Élete utolsó napja örökkévalóságnak tűnt. Időről időre szinte felemelkedett az ágyról, ezért meg kellett küzdeniük azért, hogy ott tartsák. A férfi nem bírta elviselni, és kiment a szobából; záporoztak a könnyei. Jeannie jött, hogy megvigasztalja. Halk hangján megszólalt: „Nagyapa, nagyapa ne sírj!”. Ő már nincs ott, megígérte nekem. Az utolsó napon azt mondta, visszatér oda, ahol először hallott zenét, kislány korában, a falu utcáján, ahol született. Megígérte nekem. Esküvő volt, táncoltak, miközben a fuvolák örömteli és vibráló hangja remegett a levegőben. Hagyd őt ott, nagyapa, minden rendben van. Megígérte nekem. Gyere vissza, gyere vissza és segítsd szegény testét meghalni.
(Tillie Olsen: Mondj egy talányt)
Tillie Olsen haldokló nagymamájáról rajzolt portréja egy olyan nőről mesél, akinek a közelmúltbeli emlékei eltűntek, ugyanakkor gyermekkori emlékei gazdagok és elérhetők maradtak. Ha ismer valakit, aki időskori demenciában szenved, akkor nála is bizonyára észrevette ezt.
Ez az egyik legrégebb óta ismert jelenség a neurológiában. Théodule Ribot francia pszichológus 1882-ben írta le ezt a megfigyelést, miután megdöbbent azon, hogy a régebbi emlékek stabilabbak, mint az újabbak. Ezt ma Ribot törvényének nevezik, és megmagyarázza, hogy egyes emberek életük vége felé miért térnek vissza gyermekkori nyelvükre. Mielőtt Albert Einstein 1955-ben a New Jersey-i Princeton kórházában elhunyt, elmondta utolsó gondolatait. Mindenki tudni akarta, hogy mik voltak a nagy fizikus utolsó szavai, de soha nem fogjuk megtudni. Nem azért, mert nem volt jelen egy ápolónő, aki meghallgatta volna, hanem azért, mert Einstein a szavakat németül, az anyanyelvén mondta el.
Nem csoda, hogy Ribot-t megdöbbentette ez a furcsa memorizálás: más tárolórendszerek nem így működnek. A közösség emlékezetében feledésbe merülnek a régi korok vezetői, az oktatási intézmények a legújabb trendekre összpontosítanak, a városi önkormányzatok legújabb eredményeikkel dicsekednek, nem a múlt században elért sikerekkel.
Miért dolgozik az agy fordítva? Miért válnak maradandóbbá a régebbi emlékek? Ez a kritikus pont segít megérteni a koponya belsejében érvényesülő alapelveket. Ezért most rátérünk az élő huzalozás egyik legfontosabb sajátosságára: a memória jelenségére.
*
Közel a búcsú órája,
Siess, emléktábládat már faragják!
(Matthew Arnold)
A Mementó című filmben Leonard Shelby képtelen átalakítani a rövid távú memóriát hosszú távú emlékezetté – ezt az állapotot anterográd amnéziának nevezik. Emlékszik, mi történt az elmúlt öt percben, de minden ennél régebbi emléke elhalványul. Emiatt a kritikus információkat közvetlenül a bőrére tetoválja, hogy ne felejtse el küldetését. Ilyen módon képes kommunikálni időben máskori önmagával.
Mindannyian olyanok vagyunk, mint Leonard Shelby, de a kritikus, „hol voltam?” információkat az idegsejtjeinkbe véssük, nem pedig a bőrünkre írjuk. Így a jövőbeli énünk tudni fogja, mit éltünk át, és ebből következően mit kell tennünk.
