Ugrás a tartalomhoz

Az orvosi élettan tankönyve

Attila, Fonyó (2011)

Medicina Könyvkiadó Zrt.

42. fejezet - A kognitív működések szerveződése

42. fejezet - A kognitív működések szerveződése

Az elmében lejátszódó folyamatok lokalizálhatóságát a 19. század elején először a neuroanatómus Franz Joseph GALL vetette fel: szerinte az egyes mentális („szellemi”) működések a központi idegrendszer különböző részeinek működését tükrözik. Korai meglátását abban az időben semmilyen tudományos megfigyelés nem támasztotta alá, és követői egy sereg hibás következtetésre jutottak. Jelenlegi nézetünk, amely szerint meghatározott mentális működések jól meghatározott agyi struktúrákhoz kapcsolódnak, a neuroanatómia, neurofiziológia, neuropatológia és klinikai neurológia fejlődésével párhuzamosan alakult ki.

Előbb post mortem vizsgálattal, később pedig in vivo képalkotásos módszerekkel mutatták ki, hogy a kétoldali temporalis area (planum temporale) nagysága különbözik. A vizsgált emberek 65%-ában a bal oldali, míg 10%-ában a jobb oldali struktúrák bizonyultak nagyobbnak, és a vizsgált emberek mindössze 25%-ában volt a két oldal hasonló méretű. A morfológiai aszimmetria már a magzatban is kimutatható. A két agyfélteke közötti funkcionális különbségek szisztematikus vizsgálata alapján R. Sperry a beszéddel összefüggésben álló féltekét domináns, a másikat nem domináns féltekének nevezte el.

Asszociációs areák és a féltekék együttműködése

Az agykéreg asszociációs areái

Az agykéreg szenzoros és szomatomotoros működéseit a 34−38. fejezetekben ismertettük. Az agykéreg funkcionálisan azonosított mezőit a 42-1. táblázat foglalja össze. A szenzoros és szomatomotoros mezők az agykéreg teljes felületének kevesebb mint 50%-át teszik ki. A szenzoros és szomatomotoros területeken kívüli agykérget nevezzük asszociatív kéregnek. Az elnevezés eredetileg abból a feltevésből származott, hogy ezek a corticalis areák jelentenék egyrészt a szenzoros és a szomatomotoros funkciók közötti kapcsolatot, másrészt a különböző specifikus érzőpályákból származó információk integrációját. Az asszociatív kéregterületeknek azonban ezen túlmenően alapvető szerepük van az emberi cselekvések irányításában, a gondolkozásban és az intellektuális aktivitásban. Az összehasonlító anatómia adatai nyilvánvalóvá teszik az asszociatív kéreg domináló szerepét a specifikusan emberi funkciókban: az asszociatív kéreg emberben sokkal nagyobb kiterjedésű, mint bármely más gerinces fajban.

Az asszociatív kérget három nagyobb részre osztjuk (42-1. ábra): a praefrontalis, a limbicus és a parieto-temporo-occipitalis kéregre. Ezek a kéregrészek információikat a magasabb rendű (nem primer) szenzoros areákból kapják, így az asszociatív kéregben különböző szenzoros modalitások konvergálnak. Az asszociatív kéreg egyes területei egymással is kétoldalú kapcsolatban állnak. A különböző kéregmezők közötti összeköttetés sohasem horizontális, hanem vertikális; az egyes areák a kéreg alatti struktúrákon keresztül állnak kapcsolatban.

Emberben az egyes asszociációs areák specifikus szerepére először a funkcionális deficit és a post mortem vizsgálattal talált sérülés összefüggéséből következtettek (l. a 33. fejezetet). Így a 19. század második fele óta ismert, hogy mely területek sérülése jár a beszédképesség elvesztésével (l. alább); amint említettük, ez alapvető jelentőségű volt az elme (mind) és az agy (brain) viszonyának elemzésében (mind-brain relationship). Jelenleg a funkciók lokalizálásában nélkülözhetetlen vizsgálati módszert jelentenek a képalkotó eljárások, mint a PET és a fMRI, amelyek nemcsak a deficitet (azaz a laesio helyét) mutatják ki in vivo, hanem ép körülmények között „teszik láthatóvá” az éppen aktív területeket, segítenek az agy egyes működéseinek in vivo feltérképezésében.

42-1. ábra. Az agykéreg asszociációs mezői (lateralis nézet) . E. R. Kandel, J. H. Schwarz és T. M. Jessel (1991): Priciples of Neural Science. 3. kiadás. Prentice-Hall Inc. Englewood Cliffs, New Jersey, alapján]

10.14. táblázat - 42-1. táblázat . Az agykéreg főbb motoros, szenzoros és asszociatív mezői . E. R. Kandel, J. H. Schwartz és Th. M Jessell,. (1991): Principles of Neural Science. 3. kiadás, Prentice-Hall International Inc. Englewood Cliffs, New Jersey, 824. alapján]

Funkció

Lebeny

Brodmann-area

Motoros

frontalis

4, 6, 8

Szenzoros

vizuális

auditív

szomatoszenzoros

Occipitalis, temporalis

Temporalis

Parietalis

17, 18, 19, 21, 20, 7

41, 42, 22

1, 2, 3, 5

Asszociatív

polimodális-szenzoros, beszéd

kognitív, motoros tervezés

emóciók, emlékezet

Parietalis, temporalis, occipitalis

Frontalis

Parietalis, temporalis, frontalis

39, 40, 19, 21, 23, 37

6-os areától rostralisan

23, 24, 38, 28, 11


A félkövér számok a primer motoros, ill. szenzoros areát jelzik

A „split-brain” („hasított agy”) szindróma

Egyes epilepsziás betegekben, akiknek gyógyszeres kezeléssel befolyásolhatatlan görcsrohamai az egyik testfélről a másikra terjedtek, a corpus callosum és a commissura anterior sebészi átmetszésével előzték meg a görcsrohamok átterjedését a másik testfélre. A sebészi beavatkozást követően az operált („hasított agyú”) betegek (általánosan elterjedt angol elnevezéssel split-brain patients) agyi működése felületes megfigyeléssel normálisnak tűnik. Céltudatosan alkalmazott kognitív pszichológiai módszerekkel azonban a szellemi funkciók defektusai kimutathatóvá váltak.

