ahogy az asszociációk kiépülnek az egerek agyában. Megfigyelték, hogy ahogy telik az idő, az egymást követő hangok neurális reprezentációi egyre jobban hasonlítani kezdenek egymásra. És azt is detektálták, hogy ha egy új, váratlan stimulus avatkozik be a korábbi rendbe, például egy addig ismeretlen hangsor hangzik fel, ez befolyásolja, egészen pontosan felülírja a korábbi bemeneti jelek reprezentációit is. A neuronok kódolása tehát visszamenőlegesen is megváltozik, idomulva az új stimulushoz.
A kutatók kíváncsiak voltak arra, hogy ilyen körülmények között hogyan és hol őrződik meg a korábbi stimulus emléke. Ennek érdekében újabb elemzéseknek vetették alá az idegműködési adatokat, és a mintázatkereső programmal sikerült is azonosítaniuk a korábbi emlékek „helyét”. A vizsgálatok alapján a neuronok működésében az eredeti hangsorra adott idegi aktivitási mintázat is ott rejtőzött az erre ráíródott, új mintázat mellett, ugyanakkor a korábbi hangsor kódolási módja jellegzetesen eltért az aktuális hangsorétól.
Egészen pontosan azt állapították meg a kutatók, hogy az előzetesen megtanult hangsor emlékét ugyanazon idegsejtek csoportja tárolja, amelyek az új hangsort is érzékelik és tanulják, csak éppen – ahogy a szakértők fogalmaznak – egy másik dimenzió mentén, ortogonálisan, azaz merőlegesen az aktuális érzéki információkhoz képest. Buschman elmondása szerint jelenség leginkább ahhoz hasonlítható, mintha elkezdenénk jegyzetelni egy papírlapra, majd amikor megváltozik a téma, 90 fokkal elfordítanánk a lapot, és a korábbi sorokhoz képest merőlegesen kezdenénk ráírni az előző szövegre.
„Az agy alapvetően pontosan ezt csinálja. Megkapja az első érzéki információkat, azokat lejegyzi, majd 90 fokot fordít a papíron, és így írja rá az új adatokat, anélkül, hogy a két adatsor interferálna, vagy az egyik totálisan felülírná a másikat”
– mondja Buschman.
Dinamikus stabilitás
Mindez az idegműködésre átfordítva a neuronok megváltozott működési mintázata révén valósul meg. Az ortogonális átkódolás által az aktuális érzéki benyomásokból rövid távú emlékek lesznek, miközben az agy egy új adatsort kezd feldolgozni ugyanazon sejtek révén, amelyek az előző benyomásokat tárolják. Az információ ilyen típusú elkülönítését és védelmét korábban más agyi területeken is megfigyelték már.
Amikor például a majmok egy-egy mozdulat végrehajtására készülnek, motoros kérgükben ortogonális ideig mintázat formájában előre lejátszódik a mozdulat. A mozdulat ismerete így felidéződik, de nem zavar bele abba a mintázatba, amely a jelenben az izmok irányítását végzi, végrehajtva a tényleges mozgást.
Az ugyanakkor a korábbi vizsgálatokból nem nagyon derült ki, hogyan zajlik ez az ortogonális transzformáció. Buschman és Libby ezt is vizsgálták saját kísérleti egereiken, továbbra is a hallókéreg működését monitorozva az állatokban. Annak lehetőségét hamar kizárták, hogy az különböző neuron alcsoportok lennének felelősek az érzéki, illetve az emlékreprezentációkért. Ehelyett ugyanaz a neuroncsoport tűnik felelősnek mindkét tevékenységért, de ebben az idegsejtek működése kétféle lehet.
A sejtek egy része stabilan ugyanazt csinálja az érzékelés és az emlékezés során is, míg mások váltanak, vagyis az aktuális működéstől függően megváltoztatják viselkedésüket, átalakítva a mintázatot. És ez pontosan a váltás az, ami az ortogonális kódolást lehetővé teszi, vagyis az érzéki információt emlékké alakítja.
Libby számítógépen is modellezte ezt a működést, és meglepetésére a művelethez meglepően kevés idegsejtre és energiára van szükség. Sokkal kevesebbre, mint az alternatív emléktárolási teóriák megvalósításához, ami bizonyára szerepet játszik abban, hogy miért éppen így működik az agy. A szerv eleve rendkívül energiaigényes, így működésében különösen fontos, hogy a lehető leghatékonyabb megoldásokkal üzemeljen.
Buschman és Libby eredményei újabb bizonyítékokkal támogatják meg az idegtudományok legújabb irányvonalát, amely szerint az alacsonyabb szintűnek tartott agyi területeken található neuronok sokkal összetettebb működésre képesek, és sokkal fontosabb szerepet játszanak az bejövő információk kódolásában és raktározásában, mint ahogy azt korábban sejtették a szakértők.
Az eredmények az agy működésével kapcsolatos viták eldöntésében is fontos szerepet kaphatnak, például abban, hogy a rövid távú emlékeket állandó, tartós reprezentációk révén vagy dinamikus, időben változó idegműködési kódok formájában tároljuk.
Buschman szerint a friss adatok azt mutatják, hogy részben mindkét oldalnak igaza van, és a gyakorlatban a két teória kombinációja valósul meg: az emlékképzésben vannak stabil és dinamikus idegsejtek is, és ezek egyaránt részt vesznek a folyamatban.
De az eredmények más agyi működések megfejtésében is segíthetnek. Buschman és Libby, illetve mások a jövőben vizsgálni kívánják, hogy az ortogonális forgatás szerepet játszik-e például abban, hogy egyszerre több gondolatot vagy célt is képesek vagyunk észben tartani, vagy hogy tudunk konkrét feladatokra koncentrálni, miközben kívülről ebben zavaró ingerek érnek minket. Az agy működéséről feltárt friss információk ezen kívül a mesterséges rendszerek fejlesztésében is érdekes lehetnek. Libby például azzal is foglalkozik, hogyan lehetne az ortogonális átkódolást felhasználni a mesterséges intelligenciák fejlesztésében.