Majdnem huszonnégy évszázaddal ezelőtt Arisztotelész a De memoria et reminiscentia (Az emlékezetről és a visszaemlékezésről) című munkájában elsőként tett kísérletet ennek a folyamatnak a leírására. Azt a hasonlatot használta, mint amikor az olvadt viaszba belenyomják a pecsét mintáját. Arisztotelész sajnos nem támaszkodhatott adatokra, így az a neurális varázslat, amelynek révén a világ eseményei a fejben megőrzött emlékekké válnak, évezredekig rejtély maradt.
Az idegtudomány csak mostanában kezdi megfejteni a rejtélyt.
Az agykutatók évtizedeken át görnyedtek a laboratóriumi berendezések fölé, hogy megértsék, melyek ezek a változások, hogyan szerveződnek a neuronok hatalmas tengerében, hogyan testesítik meg az ismereteket, és hogyan lehet ezeket akár évtizedekkel később is kiolvasni. Bár a puzzle sok darabja még hiányzik, munkájuk eredményeként kezd kialakulni az emlékezés folyamatának képe.
A memória egyszerű formáit intenzíven tanulmányozták a sejtek és a hálózat szintjén olyan egyszerű szervezetekben, mint a tengeri csiga. Miért éppen a tengeri csiga? Idegsejtjei nagyok, de kevés van belőlük, így sokkal könnyebb tanulmányozni, mint egy embert. A tipikus kísérletet a következőképpen végezték. A kutatók egy bottal finoman megpiszkálják a tengeri csigát, mire az állat visszahúzódik. Ha a tudósok ezt kilencven másodpercenként megismétlik, a tengeri csiga végül abbahagyja a visszahúzódást. „Emlékszik” arra, hogy az ingerben nincs semmi veszélyes. Ezután a tudósok a bottal történő érintéssel egy időben elektromos áramütést küldenek a csiga farkára. Ekkor a bot puszta érintésének hatására fellépő visszahúzódási reflex nagyra nő: a tengeri csiga „emlékszik” arra, hogy a bot valami veszélyes dologgal áll kapcsolatban.
Az ilyen kísérletekből nagyon sokat megtudtunk a molekuláris szinten bekövetkező változásokról; azonban az evolúció során később kialakult állatok (például az emlősök) memóriakapacitása sokkal erőteljesebb és kiterjedtebb, mint a gerincteleneké. Mi emberek, emlékezhetünk önéletrajzunk részleteire. Emlékezhetünk arra, amit álmodtunk és elképzeltünk. Emlékezhetünk hatalmas területek földrajzának térbeli részleteire. Olyan komplex jártasságokat sajátíthatunk el, amelyek lehetővé teszik számunkra a kereskedelmi, társadalmi és éghajlati viszonyok közötti eligazodást. Szerencsére, képesek vagyunk elfelejteni a jelentéktelen apróságokat, például ahol két hete megálltunk a reptéri parkolóban, vagy egy beszélgetés közben elhangzott szavak pontos sorrendjét.
Az emlősök memóriájának fizikai alapjaira vonatkozó első módszeres vizsgálatot az 1920-as években a Harvard neurobiológusa, Karl Lashley végezte. Úgy vélekedett, hogy ha meg tud tanítani valami új dolgot egy patkánynak (például egy bizonyos útvonalat az útvesztőben), akkor arra is képes lesz, hogy kitörölje ezt az új emléket, ha a patkány agyából a megfelelő helyen kivág egy kis darabot. Csak meg kell találnia ezt a varázslatos foltot, aztán eltávolítja, és ettől kezdve a patkány nem emlékszik az útvonalra.
Húsz patkányt képzett ki a labirintus bejárására. Ezután szikével átvágta az egyes állatok agykéregének különböző területeit. Megvárta, amíg felépülnek, majd minden egyes patkányt újra megvizsgált, hogy lássa, mely agyterület sérülése következtében veszett el az útvesztő ismerete.
A kísérlet kudarcot vallott, mert az összes patkány tökéletesen emlékezett a labirintusra. Egyik sem felejtette el a megtanult útvonalat.
