A tanulási és memória folyamatokban kulcsszerepet játszó hippocampus ősi agykérgi struktúra, mely az agykéreg minden érző és asszociációs területével közvetett reciprok kapcsolatban áll az entorhinális (szagló) kérgen keresztül. Valamennyi érzékszervből származó információ eljut ide, majd itt társítódnak egymással, átalakulnak hosszú idejű tárolásra alkalmas formába, és végül visszajutnak a neocortexbe. A memória tárolását tehát hosszú távon nem a hippocampus végzi, hanem az agykéreg egyéb specifikus régiói. A hippocampus feladata a memórianyomok beégetése és az egyes érzékszervi információk társítása. A társítás pedig elsősorban térinformációhoz történik. O'Keefe és Nadel (1978) már a hetvenes évek végén felfedezték, hogy a hippocampusban ún. "place"-sejtek vannak (ezt "hely"-sejtként fordíthatjuk magyarra). Ez azt jelenti, hogy ezek a sejtek, melyek a hippocampus neuronjainak többségét teszik ki, csak akkor sülnek ki, ha az állat a térnek egy bizonyos, az adott sejtre specifikus pontján tartózkodik. Így az állat rendelkezésére álló mozgástéren belül minden sejtnek megvan a maga tere, ahol aktivitása sokszorosa az úgynevezett háttér kisüléseknek. Ezeken a "térmező"-szelektív sejteken keresztül a hippocampus egy ún. kognitív térképet épít ki és tárol a külvilágról. Ezekhez a térképpontokhoz (az egyedi helysejtek vagy adott kombinációik aktivitásához) asszociálja aztán az egyéb érzékszervi információkat, például a szag- és látási ingereket táplálékkeresés során.
Régóta ismert, hogy a hippocampus két jellegzetes, viselkedésfüggő aktivitás-mintázatot generál, melyeket a legdurvább EEG elektródákkal is el lehet vezetni. Az egyik egy 4-8 Hz-es, azaz théta frekvenciájú ritmikus aktivitás, oszcilláció, mely kizárólag explorációs viselkedés, a környezet felderítése során figyelhető meg. A másik egy nagy frekvenciájú, szabálytalan tevékenység, nagy amplitúdójú "éleshullámokkal" tűzdelve, amely éber nyugalmi állapotban, táplálkozás és lassú hullámú alvás során jelenik meg a hippocampális EEG-n (Buzsáki, 1986; 1989; Buzsáki és mtsai, 1983). Ha théta aktivitás során egy hippocampális idegsejtből elektromos jeleket vezetünk el intracellulárisan, akkor csupán néhány millivoltos potenciál oszcillációt mérhetünk. Ez azonban kis amplitúdója ellenére megjelenik egy durva agyfelszíni EEG elektródán is, ami azzal magyarázható, hogy ez a potenciálingadozás minden sejtben teljesen egyszerre történik, működésük szinkronizált. A sejtek és dendritfáik pedig rétegszerűen helyezkednek el, ami lehetővé teszi a nagy amplitúdójú mezőpotenciálok kialakulását. Buzsáki György ma már széles körben elfogadott elmélete szerint (Buzsáki, 1989) ez a két EEG mintázat a memória-rögzülés két különböző fázisának feleltethető meg: a théta a memória akvizíciónak, emlékek kialakulásának, míg az éleshullámú fázis a memória konszolidációnak, az emlékek rögzülésének. Az éleshullámok nagy számú piramissejt szinkron kisülésének eredményei, melyek során egy-egy rövid explorációs fázis információtartalmának beégetése történik. Ez a szinkron kisüléssorozat lenne a kiváltója annak a tartós szinaptikus megerősödésnek, amit a tanulási és memória folyamatok sejtszintű alapmechanizmusának tartanak. Ezen viselkedésfüggést mutató EEG mintázatoknak a generálódási mechanizmusát és funkcióit csak akkor érthetjük meg, ha feltárjuk az őket létrehozó egyedi sejtek és elemi sejthálózatok anatómiai- fiziológiai tulajdonságait és kapcsolódási törvényszerűségeiket.
