Miért írtam meg ezt a könyvet?

„Célom az volt, hogy az agyi ritmusokkal kapcsolatos tudásanyagot egyszerűsítve mutassam be az érdeklődők számára. Meglepő módon az idegtudomány sokáig elhanyagolta az agyi ritmusokat, mintha azok csupán melléktermékek volnának. Ám kutatásaim során bárhova néztem az agyban, és akárhány működést próbáltam megérteni, mindig oszcillációkba (hullámzásokba) ütköztem. Kiderült, hogy ezek az idegsejt-szerveződés összes szintjét áthatják, sőt, az összes idegsejt alapértelmezett üzemmódja az oszcilláció.”

Előhang

A könyv tartalma dióhéjban

Az agyak előrejelző készülékek, melyek jóslási képessége az általuk folytonosan keltett különféle ritmusokból adódik. Ugyanakkor az agyi aktivitás – ritmusok egy szervezett rendszerének köszönhetően – a környezet ideális megfigyelőjévé is áthangolható. Az agyi ritmusok specifikus fiziológiai funkciói a nyilvánvalóktól a teljességgel kifürkészhetetlenekig terjednek. Egyszerű, de meggyőző példa erre a járás. A két lábon járás előreesések periodikus sorozata, amelyet szabályos időközönként a két láb váltakozó kinyújtása szakít meg, s amely majdnem olyan természetes számunkra, mint a légzés. Hogy ez ennyire erőfeszítésmentesen megy nekünk, azt a gerincvelői oszcillátorok előrejelzései teszik lehetővé. Sima terepen a lábmozgások váltakozása bármilyen távolságra elvihet minket. Az időzítés megzavarása viszont a terep változását jelzi. Ez az általános mechanizmus minden állatban egyforma, még a nyolclábú skorpióknál, sőt a százlábúaknál is.

Hogy az olyan mozgásmintázatok koordinációjáért, mint a légzés és a járás, az oszcillátorok avagy „központi mintázat-generátorok” felelősek, régi és elfogadott elképzelés az idegtudományban.  

De az a csábító feltevés, hogy az idegi oszcillátorok számos más agyi funkcióra, például szellemi működésekre is felhasználhatók, igencsak új és vitatott. Könyvem leginkább ez utóbbiról szól: hogy miként járulnak hozzá az oszcillációk az agy láthatatlan, feltételezett műveleteihez. ...

Fiziológiai szinten az oszcillátorok nagy szolgálatot tesznek az agynak: különféle műveleteket hangolnak össze vagy „szinkronizálnak” az idegi hálózatokon belül és azok között. Syn (jelentése: együtt) és chronos (idő) együtt biztosítják, hogy mindenki ott legyen a helyén, és senki ne maradjon le, ahogy a karmester időben összehangolja a sok különféle hangszer szólamát a zenekarban. Nézzük csak meg közelről Seiji Ozawát egy koncert végén: már arcának verítékezéséből is láthatjuk, hogy egy zenekar vezénylése fizikailag és szellemileg mennyire megerőltető munka.

Ezzel szemben a párba állított oszcillátorok szinte erőfeszítés nélkül végzik el a szinkronizáció feladatát. Ez a képesség beléjük van építve. Valójában mást az oszcillátorok nem is igen csinálnak. Szinkronizálnak és jósolnak. Ha viszont ezeket kiiktatjuk, agyunk működésképtelenné válik. Tegyük tönkre őket, és jön az epilepszia, a Parkinson-kór, az alvászavarok és egyéb ritmussal kapcsolatos kognitív betegségek. Ahogy az 1-13 ciklusokban ismételten kimutatom, gyakorlatilag nincs idegi funkció időmérték nélkül, legyen az a legegyszerűbb mozgásos vagy a legbonyolultabb értelmi működés. Miközben az idegsejtekről, az agy építőköveiről és ezek kapcsolódásairól bőségesek az ismereteink, továbbra is keveset tudunk arról, hogy a modulok és a modul-rendszerek hogyan működnek együtt. E téren jutnak szerephez az oszcillációk felbecsülhetetlen szolgálatai.

