Az agy működésével kapcsolatban naponta tárulnak fel újabb eredmények, a központi idegrendszer szerkezetének egyik legnyilvánvalóbb aspektusa azonban még most is rejtély a neurológusok előtt. Az idegrendszer kereszthuzalozásáról van szó, vagyis hogy az agy bal oldala irányítja a test jobb felét, és fordítva. Minden orvos támaszkodik erre a tényre a neurológiai vizsgálatok során, de igazából senki sem tudja, hogy miért van így.

Elviekben semmi akadálya nem lenne annak, hogy az agy jobb oldala a test jobb oldalával kapcsolódjon össze. Ez a szerkezet sokkal egyszerűbbnek és kevésbé hibaérzékenynek is tűnik. Az embrionális idegrendszerben a középvonalon, vagyis a test jobb és bal felét elválasztó képzeletbeli vonalon, áthaladó idegi kereszteződésekhez külön molekuláris „közlekedésirányítókra” van szükség, amelyek a növekedő idegrostokat a test ellentétes oldalán lévő megfelelő helyekre irányítják. Látszólag tehát sokkal egyszerűbb lenne, ha mindenki a saját oldalán maradna.

És azok a bizonyos irányító molekulák, amelyek ezekben a férgekben irányítják az idegek keresztbe futását, az emberben is ugyanezt a szerepet töltik be. Ahhoz, hogy az evolúció ilyen kitartóan konzerváljon egy elrendezést, az kell, hogy valami egyértelmű előnye legyen más opciókkal szemben. A biológusok még mindig nem tudják biztosan, mi lehet ez az előny, egy kutatócsoport azonban nemrégiben előállt egy lehetséges matematikai magyarázattal.

Térképek és viszonyok

A megoldás kulcsa a szakértők szerint az idegi áramkörök agyszöveti felépülésében rejtőzhet. Az agy és a test közötti kapcsolatokat megteremtő idegsejtek az agykéregben egyfajta virtuális térképet hozzanak létre. Ha a neurológus egy elektródát szúr az agyba, és megállapítja, hogy az ott lévő neuronok a hüvelykujjból kapnak bemenetet, akkor a mellettük lévő neuronok a mutatóujjhoz kapcsolódnak. Ezt a leképezési jelenséget szomatotópiának nevezik, ami görögül testtérképezést jelent, ugyanakkor ez nem korlátozódik a fizikai testre. A látáson és más érzékszerveinken keresztül érzékelt térbeli külső világ ugyanígy képeződik le az agyban.

Az idegi kapcsolatokon alapuló belső térképének létrehozása, amelyek pontosan tükrözik a külvilág térbeli viszonyait, logikus megoldásnak tűnik. Gondoljunk csak bele, milyen bonyolult lenne idegi áramköröket létrehozni, ha az idegsejtek össze-vissza lennének az agyban. De miközben a fajta neurális rendeződés megold egy fontos biológiai problémát, felvet egy komoly geometriai gondot: a három dimenziós teret ugyanis egy két dimenziós felületen kell reprezentálni. Az ilyen transzformációk pedig furcsa következményekkel járnak. Egy két dimenziós térképre vetítve egy repülőgép útját például úgy tűnhet, mintha egy ívet írna le, amikor a két város közti legrövidebb utat járja be. A Föld körül keringő műholdak pedig két dimenzióra vetítve szinuszgörbék mentén haladnak.

A Rutgers Egyetem két kutatója, Troy Shinbrot orvosbiológiai mérnök és Wise Young neurológus legfrissebb eredményei szerint mindez szoros kapcsolatban van az agyi kereszteződésekkel:

A szakértők kimutatták, hogy ez minden olyan rendszerre igaz, ahol egy központi irányító mechanizmus egy 3D-s környezettel lép kölcsönhatásba. Ha a kapcsolatokat kereszteződések nélkül futnának le, olyan geometriai szingularitások jönnének létre, amelyekben összekeverednének a bal/jobb és a fel/le információk, állítják a szakértők az eredményekről beszámoló tanulmányukban.

Egyik jobbra, másik balra

Mielőtt belemennénk a részletekbe, térjünk ki egy másik alapvető tulajdonságunkra, amely annyira természetes, hogy könnyen elfelejtjük. Ez a bal és a jobb oldaliság fogalma. Az oldaliság bizonyos szimmetrikus objektumok jellemzője, és egy olyan geometriai vonatkoztatási keretből ered, amelynek középpontjában a saját kétoldali szimmetriájú testünk áll. Egy sugárirányban szimmetrikus medúzának, például nincs jobb és bal oldala. De ha észreveszünk egy medúzát az áramlatban, mi mondhatjuk, hogy „nézd, a medúza jobbra sodródik”. Ha pedig velünk szemben van valaki a víz túloldalán, azt is hozzátehetjük, hogy „nekem jobbra – neked balra”.