A hippocampus idegsejtjeinek többségét, hasonlóan a neocortexhez, a serkentő (glutamáterg) piramissejtek alkotják. A gyrus dentatus fősejtjei a szemcsesejtek, melyek feladata, hasonlóan a piramissejtekhez, a beérkező információk fogadása és továbbítása a feldolgozás következő állomására. A hippocampus fő serkentő bemenetét adó entorhinális pálya, mely a kérgi szinten már feldolgozott érzékszervi információt szállítja a hippocampusba, elsősorban a szemcsesejtek és a piramissejtek disztális dendritjein szinaptizál. A szemcsesejtek ezeket az impulzusokat a CA3 régió piramissejtjeihez továbbítják, melyek pedig a CA1 régió piramissejtjeit idegzik be. Innen jut aztán vissza az ingerület az entorhinális kéregbe, majd onnan a tartós memória tárolás helyére, a neocortexbe. A piramissejtek (a CA3 régióban) igen gazdag helyi axonarborizációval (axonfával) rendelkeznek, egy sejt akár 40-60 ezer másikkal is létesíthet szinaptikus kapcsolatot. A piramissejtek ily módon alkotott, kvázi random módon huzalozott divergens hálózatának működését szabályozzák a gátló (GABAerg) interneuronok. Számszerűen kis populációt alkotnak ugyan (a neuronok 10%-a), de funkcionális jelentőségük annál nagyobb. A számos típust két fő kategóriába oszthatjuk. Az egyik a fősejtek (piramissejtek és szemcsesejtek) szoma körüli régióját idegzi be, ahol az akciós potenciál keletkezik. Így feladatuk elsősorban a sejtek kimenetének szabályozása. Mivel egy ilyen periszomatikus sejt (pl. egy kosársejt) több mint 1000 piramissejtet idegez be, így képes azok kisüléseit szinkronizálni. A másik gátló sejtpopuláció a fősejtek dendritfáján végződik, és ott képes a serkentő bemenetek hatékonyságát és plaszticitását (tartós megerősödését, gyengülését) szabályozni, akár az NMDA típusú glutamát receptorok aktiválhatóságának csökkentésével, akár a feszültségfüggő kálcium csatornák nyitásának gátlásával. Mindkét hatás csökkenti a sejtekbe jutó kálcium mennyiségét, kálcium nélkül pedig nincs plaszticitás (összefoglalóként lásd, Freund és Buzsáki, 1996).
A théta aktivitás keletkezési mechanizmusa régóta vizsgált kérdés. Bizonyították, hogy a théta pacemaker sejtjei a mediális szeptumban vannak. Saját anatómiai, neurokémiai vizsgálataink igazolták, hogy a mediális szeptum GABAerg neuronjai szelektíven idegzik be a hippocampus ugyancsak GABAerg gátló interneuronjait (Freund és Antal, 1988). Ezen eredményeink alapján feltételeztük, hogy a hippocampális théta aktivitást szeptális GABAerg neuronok indukálják ritmikus diszinhibció útján. Hipotézisünk bizonyításához fiziológiailag kellett megvizsgálnunk, hogy a szeptohippocampális GABAerg rostok ingerlése valóban gátolja-e a hippocampus interneuronjait. Sikerült egy szeptohippocampális in vitro szelet-technikát kidolgoznunk, melyben lehetővé vált a pálya szelektív stimulációja, miközben a hippocampus serkentő és gátló sejtjeiből intracellulárisan vezethettünk el. Ezzel a módszerrel kimutattuk, hogy a szeptális GABAerg rostok ingerlése gátolja a hippocampus GABAerg interneuronjait, és így gátlástalanítja a piramissejteket, théta mintázatú ritmikus ingerléssel pedig a piramissejtek membránpotenciáljának hasonló frekvenciájú oszcillációját lehetett kiváltani (Tóth és mtrsai. 1997). Igazoltuk tehát korábbi hipotézisünket, miszerint a hippocampális théta aktivitás valóban szeptohippocampális GABA-GABAerg diszinhibíció révén generálódhat.
