Az emberi agy működésének rejtelmeit, vagyis azt, hogy egy-egy tevékenység elvégzése közben milyen folyamatok zajlanak az idegsejtek hálózatában, nehéz pontosan feltérképezni, mivel az egyes neuronok aktivitása csak elektródák használatával válik jól megfigyelhetővé. Az erre szolgáló invazív megoldást, az agyba ültetett elektródákat, olyan speciális esetekben alkalmazzák adatgyűjtésre, mikor a beültetés más, orvosi célokat is szolgál, így a terápiás szerep mellett az eszközök az agyi működésről való tudás bővítését is elősegítik.

Ilyen szerepet kapnak időnként az epilepsziás betegek gyógyításában használt implantátumok, melyeket azért ültetnek ideiglenesen a páciensek agyába, hogy pontosítsák a rohamok kiindulópontjának elhelyezkedését az érintett agyi területen. Az elektródák lehetőséget adnak rá, hogy az idegsejtek tevékenységét egyenként mérjék, ezzel az orvosok meg tudják határozni a probléma forrását és a lehetséges kezelési procedúrát. A beültetett eszközökből származó információ azonban más szempontból is értékes: bepillantást nyújt az agy olyan folyamataiba is, ami nem kapcsolódik közvetlenül az epilepsziás állapothoz, de a megfigyelt területen található neuronok aktivitásával jár.

A Bonni és Tübingeni Egyetem kutatói azt szerették volna kideríteni, hogy a matematikai műveletek elvégzése közben pontosan mi történik az emberek agyában, melyik idegsejtcsoport felelős azért, hogy el tudunk végezni egy-egy absztrakt számítási feladatot és meg tudjuk mondani, hogy mennyi kettő meg kettő. A bonyolultabb feladványok megoldása mögött húzódó mentális folyamatok megismerése helyett az egészen egyszerű, alapvető és mindenki által használt műveletek elvégzésére koncentráltak a tudósok: az összeadás és a kivonás feladatát tanulmányozták az implantátumokból beérkező jelek vizsgálatával. A kísérleti alanyok a Bonni Egyetemi Kórház epileptológiai osztályának páciensei közül kerültek ki, akiknek elektródákat ültettek a halántéklebenyébe, hogy a rájuk törő rohamok forrását detektálják.

Öt nő és négy férfi agyi aktivitását mérte az epileptológiai osztály neuropszichológusa, Florian Mormann és kutatótársai. A feladatok a lehető legegyszerűbbek voltak: összeadásokat és kivonásokat kellett elvégezni a pácienseknek, miközben egyénenként összesen 585 neuronjuk tevékenységét regisztrálták a kutatók. Az eredmények szerint az idegsejtek működése között nincs különbség abban az esetben, ha írott jelekkel (+ és -) vagy ha szavakkal jelzik számukra a megoldandó feladatot, viszont az összeadás és a kivonás műveletét mindig más neuronok végzik.

"Mikor az alanyokat arra kértük, hogy számolják ki, mennyi '5 meg 3', az összeadási neuronjaik léptek akcióba, míg a '7-ből 4' esetén a kivonási neuronjaik."

- mondta Esther Kutter, a kutatás résztvevője.

Ez arra utal, hogy az agy sejtjei nagy precizitással kódolják a matematikai utasításokat, majd pontosan kivitelezik őket. Hogy ellenőrizzék a kódolás pontosságát a kutatók számítógépes program segítségével is tesztelték a begyűjtött adatokat. Az algoritmust először betanították a páciensek vizsgálataiból származó adatok alapján arra, melyik idegsejti aktivitás melyik matematikai feladatnak feleltehető meg, majd próbának vetették alá, amely során új neurális aktivitási adatokat kellett összekapcsolnia a kivonás/összeadás műveleteivel.

A program sikerrel teljesítette a feladatot és pontosan meg tudta határozni az agyi tevékenységek célját.

A precízen behatárolható neurális aktivitás csak egy agyi régióban tért el a máshol megfigyelt mintától, a többek között a memorizálásban nagy szerepet játszó hippokamuszt körülvevő szürkeállomány területén az idegsejtek felváltva reagálnak a megoldandó matematikai feladványokra, vagyis nem mindig ugyanazok a neuronok aktivizálódnak összeadás és kivonás esetében. Ezt a kutatók dinamikus kódolásnak hívják és a további kísérletek során azt vizsgálják majd, hogy pontosan milyen szerepet játszanak ezek és a hippokamusz területeken található statikus működésű idegsejtek a számítások elvégzésében.

A kutatásban felfedezett összeadási/kivonási feladatokat elvégző idegsejtek működését korábban még nem mérték fel a mostanihoz hasonló alapossággal, így a statikus/dinamikus kódolás különbségei is meglepetést jelentettek a kutatók számára, de korábbi tanulmányok már sokszor bizonyították, hogy az absztrakt matematikai számítások az agy számos régióját igénybe veszik, leginkább a parietalis lebeny és prefrontális kéreg játszik szerepet a számok reprezentációjában.

Emellett a temporális (halánték) lebeny jelentősége is bebizonyosodott már korábban, a vizsgálatok szerint a matematikai tényekről, szabályokról, és a műveletekről szóló tudás rögzítése történik többek között ezen a helyen. A mostani kísérletben is megfigyelt közép halántéklebeny pedig a számok értékeinek különféle megjelenítési formájára (szimbolikus vagy nem szimbolikus) adott reakciókkal is részt vesz a számolási feladatokban.

(Fotó: Christian Burkert/Volkswagen-Stiftung/University of Bonn, Getty Images/metamorworks)