Ha a corpus callosum ép, a vizuális ingerek mindkét féltekébe eljutnak és feldolgozásra kerülnek. A corpus callosum átmetszése után, egy megfelelő optikai berendezés segítségével, lehetőség van valamely vizuális ingert (vetített tárgy, szó stb.) vagy csak a bal, vagy csak a jobb féltekébe juttatni. A domináns (többnyire a bal) féltekébe vetített tárgyat a vizsgált személy minden további nélkül felismeri és megnevezi (verbalizálás). A képet a nem domináns (többnyire a jobb) féltekébe vetítve azonban nem képes annak megnevezésre (hiányzó verbalizálás), magát a tárgyat azonban felismeri, és az eléje tett tárgyak közül kiválasztja (nem verbális felismerés). A domináns féltekébe vetített leírt szót minden további nélkül elolvassa, azonban a nem domináns féltekébe vetített egyszerű szóképet (pl. C I C A) nem képes elolvasni, de jelentését felismeri, és az eléje tett képen kiválasztja a macskát. A nem domináns félteke ugyan nem képes a verbalizálásra, de képes a percepciós analízisre, motoros parancsok kiadására, tanulásra és van emlékezete. A domináns félteke analitikus: a feladatokat elemeire bontja, és lépésenként oldja meg. A nem domináns félteke viszont az információk szimultán feldolgozásával végzi el a feladatot.

A beszéd idegrendszeri szervezése

Az embert alapvetően a beszélt, megértett és gondolt nyelv teszi személyiséggé. Ezen tág értelemben vett nyelv teszi lehetővé a társadalomba való beilleszkedést. Mentálisan egészséges egyének nyelvtanilag és szemantikailag helyes nyelvhasználata a gyermekkor első négy évében fejlődik ki.

A társadalmi szerveződés jelenlegi fejlettségi fokán a nyelvi közlés kimondott vagy leírt szavakkal, vagy az azokat helyettesítő kézjelekkel (jelbeszéd) történhet. A nyelvet tehát a hallószerv és/vagy a látószerv receptorai közvetítik. A továbbiakban – az egyszerűség kedvéért – a „beszédképesség” fogalmán a közlés és a megértés képességét értjük. A beszédképesség elvesztése az aphasia.

A beszédképesség meghatározott központi idegrendszeri struktúrák épségéhez kötődik. A klinikai neurológia megszületésének korszakában előbb a szavak kimondásának és leírásának zavara, majd a kimondott és a leírt szavak megértési képességének elvesztése voltak az első olyan „intellektuális” funkcióvesztések, amelyeket a post mortem lelet alapján az idegrendszerben lokalizálni lehetett. Bár a beszédképesség idegrendszeri szervezése végül sokkal bonyolultabbnak bizonyult, mint azt eredetileg gondolták, P. P. Broca, valamint K. Wernicke elképzelései a különböző beszédösszetevők eltérő lokalizációjáról, valamint azok szelektív sérüléséről alapjában ma is érvényesek. A beszédképesség lokalizációja áttörést jelentett a központi idegrendszer működésének megértésben, és alapvetően meghatározta elképzeléseinket a központi idegrendszer működésmódjáról és szerepéről a szellemi működésekben.

A beszédkészségért felelős struktúrák elhelyezkedése

Broca vizsgálatai óta ismert, hogy az emberek nagy részében a beszédképesség a bal féltekében lokalizált. Ez összefügg a „kezesség”-gel (azaz az egyén melyik kezét használja elsődlegesen). A „jobbkezes” egyének beszédközpontja túlnyomóan a bal oldalon van. A „balkezes” személyek nagy részének (kb. 70%) beszédközpontja – a jobbkezesekéhez hasonlóan – szintén a bal oldalon helyezkedik el, és csak mintegy 15%-ukban foglal helyet a jobb oldalon. A „balkezes” személyek további 15%-ában a beszéd bilaterálisan lokalizált. (Az emberek mintegy 80%-ában a beszéd megértése ugyan a bal parietalis lebenyhez kapcsolódik, azonban a beszédfunkcióban valamilyen szerepe a jobb oldali parietalis mezőnek is van. Ezen utóbbi terület sérülése után a beteg nem képes felfogni a beszéd nem szintaktikus tartalmát, azaz a hang emocionális színezetét.)

A beszédközpont oldal szerinti elhelyezkedését in vivo az ún. „amitálteszt” segítségével határozzák meg. A nátrium-amitál gyorsan és rövid ideig ható barbiturát altatószer, amelyet az egyik oldali arteria carotisba fecskendeznek, miközben a vizsgált személy számol. Az így adott amitál csak a befecskendezés oldalán hat. Ha az injekciót a beszédközpont oldalán adták, a folyamatosan számoló beteg abbahagyja a számolást.

A beszéd motoros összetevője, az értelmes szavak verbális vagy irásbeli kifejezése a Broca-féle mező (Brodmann 45-ös area, 42-2. ábra) működéséhez kapcsolódik. Az area szerepét mutatja a PET-vizsgálat, amellyel beszéd alatt véráramlásfokozódás (azaz aktivitás) mutatható ki. Az area kiterjedt sérülése a verbális kifejezés (szókimondás) megszűnéséhez vezet (Broca-féle aphasia), ami agraphiával, a szavak leírási képességének megszűnésével társul. A Broca-féle area izolált sérülését követően a beteg megérti a szóban adott utasítást, annak megfelelően cselekszik is – azaz a megértési funkció megmaradt –, de nem képes mondatot formálni, és többé-kevésbé képtelen hallott és jól megértett szavakat visszamondani.

Hogyan jut el az információ a Broca-féle areához?

Az első, Wernicke által szerkesztett modell a post mortem tapasztalt patológiai elváltozásokon alapult. Wernicke ebben a modellben a beszélt és az írott nyelv megértését a Wernicke-féle mezőbe (Brodmann 22-es area) helyezte; a Wernicke- és a Broca-féle areák közötti összeköttetést a fasciculus arcuatus képezi.