A kísérletből kiderült, hogy az agyban nem létezik dedikált memóriastruktúra. A memória nem úgy tárolja az információt, mint az iratszekrény, sokkal inkább az elosztott, felhőalapú számítástechnikára hasonlít –, ahogy az e-mailben érkezett üzeneteink is a szerte a világon található szervereken vannak szétszórva, gyakran nagy redundanciával.
Hogyan lehet egy emléket – például egy nevet, egy sípályát, egy zeneművet – a sejtek milliárdjainak széles körben elosztott halmazába írni? Mi az a programozási nyelv, amely a tapasztalatok birodalmát lefordítja a fizika birodalmának nyelvére?
A XIX. században, a nagy felbontású mikroszkópia kora előtt azt feltételezték, hogy az idegrendszer számtalan rostja alkotta útvonalak olyan folytonos hálózatként szövik át a testet, mint az erek. Ezt a nézetet csak egy évszázaddal ezelőtt vonták kétségbe, amikor Santiago Ramón y Cajal spanyol idegtudós rájött, hogy az agy több milliárd különálló sejt szövetsége. Az idegrendszer autópálya helyett inkább a helyi közutak rendszerére hasonlít, amelyben az utak kommunikálnak egymással. Keretrendszerét „neurondoktrínának” nevezte, felismerésével kiérdemelte az első Nobel-díjak egyikét. A neurondoktrína fontos új kérdést vetett fel: ha az agysejtek önállóak, akkor hogyan kommunikálnak egymással? A válasz gyorsan kiderült: azokon a speciális pontokon kapcsolódnak össze, amelyeket ma szinapszisoknak hívunk. Ramón y Cajal felvetette, hogy a tanulás és az emlékezés a szinaptikus kapcsolatok erősségének megváltozásával történhet.
1949-re egy másik agykutató, Donald Hebb továbbgondolta és finomította az ötletet. Azt vetette fel, hogy ha az A sejt következetesen együttműködik a B sejttel, akkor a közöttük fennálló kapcsolat erősödik („potenciálódik”). Más szavakkal: együtt tüzelnek és összehuzalozódnak.
Abban az időben, amikor Hebb felvetette az elméletét, még nem voltak kísérleti bizonyítékok, amelyekkel az elméletet alá lehetett volna támasztani. Aztán 1973-ban két kutató felfedezett valamit, ami azt sugallta, hogy Hebb fején találta a szöget. Miután stimulálták a hippokampusznak nevezett területre bemenő idegrostokat, a fogadó (posztszinaptikus) sejt megnövekedett elektromos válaszát tapasztalták. Ez az erősebb jel akár tíz órán át is fennmaradhatott. A jelenséget hosszú távú potenciációnak (LTP) nevezték, és ez volt az első bizonyíték arra, hogy a kapcsolatok erőssége a közelmúltban történt események következtében módosulhat.
Mindenki gyorsan kitalálta a következő lépést: ami megerősödik, annak képesnek kell lennie gyengülni is. Ha egy kapcsolat megerősödhet, akkor az elgyengülés képességére is szükség van. Ellenkező esetben a hálózat telítődik, és képtelen lesz bármi újat tárolni. Az 1990-es évekre bebizonyosodott, hogy a különféle manipulációk (például az A tüzel, de B erre nem reagál) hosszú távú gyengüléshez vezethetnek; vagyis gyengül a két sejt közötti kölcsönhatás.
A tudósok arra a következtetésre jutottak, hogy megtalálták az emlékezés fizikai alapját. Végül is, a kapcsolatok erősségének finom változtatása gyökeresen megváltoztathatja a hálózat kimeneti viselkedését. Az aktivitás a korábban történt eseményektől függően folyik át a rendszeren. A paraméterek megfelelő beállításával a hálózat kapcsolatot teremthet az egyszerre bekövetkezett dolgok között. Az elképzelés szerint egy ilyen egyszerű mechanizmus állhat életünk összes emlékének hátterében.