A bal és a jobb a vonatkoztatási rendszer függvénye, ami sok területen megnyilvánul. Sokan keverik például a „d” és a „b”, illetve a „p” és a „q” betűket, ugyanakkor a „q” és a „d” keverése sokkal ritkább. Az első két esetben az azonos alakzatok a függőleges tengely mentén vannak tükrösek, a második esetben pedig a vízszintes tengely mentén.

Hasonlóképpen, amikor tükörbe nézünk, úgy érzékeljük magunkat, mintha felcserélődött volna a balra és a jobbra, és a pólónkon lévő betűket fordítva, visszafelé látszik. Pedig valójában egy elölről hátrafelé irányuló transzformáció történik. A fotonok egyenes vonalban haladnak a tükör felé és a tükör felől. Úgy mutatják az arcunkat, ahogyan a tükör „látja”, nem pedig saját belső érzékelésünk szerint. Hasonlóan ahhoz, mintha egy jeges ablakra felírnánk egy szót, majd bemennénk a házba, és azt belülről néznénk.

Képzeljük el, hogy ez az ablaküveg a bőrünk felülete: a bőrreceptorokhoz tartozó agyi térképrész szintén megfordítja a kívülről a bőrre érkező ingereket. A lényeg tehát, hogy különböző perspektívákból történő leképezés esetén, különösen ha 3D-ből egy kétoldalasan szimmetrikus síkra történik leképezés, jelentős topológiai problémákat vetődnek fel.

Síkok és terek

Hogy ezt jobban megértsük, először képzeljük magunk elé az agyat és a testet két párhuzamos síkként. A test síkjának egy pontját egy fonallal közvetlenül összeköthetjük az agy síkjának megfelelő pontjával. A következő két pontpár között megint kihúzhatnánk egy fonalat, persze ügyelve arra, hogy az egyszerűség kedvéért ezek ne kereszteződjenek. Az alapprobléma azonban az, hogy a síkok nem jól reprezentálják a testet és az agyat, hiszen mindkettő három dimenziós struktúra. Ez a harmadik dimenzió pedig mindent megváltoztat. Ha ugyanis a testet jelképező sík lap széleit merőlegesen meghajtjuk, a korábban kifeszített fonalak máris kereszteződni fognak, ahogy az alábbi ábrán is látszik.

De mi történne, ha az agyat és a testet ábrázoló kétdimenziós síkokat tükrösen ellentétes irányba hajtanánk meg, és pontról pontra összekötnénk őket, keresztezett pályák nélkül? Ebben az esetben a testnek és az agy testtérképének vízszintes x és y tengelyei megtartanák az egyforma irányultságot, de függőleges z tengelyeik iránya ellentétes lenne.

Az érzékelt világ geometriájának ilyen a megváltoztatásáért pedig komoly árat fizetnénk. Ennek érzékeltetésére vegyünk egy konkrét példát, ahogy Shinbrot és Young is teszik vonatkozó tanulmányukban. Vegyünk két egymásra merőleges üveglapot, amelyekre az elöl (front) és az alul (bottom) feliratokat vésték. Ha ujjunkat az elöl lévő laphoz nyomjuk, érezzük a feliratot. Ha az ujjbegyek és az agy közötti kapcsolatok nem kereszteződnek, az ujjunkkal érzékelt felirat függőleges irányban tükrözve fog megjelenni az agyunkban az előzőekben ismertetett okokból. Ha ujjunkat lefelé fordítjuk, és az alsó lapra nyomjuk, az ujj fizikai környezete nem változik meg, de a percepciós térkép igen: az alul felirat megfordul, az elöl viszont nem.

Ha alaposabban is megnézzük a két percepciós térképet, azt láthatjuk, hogy ezeket nem lehet egyszerűen egymásba forgatni, ahogy az ujjunkkal tettük. Vagyis ahhoz, hogy az idegrendszer kereszteződések nélkül működjön, az agynak folyamatosan forgatnia kellene a testtérképek egyik tengelyét, ahogy a testrészek mozognak, ami képtelenül bonyolult lenne. Bár erre a huzalozási problémára többféle megoldás is létezik, a legelegánsabb az, ha két kétoldali szimmetriájú az agy és a test közötti vezetékrendszer, és a test két oldaláról származó kapcsolatok átfutnak a középvonalon, állítják a szakértők.

***

Fontos leszögezni, hogy az itt leírtak matematikailag megmagyarázzák ugyan az idegrendszer kereszteződéseit, de a valóságban nem tudjuk, hogy valóban ez-e az oka a rendszer ilyen módon való felépülésének. Egyelőre nagyon kevés biológiai kutatás foglalkozik a kérdéssel. De akár helyes ez a magyarázat, akár nem, mindenképpen jó példa arra, hogy milyen sokat lendíthet a biológiai rejtélyeken gondolkodásban, ha megváltoztatjuk a vonatkoztatási keretet.