A Wernicke-féle modellt Geschwind egészítette ki (42-3. ábra); az ő modellje alapját a PET-vizsgálatok, valamint újabb patológiai adatok képezték. Ezen modell szerint a hallott szavak megértése során az információ a primer (Brodmann 41-es) és a szekunder (Brodmann 42-es) hallókéregből a parieto-occipito-temporalis kéregben lévő gyrus angularison keresztül (Brodmann 39-es area) jut el a Wernicke-areába (ez eddig megegyezik a Wernicke-féle modellel). Az eredeti Wernicke-féle modelltől eltérően azonban a vizuálisan érkező információ, mint pl. a leírt szöveg, a primer és szekunder látókéregből (Brodmann 17-es és 18-as area) közvetlenül jut el a Broca-féle areához, azaz elkerüli a Wernicke-féle areát. Ezek szerint az auditív pályán érkező (hallott) és a vizuálisan befutó (olvasott) szöveg modalitásspecifikus pályákon keresztül éri el a Broca-féle areát. A Wernicke–Geschwind-modell további kiegészítése, hogy az ismertetett (az emberek nagyobb részében bal oldali) kérgi struktúrákat azonos oldali subcorticalis struktúrák, így a thalamus és a nucleus caudatus is kiegészítik.

A Wernicke-féle area sérülése után a beteg nem képes megérteni a szavakat, azaz a beszéd felfogása súlyosan károsodott, ezért az egyén nem képes végrehajtani a szavakkal közölt utasításokat (Wernicke-féle aphasia). Ha a laesio nagy kiterjedésű (az esetek többségében ez a helyzet), akkor az areák közelsége miatt ez az aphasia alexiával kombinálódik, az írott szavak megértése is nehézségbe ütközik.

Lényeges különbség a Broca-féle és a Wernicke-féle aphasiák között, hogy a Broca-féle aphasiában a beteg teljesen tudatában van a defektusnak, míg a Wernicke-féle aphasiában egyáltalán nem fogja fel helyzetét. Minthogy képes szavakat formálni, ezt minden értelmes tartalom nélkül teszi meg („logorrhoea”, „üres fecsegés”).

A Broca- és a Wernicke-areákat összekötő fasciculus arcuatus sérülése az ún. „konduktív típusú aphasiá”-hoz vezet: a megértési funkció elfogadható mértékű, de a betegnek nehézségei vannak a hallott szavak megismétlésében.

42-2. ábra. A beszédben szereplő kérgi areák lokalizációja (bal oldali lateralis nézet) . N. Geschwind (1979): Specialization of the human brain. Sci. Am. 241. 180-199. alapján

42-3. ábra . A szófeldolgozás neuralis szerveződésének vázlata . S. E. Petersen és mtsai (1988): Positron emission tomographic studies of the cortical anatomy of single-word processing. Nature 331, 585-589. Alapján. A vázlat nem tünteti fel a beszéd megértésében szereplő valamennyi struktúrát

Az idegrendszer plaszticitása: tanulás és memória

A idegrendszer működésében a változatlan, veleszületett működések mellett egy sor változó, a szervezet előéletétől – emléknyomoktól – függő elem is van, amelyek meghatározzák a magatartást (angolul, brit helyesírással behaviour). A különböző ingerekkel kiváltott válaszok az élőlény egyedi történetétől függően változhatnak: reakciók eltűnhetnek vagy felerősödhetnek, új reakciók léphetnek fel, majd azok ismét el is tűnhetnek (az idegrendszer plaszticitása). A szervezet magatartását az állandó (genetikailag meghatározott) és a változó („tanult”) reakciók együttesen határozzák meg.

Az idegrendszer emléknyomtárolása, a memória két főbb kategóriára oszlik: az egyik közülük az implicit (nem deklaratív), a másik az explicit (deklaratív) emlékezet (42-4. ábra). A kétfajta emlékezet eltérő idegrendszeri struktúrák működésén alapul; egyes struktúrák sérülése vagy az egyik, vagy a másik emlékezetfajta károsodását vonja maga után.

42-4. ábra . A deklaratív (explicit) és a nem deklaratív (implicit) memória . B. Milner, L. Squire és E. R. Kandel (1998): Neuron, 20. 451. Nyomán. „Priming”: a kezdeti jelzés megadására memóriatartalom kiegészítése; habituálódás: az ingerre adott válasz nagysága az ismétlődésekkel fokozatosan csökken; szenzitizálódás: az ingerre adott válasz nagysága az ismétlődésekkel fokozatosan növekszik

Az implicit (nem deklaratív) emlékezet

Az implicit emlékezet nem tudatosul, magatartásban, viselkedési, motoros vagy szekréciós működésben nyilvánul meg, akaratlagosan nem aktiválható és tartalma nem szavakban fejeződik ki (azaz nem deklarálható). Ez az emlékezetfajta csak ismétlődő kondicionálással, hosszabb tanulási periódus után alakul ki, és automatikus magatartáshoz vezet. Az implicit emlékezet kategóriájába tartoznak az asszociatív emlékezetrögzítés (a klasszikus és operáns kondicionálás, l. alább), a procedurális emlékezet (begyakorlott tevékenységek, mint pl a hangszeres zenélés) és az angol nevén ismert, egyértelmű jelentésű „priming” (meglökés, előhívás) (ami egy nehezen előhívható memóriatartalom felidézésének elősegítése egy „kulcs”, pl. a kért név kezdetének megadásával). Végül ide sorolunk egyes nem asszociatív tanulási formákat (az ingerekhez való hozzászokás, habituálódás, továbbá az ingerekkel szembeni érzékenység fokozódása).

Az implicit emlékezet egyes típusai meghatározott agyi régiók épségéhez kötöttek, így vagy a neostriatum, vagy az amygdala, vagy a cerebellum épségéhez (l. a 42-4. ábrát), ezért a megfelelő régió sérülését követően ezek az emlékezettípusok károsodnak. (Az implicit emlékezet ugyanakkor nem károsodik azon agyi területek izolált sérülésekor, amelyek az explicit emlékezet kialakulását lehetetlenné teszik.)