Eredményeink alapján a théta aktivitás generálódásának neuronhálózati mechanizmusa főbb vonalaiban tisztázottá vált. Ezek után ideje elgondolkozni azon, hogy vajon mi is lehet a théta aktivitás funkciója. Erre biztos adat nincs a nemzetközi szakirodalomban, de egy hipotézissel rendelkezünk. A hipotézis lényege: a théta aktivitás funkciója az, hogy időben szétválassza a zajszerű kisüléseket a specifikus szignáltranszmissziótól.
Minden biológiai rendszerben van zaj. Ez különösképpen igaz az agyra, amely egy rendkívül érzékenyített struktúra. Az idegsejteket folyamatosan érik különböző zajszerű szinaptikus vagy nem-szinaptikus hatások, ionáramokat produkálnak, melyek időnként a sejteket elviszik a tüzelési küszöbig. Hogyan képes az idegrendszer ezeket a kisüléseket kiszűrni, és megkülönböztetni a specifikus információt hordozó, de egyébként mindenben hasonló akciós potenciáloktól? A théta hullám 4-8 Hz-es frekvenciával szinkron oszcilláltatja a piramissejtek membránpotenciálját, így a periodikusan érkező depolarizáló hullámok egyszerre lökik át a tüzelési küszöbön a már egyébként is akörül tartózkodó sejteket, így szinkronizálódik a zaj az intracellulárisan mért théta hullámok pozitív csúcsa körüli időperiódusra. Az a sejt azonban, amelyik specifikus információt hordoz, többlet-serkentést kap, így képes előbb is kisülni a théta oszcilláció kevésbé depolarizált (a kosársejtek által gátoltabb) fázisában. Erre kísérletes bizonyítékot a "hely sejtek" ("place cells") esetén O'Keefe és Recce (1993) szolgáltattak, a jelenség "phase-precession" (fázis előretolódás) néven vonult be az irodalomba. Ha az állat a térnek egy bizonyos pontján, az éppen regisztrált sejt térmezejében tartózkodik, akkor megfigyelhető, hogy az adott helysejt intenzíven elkezd tüzelni, de nem a théta pozitív csúcsán, hanem korábban. Megelőzi tehát a háttér-, vagy zajkisüléseket produkáló sejteket.
Miért jó, hogy időben elválasztottuk a jelet a zajtól? Ismert, hogy ha egy idegsejt kisülése egybeesik egy ráérkező serkentő bemenet kisülésével, akkor ez a bemenet tartósan meg fog erősödni (Hebbi asszociáció). Ez a jelenség jelentős egyszerűsítésekkel a tanulás sejtszintű alapmechanizmusának tekinthető. Ilyenkor a dendritfába visszaterjedő akciós potenciál depolarizálja a dendritmembránt, ami elég ahhoz, hogy kilökődjön a magnézium blokk abból az NMDA típusú glutamát receptorból, melynek aktiválása a szimultán kisülő axonból ürülő glutamát által feltétele a szinaptikus megerősödésnek. Ha viszont a sejtünk zaj folytán sült ki, akkor a rajta éppen transmittert ürítő glutamát szinapszisok meg fognak erősödni, és gyorsan telítenék a sejtek plasztikus kapacitását. Ennek megakadályozására fejlődött ki egy gátló sejttípus, a visszacsatolásos dendritikus gátlást végző sejtek csoportja. Ezek képesek megakadályozni a tanulást specifikusan a zaj fázisban. Igazoltuk, hogy ezek a sejtek serkentő bemenetüket helyi piramis-, illetve szemcsesejtektől kapják, így aktivitásukat a helyi principálissejt-aktivitás határozza meg. Ebből következik, hogy elsősorban a théta pozitív csúcsa körül fognak tüzelni, hiszen itt a legnagyobb a piramissejtek kisülési valószínűsége. Aktivitásuk révén pedig gátlódik az entorhinális eredetű szinapszisok tartós potencírozódása a distalis dendritfán, még akkor is, ha ezen szinapszisok aktivitása egybeesik a piramissejtek kisülésével. Ha viszont a sejtek a szignál-transzmissziós fázisban sülnek ki (fázis előretolódás esetén pl. amikor az állat a sejt térmezejében tartózkodik, és a sejt kisülése specifikus információt kódol), akkor a kisülő sejtek olyan kevesen vannak, hogy nem képesek beindítani a visszacsatolásos gátlást. Ekkor tehát semmi nem akadályozhatja, hogy a sejttel egyszerre kisülő entorhinális afferensek, melyek az arra a térpontra jellemző érzékszervi inputot szállítják, tartósan megerősödjenek.