Így az 1980-as évek elején egy fizikus, John Hopfield megpróbálta kideríteni, hogy egy nagyon leegyszerűsített mesterséges ideghálózat képes-e tárolni „emlékek” kisebbfajta gyűjteményét. Megállapította, hogy ha a hálózatba bevitt bizonyos mintákat (például az ábécé betűit), és megerősítette az egyszerre aktiválódó neuronok közötti szinapszisokat, akkor a hálózat emlékezni fog a mintákra. Minden betű (mondjuk az E) az idegsejtek sajátos konstellációját váltotta ki, ezért ezek az idegsejtek megerősítették kapcsolataikat egymással. Az S betűt ezzel ellentétben egy másik minta képviselte. Ezután Hopfield bevitte a rendszerbe az egyik minta sérült változatát (például egy E-t, amelynek a tetejét levágta), és azt tapasztalta, hogy a rendszeren keresztülfutó tevékenység kaszkádja a teljes E mintája felé fejlődött. Más szavakkal, a hálózat kiegészítette a mintát, hogy megfeleljen annak elképzelésének, amilyennek egy E-nek lennie kell, tekintettel minden korábbi tapasztalatára. Ezenkívül ezek a hálózatok meglepően robusztusak voltak a leépüléssel szemben. Ha néhány csomópontot törölt, akkor a hálózat elosztott emlékei továbbra is visszanyerhetők maradnak. Hopfield hatásosan bizonyította, hogy egy egyszerű, mesterséges ideghálózatban is létrejöhetnek emlékek, és ezzel utat nyitott a „Hopfield-hálókkal” végzett vizsgálatok sokasága felé.
A közbenső évtizedekben, és különösen az utóbbi években, a mesterséges ideghálózatok területe gyors fejlődésnek indult. A terület növekedése nagyrészt nem az új elméleti munkáknak köszönhetően, hanem a számítógépek teljesítményének hatalmas arányú növekedése miatt következett be, ami lehetővé teszi az óriási, millió vagy milliárd egységből álló mesterséges hálózatok szimulálását. Az ilyen hálózatok figyelemre méltó bravúrokat tudtak elérni, például legyőzték a világ legjobb sakkozóit és go játékosait.
A győzelmi mámor ellenére a mesterséges ideghálózatok még mindig messze vannak attól, hogy az agyhoz hasonlóan működjenek. Bár észbontóan lenyűgözőek, katasztrofálisan csődöt mondanak, amikor valamilyen, az addigitól különböző feladat végrehajtására kérjük őket – például a macskák és kutyák megkülönböztetése helyett mostantól kezdve a madarakat és a halakat kellene egymástól megkülönböztetniük. A mesterséges ideghálózatok létrehozását az agy működése ihlette, de megvalósításuk egy célzott, egyszerűsített irányban történt. Ahhoz, hogy megértsük az agy varázslatát (vagyis azt, hogy mi az, amit az agy megtehet, a mesterséges ideghálózatok pedig egyelőre nem tudnak megtenni), józanul meg kell vizsgálnunk a valódi, biológiai memória kihívásait és trükkjeit.
A MEMÓRIA ELLENSÉGE NEM AZ IDŐ, HANEM AZ EGYÉB EMLÉKEK
Az agy első problémája, amellyel szembe kell néznie, hogy hosszú ideig él. Az állatok változó, kihívásokkal teli környezetben élnek, ezért éveken vagy évtizedeken keresztül folyamatosan új információkat kell megszerezniük. De az egész életen át tartó tanulásnak mindig egyensúlyt kell tartania két folyamat között: meg kell őriznie a régi adatokat, miközben be kell fogadnia az újakat. A mesterséges neurális hálózatokat a „képzési szakaszban” tanítják (általában sok millió példával), majd ezt követően a „felidézés” szakaszában tesztelik. Az állatoknak nem adatik meg ez a luxus. Életük során menet közben kell tanulniuk és emlékezniük.