Mind az implicit, mind az explicit memória kialakulásában – azaz a tanulásban – az emocionális tényezőknek, a kellemes és a kellemetlen összetevőknek jelentős szerepük van, emocionális színezetű ingerek sokkal rövidebb idő alatt alakítanak ki emlékezetet, és az emléknyom sokkal tartósabb. Az emocionális tényező feldolgozásában az amygdala nélkülözhetetlen szerepet játszik, amygdalasérülést követően a tanulási folyamat károsodik. A világba, ezen belül a szociális környezetbe való beilleszkedés, adaptáció alapfeltétele az a felismerési képesség, hogy bizonyos ingereknek „kellemes”, másoknak pedig „kellemetlen” következményei vannak. Ez a képesség az alapja az „inger → jutalmazás” és az „inger → büntetés” konstellációk megtanulásának. A tanulásához elengedhetetlen, hogy a primer (esszenciális, valóban lényeges) tulajdonságokhoz másodlagos (felszínes, nem esszenciális) tulajdonságok csatlakozzanak: ezek jelzik a primer tulajdonságok meglétét (és ezzel a lehetséges következményeket), a másodlagos tulajdonságokból fakad az asszociáció az elsődleges tulajdonság következményére.

Ha főemlősökben az amygdala sérült vagy eltávolították, az állat ugyan képes a primer tulajdonságok „kellemes” vagy „kellemetlen” következményei között különbséget tenni, de nem képes a másodlagos (lényegtelen) tulajdonságokat az elsődleges tulajdonságokkal összekapcsolni (asszociálni), azaz egyes helyzetekben nem látja be a „lényegtelen” tulajdonságoknak esetleges fenyegető következményeit. Ezen defektus következménye, hogy az amygdalasérülést szenvedett majom nem emlékezik viselkedésének negatív következményeire, képtelen a csapatba integrálódni, kiközösített, „kitaszított” lesz.

Az implicit emlékezetnek, az ehhez fűződő válaszoknak alapvető szerepük van a környezethez (beleértve a szociális környezetet is) való alkalmazkodásban, a környezet jelzéseinek magatartási reakciókká konvertálásában. Erre példa a 40. fejezetben ismertetett feltételes félelmi reakció. Félelmi reakciót semleges ingerekre is ki lehet építeni (averzív kondicionálás): ez az amygdala részvételét igényli. Ha egy semleges ingert (pl. fény- vagy hanginger) ismételten a fájdalmas ingerrel egyidőben, vagy közvetlenül azt megelőzően adunk, a „tanulási szakasz” (kondicionálás) után az eredetileg teljesen közömbös inger egymagában alkalmazva is kiváltja a félelmi reakciót, annak minden autonóm, viselkedési és endokrin összetevőjével (42-5. ábra). (A kísérleti szituáció környezete – eredetileg semleges inger – egymagában is képes a félelmi reakciót kiváltani; erre triviális példa a fogorvosi rendelő.) Emberben végzett kísérletekben a feltételes félelmi reakció során fMRI-vizsgálattal kimutatható az amygdalában a véráramlás fokozódása. Az amygdala sérülését követően viszont hiányzik a feltételes félelmi reakció.

42-5. ábra . A félelmi reakció kapcsolási vázlata az amygdalában . E. A. Phelps és J. E. LeDoux (2005): Neuron 48. 176. Nyomán. Az ábra jobb oldalán egy fájdalmas ingerrel kiváltható reakció pályáját, a bal oldalon pedig erre kiépített feltételes reflex pályáját mutatjuk be.CE: centrális amygdala; CG: központi szürkeállomány; LA: lateralis amygdala; LH: lateralis hypothalamus; PVN: paraventricularis mag

Pavlovi és operáns kondicionálás

A tanulás és a memória kutatása a 20. század elején vette kezdetét. I. P. Pavlov, a gyomor-bél rendszer vizsgálatának során először véletlenül vette észre, hogy a nyálmirigy szekréciója nemcsak a táplálék ingerlő hatására indul meg, hanem abban a szituációban is, amelyben az állat (Pavlov kutyákon végezte kísérleteit) rendszeresen táplálékot kapott (l. a 21. fejezetet). A jelenséget Pavlov feltételes reflexnek nevezte el. Ugyanezekben az években az amerikai pszichológus, E. L. Thorndyke felismerte, hogy kísérleti állatai (Thorndike patkányokat vizsgált) véletlenszerű tevékenységük és a kísérletező által irányítottan és szabályszerűen nyújtott „jutalom”, a táplálékadás között megtalálják az összefüggést. Ezt követően az állatok megismétlik azt a cselekvést, amelyet összefüggésbe hozhatnak a táplálékadással. A pavlovi feltételes reflex és a Thorndike-féle operáns kondicionálás indította el az asszociatív tanulás neurofiziológiájának vizsgálatát.

A feltételes reflexek kiépítése során két alkalmazott inger asszociálódik, a tanulás a két inger összefüggésének „felismerésén” alapul. Az egyik (feltétlen inger) az előélettől függetlenül vált ki választ (feltétlen válasz); a vizsgáló ehhez társít egy olyan semleges ingert (feltételes inger), ami önmagában nem vált ki választ. Kellő számú társítás után a feltételes inger egymagában kiváltja a reflexet (feltételes válasz, ill. feltételes reflex). Feltételes reflexeket nemcsak autonóm funkciókra, hanem fájdalmas ingerekkel kiváltott védekező motoros reakciókra is ki lehet építeni. Erre példa fényinger (vagy hanginger) társítása elektromos áramütéssel; a reflex kiépülése után a fény- vagy hanginger önmagában elhárító reakciót vált ki. Sokat vizsgált motoros feltételes reflex a „szemhunyorítási reakció”: a feltétlen inger rövid levegőáram a corneára, a válasz rövid ideig tartó szemhéjzárás („pislogás”): a reflex kiépítését követően a feltételes inger önmagában szemhéjzárást vált ki. Az emberen és állaton egyaránt kiépíthető motoros reflexen vizsgálták a feltételes reflex kiépítéséhez szükséges központi idegrendszeri struktúrákat, pl. kimutatható volt egyes kisagyi struktúrák (vermis, nucleus interpositus) szerepe a feltételes reakcióban. Ez utóbbiak kísérletes sértése megszüntette a feltételes reflexet, de a feltétlen reflexet nem.

