Freund Tamás:
 

A tanulási és memória folyamatokban kulcsszerepet játszó hippocampus õsi agykérgi struktúra, mely az agykéreg minden érzõ és asszociációs területével közvetett reciprok kapcsolatban áll az entorhinális (szagló) kérgen keresztül. Valamennyi érzékszervbõl származó információ eljut ide, majd itt társítódnak egymással, átalakulnak hosszú idejû 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 elsõsorban térinformációhoz történik. O'Keefe és Nadel (1978) már a hetvenes évek végén felfedezték, hogy a hippocampusban un."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 minden sejtnek megvan a maga tere az állat rendelkezésére álló mozgástéren belül, ahol aktivitása sokszorosa az úgynevezett háttér kisüléseknek. Ezeken a "térmezõ"-szelektív sejteken keresztül a hippocampus egy un. 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, viselkedésfüggõ 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 figyelhetõ meg. A másik egy nagy frekvenciájú szabálytalan tevékenység, nagy amplitúdójú "éleshullámokkal" tûzdelve, amely éber nyugalmi állapotban, táplálkozás, és lassú hullámú alvás során jelenik meg a hippocampális EEG-n (Buzsáki, 1986; 1989; Buzsáki és mtrsai, 1983). Ha théta aktivitás során egy hippocampális idegsejtbõl 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, mûködésük szinkronizált. A sejtek és dendritfáik pedig rétegszerûen helyezkednek el, ami lehetõvé teszi a nagy amplitúdójú mezõpotenciálok kialakulását. Buzsáki György ma már széles körben elfogadott elmélete szerint (Buzsáki, 1989) ez a két EEG mintázat a memória-rögzülés két különbözõ fázisának feleltethetõ 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 megerõsödésnek, amit a tanulási és memória folyamatok sejtszintû alapmechanizmusának tartanak. Ezen viselkedés-függést mutató EEG mintázatoknak a generálódási mechanizmusát és funkcióit csak akkor érthetjük meg, ha feltárjuk az õket létrehozó egyedi sejtek és elemi sejthálózatok anatómiai- fiziológiai tulajdonságait, és kapcsolódási törvényszerûségeiket.

A hippocampus idegsejtjeinek többségét, hasonlóan a neocortexhez, a serkentõ (glutamáterg) piramissejtek alkotják. A gyrus dentatus fõsejtjei a szemcsesejtek, melyek feladata, hasonlóan a piramissejtekhez, a beérkezõ információk fogadása, és továbbítása a feldolgozás következõ állomására. A hippocampus fõ serkentõ bemenetét adó entorhinális pálya, mely a kérgi szinten már feldolgozott érzékszervi információt szállítja a hippocampusba, elsõsorban 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 ilymódon alkotott quazi random módon huzalozott divergens hálózatának mûködését szabályozzák a gátló (GABAerg) interneuronok. Számszerûen kis populációt alkotnak ugyan (a neuronok 10%-a), de funkcionális jelentõségük annál nagyobb. A számos típust két fõ kategóriába oszthatjuk. Az egyik a fõsejtek (piramissejtek és szemcsesejtek) szomakörüli régióját idegzi be, ahol az akciós potenciál keletkezik. Így feladatuk elsõsorban 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 fõsejtek dendritfáján végzõdik, és ot képes a serkentõ bemenetek hatékonyságát és plaszticitását (tartós megerõsödését, gyengülését) szabályozni akár az NMDA típusú glutamát receptorok aktiválhatóságának csökkentésével, akár a feszültségfüggõ 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 medialis szeptumban vannak. Saját anatómiai, neurokémiai vizsgálataink igazolták, hogy a medialis 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 diszinhibició 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 lehetõvé vált a pálya szelektív stimulációja, miközben a hippocampus serkentõ és gátló sejtjeibõl 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 fõbb 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 idõben szétválassza a zajszerû kisüléseket a specifikus szignáltranszmissziótól.

Minden biológiai rendszerben zaj van. Ez különösképpen igaz az agyra, mely egy rendkívül érzékenyített struktúra. Az idegsejteket folyamatosan érik különbözõ zajszerû szinaptikus vagy nem-szinaptikus hatások, ionáramokat produkálnak, melyek idõnként a sejteket elviszik a tüzelési küszöbig. Hogyan képes az idegrendszer ezeket a kisüléseket kiszûrni, 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 érkezõ 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 idõperiódusra. Az a sejt azonban, amelyik specifikus információt hordoz, többlet serkentést kap, így képes elõbb 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 elõretolódás) néven vonult be az irodalomba. Ha az állat a térnek egy bizonyos pontján, az éppen regisztrált sejt térmezejében tartózkodik, akkor megfigyelhetõ, hogy az adott helysejt intenzíven elkezd tüzelni, de nem a théta pozitív csúcsán, hanem korábban. Megelõzi tehát a háttér-, vagy zajkisüléseket produkáló sejteket.