Pécsi Tudományegyetem

Kapcsolatom az agyi ritmusokkal 1970 áprilisában kezdődött, Grastyán Endre fiziológia előadásán, Pécs gyönyörű városában, a Mecsek napos lejtőin. A Pécsi Egyetem – vagy Universitas Quinque Ecclesiensis, ahogy 1367-es alapításakor hívták – remek idegtudósokat adott a világnak, köztük Szentágothai Jánost, a legendás neuroanatómust; Flerkó Bélát és Halász Bélát, a neuroendokrinológia úttörőit; Székely Györgyöt, a gerincvelő elismert fiziológusát, és Gallyas Ferencet, a neuronális jelölésre széles körben használt ezüst impregnálási módszerek létrehozóját.

Ahogy fiatalon sokunk, húszas éveiben Grastyán sem tudott dönteni a jövőjéről. Mivel kezdetben semmi nem keltette fel igazán az érdeklődését, úgy döntött: papnak tanul, hogy a filozófiába némi betekintést nyerjen. De elméje túlontúl is kíváncsi és kétkedő volt ahhoz, hogy lelkésszé válhasson. Végül a II. Világháború utáni viharos években egy orvosi karra került, és Lissák Kálmán asszisztense lett. Lissák, aki Grazban Otto Loewi tanítványa volt, utóbb pedig Walter Cannon asszisztense a Harvardon, visszatért Magyarországra, majd éppen a háború előtt az élettani intézet igazgatójának nevezték ki. Grastyán és Lissák – szerencsés párosításnak bizonyult. Lissák természetesen, a Loewivel töltött évek folytán jó sokat tudott a ritmusokról; ugyanis Loewi volt az, aki először bizonyította, hogy a vagus ideg és a szívizom közti szinapszisban kémiai anyag – idegi hírvivő – szabadul fel.

Lissák Kálmán

Noha Grastyán talán Lissák legközelebbi barátja volt, ők ketten annyira különböztek, amennyire csak lehet. Lissák tartózkodó ember volt, előadásait kevesen látogatták. Ezzel szemben Grastyán előadóművész volt, aki szemináriumait gondosan megkomponálta és -koreografálta. Az egyetem hatalmas előadóterme mindig tömve volt, még a szomszédos jogi karról is átjöttek diákok, hogy hallgassák szuggesztív előadásait. Akkora lelkesedést keltett, hogy mi, hallgatók meg voltunk győződve: az általa taglalt témák a legfontosabbak a világon. Azon a bizonyos 1970 áprilisi előadáson arról beszélt, hogy az agy outputjai, mint a mozgás vagy a kogníció, hogyan kontrollálják az inputjait (és nem fordítva). Fő gondolata az volt, hogy az élő rendszerekben a kontroll az outputtal kezdődik. Ez az agy további evolúciójának kiindulópontja. A kogníció célja még a legbonyolultabb állatoknál is a cselekvés irányítása. Az első egyszerű biológiai rendszereknek valójában nem is voltak inputjaik; nem volt szükségük rájuk. Mindössze egy gazdaságos motoros outputot használtak, az izmok ritmikus összehúzódását. Ez természetesen csak akkor elegendő, ha a tengeri környezetben bőséges táplálék áll rendelkezésre. Az élet bonyolultabb formái ebből az egyszerű megoldásból fejlődtek ki, az egyszerű ritmikus output módosításával. Az irány és a távolság érzékelése csak a térben való mozgás „feltalálása” után fejlődött ki. Az output általi kontroll és a visszacsatolás ma is jelentős gondolat. De akkoriban, amikor keleten a pavlovi szenzoros-szenzoros asszociáció volt a vezető ideológia, a nyugati gondolkodást pedig az inger-döntés-válasz paradigma uralta, Grastyán tanításai finoman szólva is szokatlanok voltak.

Előadása után rohantam haza, hogy elolvassam a hivatalos tankönyvünk vonatkozó fejezeteit, de csak azt állapíthattam meg, hogy amit azon a délelőttön hallottam, arról egy árva szó sem esik. Mindenesetre Grastyánnak az agy szerkezetéről szóló bevezető előadásával egyetemi életem új értelmet nyert. Eredeti tervemet, hogy villamosmérnöknek tanulok, szüleim megvétózták: az orvosi és a jogi fakultás között választhattam. Miközben barátaim élvezték a budapesti Műszaki Egyetemet, izgalmas dolgokat tanultak a rádióadásról és az elektronikus oszcillátorokról, én az időm nagy részében a csontok és inak végtelen sok részletét tanulmányoztam. De Grastyán a fiziológia előadásán olyan izgalmas kérdéseket tárgyalt, amelyek valóban felvillanyoztak. Jelentkeztem hozzá gyakornoknak, és egyetemi éveim nagy részét az ő laboratóriumában töltöttem.