A feltételes reflex kiépülését követően az megerősítésre szorul, azaz időnként a feltételes ingert társítani kell a feltétlen ingerrel; ellenkező esetben a reflex „kialszik”.

Szemben a két inger együttes adásával létrehozott feltételes reflexekkel, az operáns kondicionálás alkalmával a kísérleti állat kezdetben véletlenszerű tevékenysége (egy pedál lenyomása) esik egybe valamely „jutalommal” (táplálékadás az emeltyű lenyomására). Ameddig az állat éhes, működteti az emeltyűt: ebben az esetben a jutalom a tevékenységhez (magatartáshoz) társul. Ebbe a kategóriába tartozik a 40. fejezetben ismertetett öningerlés, továbbá eufóriát okozó drogoknak az állat általi bejuttatása a központi idegrendszerbe.

Az explicit (deklaratív) emlékezet

A deklaratív (más néven explicit)emlékezet mind pszichológiai, mind neurobiológiai szempontból különbözik az implicit emlékezettől. A deklaratív emlékezet azokat az eseményeket tárolja, amelyek az egyén életében valóban megtörténtek, és amelyeket szavakban meg lehet fogalmazni (azaz deklarálhatóak); a deklaratív emlékezet összehasonlítást és értékelést is tartalmaz. [A kognitív pszichológia megkülönbözteti a tényekre vonatkozó (szemantikus) és a történésekre vonatkozó (epizodikus) deklaratív memóriát, l. a 42-4. ábrát.] A deklaratív memória emlékei gyakran egyetlen alkalommal raktározódnak el. A deklaratív emlékezet tartalma tudatosan idézhető fel. Kiépítése olyan központi idegrendszeri struktúrákhoz kötött, amelyek az implicit emlékezetben nem szerepelnek. Bár a deklaratív emlékezet fenti megfogalmazásai nyilvánvalóan az emberre érvényesek, más emlősök is rendelkeznek olyan emlékezettel (pl. helyfelismerés), amelynek idegrendszeri lokalizációja hasonló, és ez az emlékezet kísérletes vizsgálata számára is hozzáférhető.

Az explicit emlékezet strukturális alapja

Az explicit emlékezet rögzítésének első lépcsője valamelyik (egy vagy több) polimodális asszociációs areában való feldolgozás (42-6. ábra). Ezek a kéregrészek szintetizálják az egyes csatornákon a központi idegrendszerhez érkező információkat (vizuális, auditív, szomatoszenzoros stb.). Az asszociációs kéregrészekből az információ tovább jut a medialis temporalis lebeny részeihez, sorban a parahippocampalis és perirhinalis kéreghez, innen az entorhinalis kéreghez. Az entorhinalis kéreg a sorban következő struktúra, a hippocampus fő bemenete, innen kerül az információ a gyrus dentatushoz, a hippocampus CA3 és CA1 mezőjéhez és a subiculumhoz. A hippocampus fő kimenő kapuja ismét az entorhinalis kéreg, ahonnan az információ a parahippocampalis és perirhinalis kérgen keresztül végül a tárolás helyére, az asszociációs areákba kerül. A medialis temporalis lebeny bármely részének sérülése vagy kiiktatása az új memóriatartalom tárolásának nehézségével jár (a régi memóriatartalom megmarad, l. alább a H. M. esetet). A medialis temporalis lebeny csak időleges állomás a tárolás folyamán. Az entorhinalis kéreg – minthogy a hippocampus fő be- és kimenő kapuja – különlegesen érzékeny része a memóriatárolásnak, és sérülései, pl. Alzheimer-kórban súlyos memóriazavarokkal járnak, a memóriazavar a kór első tünete. Lényeges azonban, hogy maga a memóriatartalom (az „engram”) nem a medialis temporalis lebeny felsorolt részeiben, hanem az asszociációs kéregben, specifikus lokalizációban tárolódik. A „tudás” minden egyes részlete – más és más szempontok szerint rendezve – elkülönülten raktározódik. Az eseményekkel kapcsolatos információk tárolásában központi szerepe van a praefrontalis asszociációs kéregnek, míg az explicit tanulás másik formája, a tények és egyéb ismeretek (szemantikus tudás) az asszociatív kéreg különböző helyein tárolt információk közti kapcsolatok kialakulásán alapulnak. Izolált kérgi defektusok szelektív memóriazavarral járnak, a már egyszer tárolt memória a laesio helyétől függően vész el (pl. szelektív arc- vagy helyfelismerési zavar).

42-6 ábra . A medialis temporalis lebeny deklaratív memóriában szereplő részei . L. R. Squire, C. E. L. Stark és R. E. Clark (2004): Annu. Rev. Neurosci. 27. 280. Után. A: a memória kialakulásának tömbvázlata. B: a memória kialakításában részt vevő idegi struktúrák elhelyezkedése

A medialis temporalis lebeny kétoldali sérülését követő amnézia klasszikus esete

A medialis temporalis lebeny kétoldali eltávolítását követő memóriazavar hívta fel a figyelmet ezen struktúra szerepére a deklaratív emlékezetben. (A sebészi eltávolítást a temporalis lebeny eredetű súlyos epilepsziás állapot kényszerítette ki.) Az elsőként operált beteg nevének kezdőbetűiről H. M. esetként vált híressé (l. a „Mérföldkövek”-et a fejezet végén). Kétoldali eltávolításra került az amygdala, a perirhinalis és entorhinalis cortex, továbbá az elülső hippocampus (42-7. ábra, a későbbi vizsgálatok szerint az amygdala nem része a deklaratív memória tárolásának, viszont szerepe van az emocionális reakciók kondicionálásában). A magatartási változásokra az alábbiak jellemzőek: 1. megtartott intellektus, változatlan IQ-érték, 2. a néhány perccel korábbi eseményekre vonatkozó rövid távú emlékezet megtartott, 3. a korai életkorra vonatkozó megtartott hosszú távú emlékezet, 4. anterográd amnézia, a beavatkozást követő eseményekre vonatkozó hosszú távú megjegyzőképesség teljes elvesztése. (H. M. soha többé nem tudott visszaemlékezni apja halálára, ami műtéte után következett be, és elköltözve régebbi lakásából, soha nem volt képes megtalálni új otthonát.)

