Agyak milliárdjaiban, emlősök és madarak koponyájában minden éjjel lassú hullámok futnak végig az idegsejteken egy olyan ritmusban, amely évezredeken át ismétlődött. Ez az agyak közös ritmusa a legmélyebb álmukban.
Ezeknek a “lassú hullámoknak” a mindenütt jelenlevő és egységes volta mély jelentőségről árulkodik, mondja Maurizio Mattia, a római Istituto Superiore di Sanità (az olasz NIH) HBP tudósa.
Elmondja, amikor rájött, hogy ez egy közös ritmus a biológiában. “Fizikusként, amikor ezt megláttam, azt gondoltam, hogy ez nem biológia, ez fizika. Azt gondoltam, hogy ez teljesen különös. Ez a lábnyoma valaminek, ami nagyon-nagyon jól működik. Valami, amire szükség van a fajok és az evolúció során.”
A lassú hullámok akkor jelennek meg, amikor az agy mély alvásban van, és már megfigyelték őket emlősöknél és madaraknál, és valószínűleg hüllőknél is. Mattia a hullámokat olyan aktivitáskaszkádokként írja le, amelyek következetes ritmusban mozognak az agyban (kb. 1 Hz, fajonként).
Ezek a ritmikus oszcillációk az egyes neuronok szintjén jelentkeznek, de ha az iEEG (intrakraniális EEG) segítségével az agyon keresztül nézzük őket, akkor úgy tűnnek, mint egy hullám, amely másodpercenként kb. 30 mm sebességgel mozog az agyban.
“Ezek nem olyanok, mint a vízben látható hullámok. Van egy gerjesztő közeg, tehát olyan, mint a tűz az erdőben. Amikor először gyújtod meg a tüzet, az hullámként terjed tovább, amíg az összes fát el nem égeted, és akkor abbamarad. Ez olyan, mint az inaktivitás időszaka az agyban, de az erdő újra növekszik, és akkor új hullámotok lesz. Ez történik az agyban is. Minden rendelkezésre álló erőforrást felhasznál a neuronok akciós potenciáljainak elsütésére, majd szükség van egy helyreállítási időre. Tűz és csend, tűz és csend.”
Ezeknek a lassú hullámoknak a teljes funkciója és célja nem teljesen tisztázott, de egyértelműen fontos szerepük van. Egyre több bizonyíték van arra, hogy ez a ritmus szükséges az agy egyensúlyi állapotának reprodukálásához. Ébrenlét alatt az agy hulladékot termel, és úgy tűnik, hogy ezek a hullámok tisztítják az agyat – mondja Mattia.
“Ébrenlét nélkül is túlélhetünk, de biztosan meghalunk, ha nem alszunk. Szükséged van ezekre a lassú hullámokra, hogy az agyad egészséges állapotban maradjon.”
A lassú hullámok a memóriával és a tanulás konszolidációjával is kapcsolatban állnak.
“A hullámfront nem egy véletlenszerű hullámfront. Az a struktúra határozza meg, amelyet az agyban talál. Képzeljünk el sok embert, akik egymás mellett sétálnak egy tengerparton. Amikor egyesek puha homokot találnak, lassabban, mások gyorsabban mennek a keményebb homokon. Ez a terepkülönbség a sétáló emberek vonalának alakjában jelenik meg.”
“Tehát visszatérve a memóriához, ezek a lassú hullámok követik a hálózati pályákat, és megerősítik ezeket a pályákat. Többé-kevésbé.”
Ez ebben az értelemben szinte egyfajta ismétlésről van szó, hasonlóan a tanuláshoz, amely úgy tűnik, hogy a nap folyamán használt pályákat erősíti a sokszori ismétléssel.”
Mattia a lassú hullámokat az idegtudomány egyfajta Rosetta-kőjeként írja le, ahol a különböző nyelvek a különböző állatok, a tartalom pedig a lassú hullám. Éppen ezért hasznosak, nemcsak az agy megértéséhez, hanem talán az agyszimulációk létrehozásához is. Meg tudjuk-e másolni az összes agynak ezt a közös jellemzőjét egy szimulációban?
“Megpróbáljuk megérteni, hogy egy adott neuronhálózat in-silico vagy in-vivo milyen módon képes ugyanazokat a ritmusokat létrehozni, és ha ezt különböző kontextusokban vesszük, akkor egy olyan gépet tudunk építeni, amely képes úgy viselkedni, mint egy valódi agy” – mondja Mattia.
“Ha már létrehoztunk egy in-silico agyat, amely rendelkezik ezekkel a ritmusokkal, nos, ez egy jó kiindulópont ahhoz, hogy megnézzük, hogyan viselkedik, amikor felébred.”
Maurizio Mattia a Human Brain Project Systems and Cognitive Neuroscience (3. alprojekt) komponensében dolgozik.