A legjobb képzést Grastyán laborjában kaptam, ugyanis részt vettem a rendszeres ebédszüneti beszélgetéseken, amelyek órákig is eltarthattak, s a témák összevissza kanyarodtak az agy homeosztatikus szabályozásaitól bonyolult filozófiai kérdésekig. Először egy ilyen ebéd idején hallottam a hippokampális théta ritmusról, arról az oszcillációról, amely azóta is a vesszőparipám.

Amint azt többször is észrevettem pályám során, a tudomány kötetlen ebéd-szemináriumokon való megtárgyalását nemigen helyettesíthetik a formális előadások, vagy bonyolult tudományos cikkek. A szemináriumokat átlagos embercsoportokra szabják, azzal a naiv feltételezéssel, hogy a hallgatóság minden részletet megjegyez, továbbá követi és elfogadja az előadó alaplogikáját. Ezzel szemben az asztali beszélgetések lényege az alaplogika megkérdőjelezése, törekvés a tisztázásra és a leegyszerűsítésre, magyarázatok és válaszok keresése szigorú napirend nélkül. Ilyenkor nem az a lényeg, hogy minden nagy téma sorra kerüljön, hanem hogy eljussunk a legapróbb részletek teljes megértéséig. Természetesen jól tudunk követni egy előadást, ha a téma releváns szakirodalmát megkerestük és elolvastuk. Az idegtudomány legtöbb izgalmas eredménye azonban el van rejtve szaklapok gyakran valamilyen ezoterikus nyelven fogalmazott apróbetűs részében, amelyet legfeljebb csak néhány specialista ért meg. Elárasztva a különféle rész-részterületek új és fontos felfedezéseivel, a magamfajta gyakorló idegtudós hajlamos megfeledkezni arról, hogy az idegtudománynak döbbenetes jelentősége van korunk társadalma számára. Ez ugyanis olyan bonyolult kérdésekkel küszködik, mint a társas viselkedés, a depresszió és az agy öregedése. Nehéz megjósolni, hogy a számos alapvető fontosságú felfedezés közül melyik tudna radikális változást hozni e nagy területeken; ha pedig nem mutatjuk be őket, akkor észrevétlenek és hatástalanok maradhatnak. Ennek fő oka, hogy a cikkeinkben a szuperspecialistáknak adott magyarázatok a laikusok számára alkalmasint megfejthetetlenek. Ha nem próbáljuk meg munkánkat időről időre tágabb kontextusba helyezni, megfosztjuk magunkat annak esélyétől, hogy a kutatás makroszkopikusabb, valamint mikroszkopikusabb szintjeihez is kapcsolódhassunk. A felfedezések és meglátások csak akkor mutatják meg erejüket, ha mások is megértik őket. Ez volt az, ami jelen kötet megírását elsősorban motiválta.  

Az idegtudomány néhány meglepő áttöréssel szolgált, kezdve a nem invazív agyi képalkotástól egyes összetett folyamatok és kórállapotok molekuláris mechanizmusainak feltárásáig. Ami azonban az agyat annyira sajátossá, minden más élő szövettől alapvetően eltérővé teszi, az működésének időbeli szervezettsége. Ezen a ponton válik elengedhetetlenné az idegi oszcillátorok kutatása, egyben ez köti össze e kötet témáit az idegtudomány többi területével. Az idegtudományban elért csodálatos haladással párhuzamosan egy másik diszciplína is felbukkant: a komplex rendszerek számos területet átívelő új tudománya. Az utóbbi évtized során ugyanannyit tanultam az agyról a fizika, a mérnöktudomány, a matematika és a számítástechnika új ágairól szóló írásokból, mint a közvetlenül az idegszövettel foglalkozó cikkekből.