42-7. ábra . A „H. M. eset” laesiója . B. Milner után. A: az eltávolítás ventralis nézetben. B: az eltávolított struktúrák három frontalis metszetben. A bal oldalon a tényleges műtéti beavatkozás mértéke, a jobb oldalon a műtét előtti struktúrák érzékeltetése (ezeket is eltávolították a műtét alkalmával)

A memória kialakulásának celluláris alapjai

Hosszú távú potenciálódás (LTP) a hippocampus synapsisaiban

A hippocampus valószínűleg synapticus struktúráinak nagyfokú plaszticitása folytán lényeges szerepet játszik a deklaratív memóriában és az asszociatív tanulásban. A hippocampus működési módjának megértésében áttörést jelentett a hippocampusból készített szeletek neuronaktivitásának eletromos regisztálása.

A hippocampuskomplex fő bemenetét a perforans axonok képezik; a pálya az entorhinalis cortexből ered, és az asszociációs kéreg számos areájából szállít információt a gyrus dentatushoz (42-8. ábra). A gyrus dentatus granularis sejtjeinek axonjai a CA3 mező piramissejtjeihez húzódnak, az innen eredő ún. Schaffer-féle kollaterálisok a CA1 mező piramissejtjein végződnek. Valamennyi synapsisban glutamát az ingerlő transzmitter, ami különböző típusú receptorokra hat (l. alább). A CA1 mező axonjai képezik a hippocampuskomplex fő efferens pályáját. A CA1 mező synapsisai szolgálnak az asszociatív tanulás elemi jelenségeinek egyik modelljeként.

A Schaffer-féle kollaterálisok viszonylag magas frekvenciájú impulzussorozattal való ingerlése, az ingerlési periódus befejezését követően, a CA1 piramidalis neuronokban a kiváltott EPSP-k nagyságát jelentős mértékben és hosszú időszakra (órákra, esetleg napokra) megnöveli. Ez a jelenség a synapticus áttevődés hosszú távú potenciálódása(long term potentiation, LTP), amelyet helyenként long-term enhancement (LTE) néven is említenek. Az LTP következménye a synapticus áttevődés hosszú távú facilitálása. Az LTP jelenleg az asszociatív tanulás celluláris mechanizmusának egyik modellje.

Az LTP kiváltásának előfeltétele több befutó axon egyidejű ingerülete, ennek szerkezeti alapja, hogy a CA1 piramissejten több befutó axon konvergál (asszociatív jelleg). Az LTP hátterében glutamáterg transzmisszió és két különböző glutamátreceptor, a nem NMDA-receptor és az NMDA-receptor térbeli közelsége és együttműködése áll (l. a 6-20. ábrát). Az LTP kialakulásának egyik jellemzője a postsynapticus sejt átmeneti depolarizációja, amit a glutamát valószínűleg a postsynapticus AMPA-receptoron (azaz egy nem NMDA-receptoron) keresztül vált ki. (A postsynapticus sejt elektromos depolarizációjának azonos hatása van.) A postsynapticus sejt folyamatos depolarizációja következtében az afferens végződésből felszabaduló glutamát képes lesz a postsynapticus sejten lévő NMDA-receptorok ioncsatornájának megnyitására, ezzel a postsynapticus sejt tovább depolarizálódik. A nyitott NMDA-csatornán keresztül Ca2+-ok is áramlanak a sejtbe. A további post- és praesynapticus hatásokat már a megnövekedett intracelluláris Ca2+-koncentráció okozza.

A megnövekedett Ca2+-koncentráció postsynapticusan hosszabb időre érzékenyíti a sejtet. Ez részben a génexpresszió és a synapticus struktúra változásaira vezethető vissza. Az LTP kialakítása következtében megnövekszik a felületegységre számított synapsisok száma, amit ingerléssel indukált synaptogenesis néven ismerünk.

A postsynapticus változások mellett az LTP-ben egy praesynapticus, retrográd hatás is szerepet játszik. Az LTP során a praesynapticus végződésből felszabaduló transzmitter mennyisége is megnövekszik. A postsynapticus sejtből olyan anyagok szabadulnak fel, amelyek a praesynapticus végződéshez diffundálva fokozzák a transzmitter exocytosisát. Ilyen retrográd transzmitter az NO.

A tartósan tárolt memória kialakulásának végső mechanizmusa a neuronok génexpressziójának megváltozása, a kiindulásihoz képest új synapticus kapcsolatok morfológiailag is kimutatható létrejötte.

A Hebb-féle synapsisok

Az eddig ismertetett synapticus folyamatokat „használattól-függő synapticus plaszticitás” (use-dependent synaptic plasticity) néven szokás összefoglalni. Ezt az elnevezést Donald O. HEBB részben a pszichológiai jelenségek értelmezése, részben intuíció alapján javasolta. Hebbet idézve „Ha egy A sejt axonja …… B sejtet ingerli, és gyakran vagy perzisztensen vesz részt annak aktiválásában, valamely növekedési folyamat vagy anyagcsere-változás keletkezik egyik, vagy mindkét sejtben, így az A sejt hatékonysága a B sejt működtetésében fokozódik”. A sejtek szintjén végzett neurofiziológiai elemzés igazolta Hebb ezen elképzelését; az ilyen jellegű synapsisokat Hebb-féle synapsisok néven említik.