Sajnos a szinaptikus változás – alapvető tankönyvi elvein nyugvó – memóriamodelljei azonnal beleütköznek egy problémába: noha a Hebb-féle tanulás kiválóan alkalmas az emlékek elraktározására, ám folyamatosan alkalmas erre, ezért a korábban megtanult dolgok gyorsan felülíródnak. A nagy memóriájú mesterséges hálózatok hamar belesüppednek a memóriaiszapba. A rendszer új tevékenysége nyomán a korábbi emlékek olyan gyorsan elhomályosulnak, hogy az első felvonás végén már nem emlékeznénk arra, mi történt a darab kezdetén. Ezt a problémát a stabilitás és plaszticitás dilemmájának nevezzük: hogyan őrzi meg az agy a tanultakat, miközben egyszerre befogadja az új információkat?
Míg a mesterséges ideghálózatok a memória eliszaposodásának problémájától szenvednek, az élő agyaknál nem áll fenn ennek a veszélye. Egy új könyv elolvasása nem írja felül házastársunk nevét az emlékezetünkben, és egy új szó elsajátítása sem rongálja meg a szókincs többi részét.
Az a tény, hogy az agy megkerüli ezt a dilemmát, és valahogy lezárja a régebbi emlékeket, arról árulkodik, hogy egyszerűen a szinapszisok megerősítése és gyengítése a hálózatban nem adhatja vissza a teljes képet. Még kell történnie valaminek.
A stabilitás/plaszticitás dilemmájának első megoldása az, hogy megbizonyosodunk arról, nem változik-e egyszerre az egész rendszer. Ehelyett a rugalmasságnak a relevancia irányításával csak kis területeken szabad ki- és bekapcsolnia. Mint korábban láttuk, a neuromodulátorok gondosan kontrollálhatják a szinapszisok plaszticitását – és ily módon a tanulás csak a megfelelő helyeken és időpontokban történhet. Ez a sajátosság lassítja a hálózat belesüllyedését a memória iszapjába, mert csak akkor változtatja meg a szinapszisok erősségét, ha valami fontos dolog történik: meghalljuk egy új kolléga nevét, egy hírt a szüleinkről, vagy, hogy a kedvenc televíziós műsorunk új évadját sugározzák. A hálózatnak azonban nem kell megváltoznia, ha véletlenül rápillantunk egy utcai táblára, észrevesszük egy járókelő ingének színét, vagy a járda repedéseinek mintázatát. Ez a „csak fontos esetekben történik változás” funkció arra emlékeztet bennünket, hogy az agy nem egyszerűen egy üres lap, amelyre a külvilág ráírja az összes történetét. Ehelyett az agy előre felkészült bizonyos típusú tanulásra, adott típusú helyzetekben.
Ez azonban nem oldja meg a stabilitás/plaszticitás problémáját, mert még mindig rengeteg kiemelkedő emlék tárolásáról kell gondoskodni.
Éppen ezért az agy egy másik megoldáshoz folyamodik. Nem mindig ugyanazon a helyen tárolja az emlékeket. Ehelyett, tartósabb tárolás céljából átadja a tanultakat egy másik területnek.
AZ AGY EGYES RÉSZEI MÁS RÉSZEKET TANÍTANAK
Nézzünk például egy raktárt. Ha állandóan ládák újabb és újabb szállítmányai érkeznek, akkor az épület végül megtelik. Ha azonban továbbszállítjuk a dobozokat, mihelyt bejönnek, akkor fenntarthatjuk a szabad helyet. Ugyanígy, az emlékek gyakran nem maradnak ott, ahol először kialakultak, hanem mozognak.