Egyben biztosak lehetünk: az emberi agy a természet által valaha is alkotott legbonyolultabb gépezet. De az is izgalmas, amikor olyan fogalmakat, mechanizmusokat és magyarázatokat kell keresnünk, amelyek sok különböző rendszerben közösek, s átfogják az élő és élettelen kettősségét. Olyan, látszólag valószínűtlen források, mint a fraktálok és az internetes kommunikáció, új ötleteket adtak az idegi hálózatok megértéséhez. Célom egyrészt, hogy szemléltessem: ez az új tudás hogyan épül be lélegzetelállító gyorsasággal az idegtudományba; másrészt, hogy izgalmas felfedezésekkel ismertessem meg az idegtudósokat, a pszichiátereket, az ideggyógyászokat, továbbá a komplex rendszerek iránt érdeklődő számítástechnikusok, fizikusok, mérnökök és matematikusok egyre népesebb táborát. Rejtett szándékom pedig, hogy ezen új felfedezések leírásával laikusokat is az agyi ritmusok rajongóivá tegyek.

Emlős idegi hálózatának első részletes térképe, forrás: Nature.com

Az agy kódjának megfejtése tartós hatással lesz társadalmunkra. Ez immár nem csak néhány beavatott intellektuális foglalatossága. És több, mint „csupán” az agyi egészség kérdése, amely az Egyesült Államokban milliókat, világszerte még többeket érint. Ahogy Robert Noyce, az integrált áramkör egyik feltalálója mondta:

Robert Noyce, 1959.

Most, hogy gazdaságunk, pénzintézeteink, oktatási rendszerünk, kutatási programjaink, elosztási rendszereink, emberi interakcióink, politikánk és honvédelmünk mind számítógép- és internetfüggő lett, e kutatás sürgetőbb, mint valaha. Ez az új tudás az agyról remélhetően nem csak új számítógép-architektúrák tervezését inspirálja majd, nem is csak hatékonyabb és biztonságosabb elektronikus kommunikációt, hanem önmagunk jobb megértését is előmozdítja. A könyvek, a számítógépek és az internetes kommunikáció externalizáltak bizonyos agyi funkciókat, az emberiség összegyűlt tudása számára pedig szinte korlátlan tárolási területet biztosítanak.

Ugyanakkor ez a külsővé tett információ pontosan annyira hasznos, amennyire hozzáférhető. A jelenleg létező keresőmotorok, mint a Google és a Yahoo, nagyon nem hatékonyak (noha jelenleg a legjobbak az elérhetők közül) ahhoz képest, ahogy az agy vissza tudja nyerni az epizodikus információkat. Ennek oka, hogy az ideghálózatok alapvetően más stratégiákat használnak az események és történetek töredékekből való helyreállítására, mint a keresőmotorok. Agyunk keresési stratégiáinak megértése lehetővé teheti számunkra, egyének számára, hogy az emberiség összegyűjtött tudásához jobban hozzáférjünk. 

Az idegtudományok iránt érdeklődő szélesebb közönséghez szólni jóval fáradságosabb, mint szakcikkeket írni. A tudományon túl előtérbe kerülnek maguk a tudósok is, és a szaklapokban szándékosan kihagyott metaforák is felbukkannak. Ez a folyamat a szakma nézőpontjából elkerülhetetlenül a kezdőknek szóló túlegyszerűsítésekhez, olykor redundanciákhoz vezet. Hogy megkönnyítsem az elkerülhetetlent, megírtam egy, reményeim szerint mindvégig könnyen olvasható főszöveget. Minden szakasz rövid összefoglalóval végződik, amely kiemeli a mondanivaló lényegét. A főszöveget kiterjedt lábjegyzetek egészítik ki. Ezek némelyike az újszerű kifejezések meghatározása. A legtöbb jegyzet viszont a felkészültebb olvasók számára nyújt további fontos információkat, szakirodalmi utalásokkal. Szándékosan választottam ezt a formát: így a fő szöveget és annak bonyolultabb elágazásait anélkül szőhettem egybe, hogy megtörtem volna a gondolat menetét. A lábjegyzetekben lévő megjegyzésekből és idézetekből egyre gyarapodó fa nő ki, melynek összefonódott ágait érvek, hipotézisek és felfedezések alkotják.   

Ford.: Jakabffy Éva, 2016.