Az explicit emlékezet kialakulásának stádiumai

Az explicit emlékezethez tartozó „tudás” megőrzésének legalább négy stádiuma van: ezek a bevésés („kódolás”), a megszilárdítás, a tárolás, végül a felidézés stádiumai. Jelen ismereteink szerint a medialis temporalis lebeny a bevésés és talán a megszilárdítás folyamataihoz szükséges; az előzőben említett H. M. esetében lehetetlenné vált az újonnan megszerzett információk néhány percen túli megőrzése, míg a temporalis lebeny eltávolítását megelőzően tárolt emlékek megmaradtak, és előidézhetők voltak. A bevésés, a feldolgozás első eseményének hatásfoka függ a figyelemtől, a megjegyzéshez fűződő motivációtól, továbbá hogy mennyire kapcsolható az új ismeret a meglévőkhöz. A megszilárdítás mindazon folyamatok összessége, amelyek az új, és még labilis információt hosszú távon stabilizálják: ez az a folyamatsor, amelyben a rövid távon lezajló synapticus folyamatok végül specifikus gének kifejeződéséhez, ezen keresztül pedig új fehérjék szintéziséhez, megerősödött vagy új synapticus kapcsolatok kialakulásához, strukturális változásokhoz vezetnek. Az ezt követő hosszú távú tárolás kapacitása elképzelhetetlenül nagy (a hosszú távú tároláshoz vezető rövid távú memória kapacitása ezzel szemben rendkívül kicsiny). A felidézés alkalmával az izolált, elkülönülő helyeken tárolt memóriatartalmak ismét találkoznak. A bevésés és a felidézés során jut szerephez a kis kapacitású és tartalmát csak rövid ideig tárolni képes munkaemlékezet.

A munkaemlékezet

A munkaemlékezet (az angol terminológiában working memory) másodpercekig képes tárolni az emlékeket, a mindennapi életben a beszédhez és minden tudatos cselekménysorhoz nélkülözhetetlen; elfogadható meghatározása szerint „egy letörölhető mentális írótábla, amely megengedi, hogy rövid ideig tároljuk …… a megértéshez, érveléshez és tervezéshez szükséges információt”.

A munkaemlékezet a feladatnak megfelelő specifikus szenzoros areák és a praefrontalis kéreg együttműködését igényli. A praefrontalis asszociatív mező a frontalis lebeny dorsolateralis felszínén található: szerepét a munkaemlékezetben emberen képalkotó eljárásokkal, egyéb főemlősökben elektromos elvezetések segítségével igazolták. Szerepét egy központi eligazító hivatalnokhoz (central executive officer) hasonlították, aki nyilvántartja, hogy mi történt már meg, és mi a következő elintéznivaló. A praefrontalis lebeny sérülését elszenvedett betegeknek súlyos nehézségeik vannak a munkaemlékezetet igénylő tervező és szervező működéseik során. (Majmokban a sulcus principalist körülvevő kéreg körülírt, viszonylag kicsiny sérülése a munkaemlékezet hiányosságaival jár.) Úgy tűnik, hogy a Brodmann 42-es area része a munkaemlékezetnek. A praefrontalis kéreg koordinációs működéseiben dopaminerg pályák szerepelnek; ezek időleges szelektív farmakológiai kiiktatása után megszűnik a motoros tervezés lehetősége. A schizophrenia nevű pszichiátrai megbetegedésben a dopaminerg innerváció tűnik hiányosnak, és egyes tünetek a hibás szomatomotoros tervezéssel magyarázhatók.

A rövid távú memória és a retrográd amnézia

Koponyatraumát („agyrázkódás”-t) követően a beteg nem emlékezik a traumát közvetlenül megelőző időszak eseményeire (retrográd amnézia); az amnéziás időszak – egyéntől és a trauma súlyosságától függően – néhány perctől akár évekig terjedhet. A nagyon régi emlékekre azonban az amnézia nem terjed ki. Minthogy a tárolt emlékek – legalábbis részben – visszatérhetnek, a memóriatartalom nem törlődik, hanem – feltételezés szerint – a visszakereső mechanizmus nem működik. Az emlékezet elvesztése időleges is lehet, a trauma után az emlékek visszatérhetnek. Hasonló elváltozások következtek be – a régebben terápiás beavatkozásként alkalmazott – elektrogörcsöt (elektrokonvulzió, „electroshock”) követően is. Ezek a megfigyelések vezettek a rövid és hosszú távú memória fogalmához: a munkaemlékezet a rövid távú memória kis kapacitású és csak nagyon rövid időszakon keresztül tárolni képes része. A rendelkezésre álló adatok szerint a rövid távú emlékezetet nem érinti a medialis temporalis lebeny sérülése, azonban – mint említettük – az emléknyom átvitele a rövid távú memóriából a hosszú távúba a hippocampus és a környező struktúrák épségét igényli.

Mérföldkövek

1848: J. M. Harlow, a helyi orvos ismerteti a vasúti előmunkás, Phineas Gage esetét, akinek előagyában a koponyájába hatolt vasrúd súlyos baleseti sérülést okozott. A baleset előtt Gage megbízható és szorgalmas ember volt. A baleset teljesen megváltoztatta személyiségét, munkakerülővé, megbízhatatlan alkoholistává, végül hajléktalanná vált. Ez volt az első jele, hogy az agy frontalis lebenye (ill. ahogyan ma tudjuk, a praefrontalis area) szerepet játszik a személyiségben (l. még a 33. fejezetben a „Mérföldkövek” c. részt).

1861: Pierre Paul Broca leírja azt a betegét, aki megértette a neki mondott szöveget, de nem volt képes beszélni vagy írni (Broca-féle aphasia). Az elhunyt beteg post mortem vizsgálata során a bal félteke azon területén találnak elváltozást, amelyet ma Broca-areának nevezünk. Broca 1864-es megfogalmazása szerint: „a bal oldali agyféltekénkkel beszélünk”.

1876: Karl Wernicke felfedezi az aphasia egy új formáját, amely különbözik a Broca által közölt formától. A háttérben álló kérgi sérülés helyét ma Wernicke-féle areának nevezzük. Wernicke feltételezi, hogy a beszédben motoros és szenzoros régiók működnek együtt, és a két „központot” a fasciculus arcuatus köti össze. Wernicke az aphasia egy további fajtájának a létezését is megjósolja, amely a fasciculus arcuatus sérülését követi; a későbbiekben ez a feltételezés beigazolódott.