Néhány dolgot, amit a memóriáról tudunk, a memória kialakulásának központi helyszínén, a hippokampuszban és annak környező régióiban megfigyelt adatokból szűrtünk le. 1953-ban egy Henry Molaison nevű huszonhét éves beteg epilepsziájának enyhítése érdekében műtéten esett át, amelynek során agyának mindkét oldalán eltávolították a hippokampuszt. A műtét után Molaison súlyos amnéziába esett, elvesztette a képességét arra, hogy új emlékeket raktározzon el, vagy új tényeket tanuljon meg. Meglepő módon, korlátozottan bár, de új jártasságokat is el tudott sajátítani (például tükörben olvasni). Amint Brenda Milner és kollégáinak részletes vizsgálatai felfedték, csaknem hibátlanul emlékezett a műtétje előtt bekövetkezett eseményekre. Esete a hippokampuszt állította a kutatók érdeklődésének középpontjába, különös tekintettel arra, hogy miért fontos a tények megismerése szempontjából, de nem kritikus a szerepe a már megtanult tényekre emlékezésben.
De vajon hogyan jutnak el az emlékek a hippokampusz útközbeni állomásától a kéreg állandóbb otthonába? Az egyik elképzelés szerint első alkalommal, amikor az aktiválódás mintázata áthalad a kérgen, nem érhető el a stabil tárolás, ehelyett olyan területnek, mint a hippokampusz, többször újra kell aktiválnia az útvonalat, hogy az emléket bezárja a kéregbe. Ez a keretrendszer magyarázatot próbál adni arra, miért van szükség a hippokampuszra az emlékezet megszilárdításához: újra és újra vissza kell játszania a mintákat a kéregbe. Miután az emlékek eljutottak a kéregbe, az idő múlásával stabilizálódnak. Amint Molaison esetében láttuk, ha nincs ismétlés, akkor nincs mód a hosszú távú tárolásra. A rendszer megmarad olyannak, amilyen korábban volt.
Az emlékeknek ezt a mozgását az agy számos részén tapasztalhatjuk. Képzeljük el, hogy új asszociációt tanulunk meg: a piros négyzet azt jelenti, hogy fel kell emelni a karunkat, míg a kék kör láttán tapsolnunk kell. Ha többet gyakoroljuk, a feladat elsajátítása közben a változások gyorsan észlelhetők bizonyos agyi régiókban (pl. a nucleus caudatus nevű területen), amelyek rögzítik a jutalmazott asszociációkat. Ha azonban tovább folytatjuk a feladat végrehajtását, akkor az aktivitás más területeken is észlelhető lesz (a prefrontális kéregben). Ezek az idegsejtek lassabban változnak, ami azt sugallja, hogy az első régió megtanítja a másodikat arra, amit ő maga elsajátított.
Másik példaként említhetjük, hogy amikor kezdők vagyunk a görkorcsolyázás elsajátításában, akkor alaposan figyelnünk kell a végtagjainkra, és jelentős tudatos erőfeszítéseket kell tennünk. Többnapi gyakorlás után azonban már nem kell ezen gondolkodni, a mozdulatok automatizálódnak. Ennek az az oka, hogy az agy motoros tanulásban részt vevő részei (a bazális ganglionok) átadják a tanulást olyan részeknek, mint a kisagy.
A csomagok szállításának hasonlata segít a stabilitás/plaszticitás dilemmájának megoldásában, de továbbra is fennáll a korlátozott hely problémája. Ha az egész világon mindenfelé kiszállítjuk a dobozokat, nincs gond. Ha viszont csak egy másik raktárba toljuk át a csomagokat, akkor egyszerűen a szőnyeg alá söpörjük a problémát, hiszen a második raktár is hamarosan megtelik.
Ez viszont egy harmadik, és még elmélyültebb megoldás nyomára vezet.
David Eagleman: Az élő agy – meglepő tények agyunk hihetetlen képességeiről
Fordította Dr. Both Előd
Akkord Kiadó, 2023