Miért jó, hogy idõben elválasztottuk a szignált a zajtól? Ismert, hogy ha egy idegsejt kisülése egybeesik egy ráérkezõ serkentõ bemenet kisülésével, akkor ez a bemenet tartósan meg fog erõsödni (Hebbi asszociáció). Ez a jelenség jelentõs egyszerûsítésekkel a tanulás sejtszintû alapmechanizmusának tekinthetõ. Ilyenkor a dendritfába visszaterjedõ akciós potenciál depolarizálja a dendritmembránt, ami elég ahhoz, hogy kilökõdjön a magnézium blokk abból az NMDA typusú glutamát receptorból, melynek aktiválása a szimultán kisülõ axonból ürülõ glutamát által feltétele a szinaptikus megerõsödésnek. Ha viszont a sejtünk zaj folytán sült ki, akkor a rajta éppen transmittert ürítõ glutamát szinapszisok meg fognak erõsödni, és gyorsan telítenék a sejtek plasztikus kapacitását. Ennek megakadályozására fejlõdött ki egy gátló sejttípus, a visszacsatolásos dendritikus gátlást végzõ sejtek csoportja. Ezek képesek megakadályozni a tanulást specifikusan a zaj fázisban. Igazoltuk, hogy ezek a sejtek serkentõ bemenetüket helyi piramis- illetve szemcsesejtektõl kapják, így aktivitásukat a helyi principálissejt aktivitás határozza meg. Ebbõl következik, hogy elsõsorban a théta pozitív csúcsa körül fognak tüzelni, hiszen itt a legnagyobb a piramissejtek kisülési valószínûsége. Aktivitásuk révén pedig gátlódik az entorhinális eredetû 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 elõretolódás esetén pl. amikor az állat a sejt térmezejében tartózkodik, és a sejt kisülése specifikus információt kódol), akkor a kisülõ sejtek olyan kevesen vannak, hogy nem képesek beindítani a visszacsatolásos gátlást. Ekkor tehát semmi nem akadályozhatja, hogy a sejttel egyszerre kisülõ entorhinális afferensek, melyek az arra a térpontra jellemzõ érzékszervi inputot szállítják, tartósan megerõsödjenek.

Ha a théta aktivitás valóban képes idõben szétválasztani a szignáltranszmissziót a háttértüzeléstõl (zajtól), akkor a visszacsatolásos dendritikus gátláson keresztül lehetõvé válik a tanulási folyamatok limitálása térben és idõben. Limitált lesz egy kiválasztott sejtpopulációra, például az adott hely tér-sejtjeire, és limitált lesz azokra az idõintervallumokra, 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 elõbb sülnek ki, mint a többi. Így megmenekülnek a visszacsatolásos gátlástól, és az abban a pillanatban kisülõ (a térnek azt a pontját kódoló) rajtuk végzõdõ entorhinális afferensek szinapszisai meg fognak erõsödni. Amint az állat újra abba a térpontba megy, megint ugyanazok a piramissejtek fognak elõbb kisülni (fázis-elõretolódásos módban), de ez már nem véletlen, hanem a rajtuk tartósan megerõsödött entorhinális szinapszisok révén képesek erre. Így a visszacsatolásos gátlás még kevésbé éri õket, és a rajtuk szinaptizáló entorhinális rostoknak az a csoportja, amely ezt az adott térmezõt kódolja, egyre jobban megerõsödhet, a sejt tüzelése egyre elõrébb tolódhat a többi sejthez képest (Katona és mtrsai, 1999).

Összegzésképpen ma már elmondható, hogy értjük a tanulási és memória folyamatokhoz kapcsolt elektromos aktivitás-mintázatok generálódásának neuronhálózati mechanizmusait, ismerjük a résztvevõ sejtek kapcsolódási törvényszerûségeit, interakcióik fiziológiai és neurokémiai tulajdonságait. Eljutottunk egyes magasabbrendû idegi folyamatok sejt és molekuláris szintû mechanizmusainak értelmezéséhez, sõt talán még a tudati jelenségek struktúrális és fiziológiai (gamma oszcillációk) hátterébe is bepillanthatunk.
 

Irodalomjegyzék

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.