1900-as évek: Ivan P. Pavlov orosz fiziológus különböző kongresszusokon tartott előadásaiban beszámol az általa „feltételes reflex”-nek nevezett tanult reflexekről. Az előadások csak később jelennek meg nyomtatásban, Pavlov könyvének angol nyelvű fordítása csak 1927-ben jelent meg: Conditioned Reflexes: An Investigation of the Physiological Activity of the Cerebral Cortex. Amint a rendkívül nagy hatást kiváltott könyv címéből is látszik, Pavlov meg volt győződve, hogy a feltételes reflexek az agykéreg aktivitását tükrözik, és számára soha nem jött szóba, hogy a központi idegrendszer egyéb területei is szerepelnek a reflexek keletkezésében.

1911: Megjelenik E. L. Thorndike pszichológus könyve (Animal Intelligence: Experimental Studies. Macmillan, New York), amelyben leírja az „operáns kondicionálás”-t, mint a tanulási folyamat egyik megközelítési módját.

1935: Carlyle Jacobsen – John F. Fulton laboratóriumában – eltávolítja csimpánzok frontalis lebenyének egyes részeit, és megállapítja, hogy a műtét után az állatok nem jönnek dühbe és tartósan elveszítik agresszivitásukat. (Fulton korának kiváló és befolyásos neurofiziológusa.) Jacobsen felfigyel rá, hogy a praefrontalis kéreg egyik alapvető funkciója a cselekvések időbeli elrendezése. Még ugyanabban az évben Antonio C. Egas Moniz portugál idegsebész pszichiátriai betegségben szenvedőkben hasonló sebészi beavatkozásokat hajt végre („pszichosebészet”), a rendkívül ellentmondásos terápiás próbálkozást később teljesen elhagyták.

1937: H. Kluver és P. C. Bucy kétoldalt eltávolítják rhesus majmok temporalis lebenyét, és leírják, hogy a műtétet követően az állatok nem félnek többé az addig rettegett kígyóktól, továbbá sok egyéb szokatlan táplálkozási és szexuális jelenséget is mutatnak. L. Weiskrantz 1956-ban feltételezi, hogy az ún. Kluver−Bucy-szindróma hátterében, az affektív reakciók elmaradásában az amygdala hiánya áll.

1949: Megjelenik Donald O. Hebb pszichológus könyve (The Organization of Behaviour. Wiley, New York), amelyben a kognitív pszichológia eredményei alapján „megjósolja” az emlékezet neurofiziológiai alapmechanizmusait. Azokat a synapsisokat, amelyek a Hebb által leírt módon működnek, ma Hebb-féle synapsisoknak nevezzük. Ugyanebben a művében Hebb elkülöníti egymástól a rövid és a hosszú távú emlékezetet.

1953: Az idegsebész W. B. Scoville az epilepsziában szenvedő, és minden egyéb terápiával szemben rezisztens H. M. beteg temporalis lebenyének egy részét mindkét oldalon eltávolítja, és felfigyel a műtétet követő súlyos memóriazavarra. Ugyanebben az időben Brenda Milner pszichológus és Wilder Penfield idegsebész hasonló tapasztalatokról számolnak be. Penfielddel konzultálva Scoville felkéri a kognitív pszichológia módszertanában járatos B. Milnert H. M. és a hasonló műtéten átesett betegek vizsgálatára. Scoville és Milner 1957-ben dokumentálja részletesen, hogy a temporalis lebeny medialis részének kétoldali sebészi eltávolítása után szelektív memóriazavar lép fel (a „H. M. eset”). H. M.-et egész további életében (több mint 3 évtizeden keresztül) figyelemmel kísérik, az 1990-es években MRI-vizsgálattal pontosan rekonstruálják a műtéti beavatkozás kiterjedését. H. M., a világ talán legtöbbet vizsgált betege, megtartott intelligenciája mellett több mint 40 éven keresztül amnéziás maradt.

1956: R. Sperry és munkatársai kidolgozzák azokat a módszereket, amelyekkel patkányokon, macskákon és majmokon vizsgálhatják az egymástól elválasztott hemispheriumok funkcióit. 1962-ben két idegsebész, Ph. Vogel és J. Bogen olyan epilepsziás betegen, akiben a féloldalt kezdődő epilepsziás rohamok befolyásolhatatlanul átterjedtek a másik oldalra átvágták a két hemisphaeriumok valamennyi összeköttetését (ezt megelőzően már megkísérelték hasonló betegeken ezt a beavatkozást), ezzel a beteg állapota rendeződött. Ezt követően a Sperry által kidolgozott módszerekkel M. S. Gazzaniga, Bogen és Sperry a „hasított agyú” betegeken (split-brain patients) elkezdték a jobb és a bal agyfélteke működéseinek feltérképezését.

1973: T. V. P. Bliss és T. Lomo leírják a hippocampusban a hosszú távú potenciálódás (LTP) jelenségét. Ezt követően 1993-ban Bliss és G. L. Collingridge megalkotják azt a modellt, amelyben a nem NMDA- és NMDA-receptorok együttes aktiválása vezet az LTP-hez.

1974: Alan Baddeley pszichológus javasolja a „munkaemlékezet” feltételezését, ami a pillanatról pillanatra beérkező percepciókat fogja össze az időben; ez a működés a mindennapi élet legtöbb ténykedésében, beleértve a beszédet is, szerepet játszik.

1978-tól kezdődően: Eric R. Kandel és munkatársai megkezdik vizsgálataikat az Aplysia californica tengeri csigán, amelyekben az elemi tanulási folyamatok, habituálódás, szenzitizálódás, facilitáció és klasszikus kondicionálás sejtszintű és molekuláris mechanizmusait derítik fel.

1989: M.E. Raichle és munkatársai pozitronemissziós tomográfia (PET) segítségével in vivo térképezik fel a beszédben szereplő agyi területeket.