Ha a théta aktivitás valóban képes időben szétválasztani a jelátvitelt a háttértüzeléstől (zajtól), akkor a visszacsatolásos dendritikus gátláson keresztül lehetővé válik a tanulási folyamatok limitálása térben és időben. Limitált lesz egy kiválasztott sejtpopulációra, például az adott hely tér-sejtjeire, és limitált lesz azokra az időintervallumokra, amikor specifikus szignáltranszmisszió zajlik. Ez a mechanizmus magyarázhatja a helysejtek receptív térmezejének kialakulását is. Ha az állat új környezetbe kerül, a sejteknek eleinte nincs precíz térmezejük. Exploráció során (amit folyamatos théta aktivitás kísér) a tér valamely pontjában egyes piramissejtek véletlenül előbb sülnek ki, mint a többiek. Így megmenekülnek a visszacsatolásos gátlástól, és az abban a pillanatban kisülő (a térnek azt a pontját kódoló), rajtuk végződő entorhinális afferensek szinapszisai meg fognak erősödni. Amint az állat újra abba a térpontba megy megint ugyanazok a piramissejtek fognak előbb kisülni (fázis-előretolódásos módban), de ez már nem véletlen, hanem a rajtuk tartósan megerősödött entorhinális szinapszisok révén képesek erre. Így a visszacsatolásos gátlás még kevésbé éri őket, és a rajtuk szinaptizáló entorhinális rostoknak az a csoportja, amely ezt az adott térmezőt kódolja, egyre jobban megerősödhet, a sejt tüzelése egyre előrébb tolódhat a többi sejthez képest (Katona és mtsai, 1999).
Összegzésképpen ma már elmondható, hogy értjük a tanulási és memóriafolyamatokhoz kapcsolt elektromos aktivitás-mintázatok generálódásának neuronhálózati mechanizmusait, ismerjük a résztvevő sejtek kapcsolódási törvényszerűségeit, interakcióik fiziológiai és neurokémiai tulajdonságait. Eljutottunk egyes magasabb rendű idegi folyamatok sejt- és molekuláris szintű mechanizmusainak értelmezéséhez, sőt talán még a tudati jelenségek strukturális és fiziológiai (gamma oszcillációk) hátterébe is bepillanthatunk.
IRODALOM:
Buzsáki G. (1986) Hippocampal sharp waves: their origin and significance. Brain
Res 398:242-252.
Buzsáki G (1989) A two-stage model of memory trace formation: a role for
"noisy" brain states. Neuroscience 31:551-570.
Buzsáki G, Leung L, Vanderwolf CH (1983) Cellular bases of hippocampal EEG in
the behaving rat. Brain Res Rev 6:139-171.
Freund, T.F. and Antal, M. (1988) GABA-containing neurons in the septum control
inhibitory interneurons in the hippocampus. Nature, 336: 170-173.
Freund T.F. and Buzsáki G. (1996) Interneurons of the hippocampus. Hippocampus,
6: 345-470.
Katona I., Acsády L. and Freund T.F. (1999) Postsynaptic targets of
somatostatin-immunoreactive interneurons in the rat hippocampus. Neuroscience,
88: 37-55.
Miles R., Tóth K., Gulyás A.I., Hájos N. and Freund T.F. (1996) Differences
between somatic and dendritic inhibition in the hippocampus. Neuron, 16:
815-823.
O'Keefe J, Nadel L (1978) The hippocampus as a cognitive map, Clarendon,
Oxford.
O'Keefe J, Recce ML (1993) Phase relationship between hippocampal place units
and the EEG theta rhythm. Hippocampus 3:317-330.
Tóth K., Freund T.F. and Miles R. (1997) Disinhibition of rat hippocampal
pyramidal cells by GABAergic afferents from the septum. J. Physiol. (Lond),
500: 463-474.