iPon Cikkek

Hangyák és neuronok

Dátum | 2014. 05. 18.
Szerző | Jools
Csoport | EGYÉB

A sivatagos területeken magvak után kutató hangyák jóval napkelte előtt megkezdik a munkát. Először egy őrjáratozó csapat indul útnak, amelynek feladata a boly környékének ellenőrzése: megvizsgálják, hogy nincsenek-e frissen elöntött, veszélyes területek, erős szél vagy ragadozók a szomszédságban. Amíg nem térnek vissza a bolyba, a betakarítást végző munkások nem indulnak útnak. Amikor az őrjárat bejelentkezik, a dolgozók első hulláma minden irányba szétrajzik tápanyagban gazdag magvak nyomát keresve, hiszen ezektől függ a boly túlélése. A második hullám a boly bejáratánál várja az először távozó dolgozók visszatérését. Ha sok táplálék van a közelben, a hangyák hamar visszatérnek, és váltásuk is rövid időn belül útjára indulhat. Ha a kevés mag van a környéken, előfordulhat, hogy a második csoport aznap egyáltalán nem hagyja a bolyt. „Zseniális rendszerről van szó” – mondja Deborah Gordon, a Stanford ökológusa. „A hangyák ilyen módon hatékonyan kihasználhatják a lehetőséget, ha a szelek nagyobb mennyiségű táplálékot hoznak a környékre, amennyiben azonban nem ilyen kedvező a helyzet, nem pazarolják feleslegesen az erőforrásokat és az energiát.”
A csoport minden egyes tagjának viselkedését az határozza meg, hogy az adott egyed milyen gyakorisággal találkozik össze társaival. Az egyes állatok viselkedése megváltoztatja legközelebbi társuk viselkedését, amelynek cselekedetei cserébe visszahatnak az eredeti hangyára is. A végeredmény egy rendkívül összetett és hatékonyan működő rendszer lesz. „Egyesével a hangyák nem túl okosak” – mondja Gordon. „A kolóniában viszont valódi intellektus lakozik.” 180 kilométerre Gordon laborjától Mark Goldman egy egészen másfajta komplex, önszerveződő viselkedést tanulmányoz. Goldman a Kaliforniai Egyetem neurológusa, és egészen két évvel ezelőttig egyáltalán nem érdekelték a hangyák. Amikor azonban 2012-be a Stanfordon járt, hogy egy Gordon munkássága iránt érdeklődő kollégájával új kísérleteket tervezzenek, érdekes ötlete támadt. „Ahogy a hangyákról szóló videókat néztem, beugrott, hogy az egész dolog nagyon hasonlít arra, ami az idegi szinapszisokban történik. Mindkét rendszerre egyaránt igaz, hogy a bejövő információk − hangyák vagy feszültségváltozások − alapján dől el, hogy generálódik-e valamilyen kimenő jel, vagyis útjukra indulnak-e további dolgozókat vagy neurotranszmitter-csomagok” – mondja Goldman. A kutató következő stanfordi látogatásával egy rendkívül érdekes kollaboráció vette kezdetét: az ökológus és neurológus kutatócsoportok megegyeztek, hogy a hangyák viselkedése révén próbálják meg megérteni az agy működését, illetve fordítva: az agyat vizsgálva igyekeznek felderíteni, hogyan működnek a hangyakolóniák.
Agyunk 86 milliárd idegsejtjének mindegyike több ezer másikkal van kapcsolatban. Ha egy neuron elsül, jelet küld ki a közeli sejteknek, megváltoztatva annak valószínűségét, hogy ez utóbbiak is elsülnek-e. Vannak olyan idegsejtek, amelyek fokozzák, és akadnak olyanok is, amelyek csökkentik ennek esélyét. Az egyes sejtek viselkedését tehát a környező neuronoktól származó bejövő jelek kombinációja határozza meg. Ha két szomszédos neuron gyakran utasítja egymást elsülésre, a köztük lévő kapcsolat, vagyis a szinaptikus rés, amelyen átkelve a kémiai vagy elektromos jelek kifejtik hatásukat, megerősödik, így még inkább hajlamosak lesznek visszahatni egymásra. Ha két ilyen szoros kapcsolatot ápoló neuron mellett egy másik idegsejt elsül, az ellenoldali neuron erről csak az előzőleg kiépült visszacsatolási körnek köszönhetően fog értesülni, magyarázza Dmitri Chklovskii, a Howard Hughes Orvosi Intézet munkatársa. Hasonló visszacsatolások az élővilág minden szintjén megtalálhatók: ezek révén értesül az adott rendszer arról, hogy amit eddig csinált, az nem működik többé, ezért ideje mással próbálkozni. Mind a hangyák, mind az idegsejtek kétféle visszacsatolásra támaszkodnak: negatív vagy gátló, illetve pozitív vagy serkentő feedbackre. A gátló visszacsatolás általában a stabilitás felé irányítja a viselkedést. A pozitív feedback ezzel szemben a bizonytalanság, a káosz felé billenti azt, mondja Tomer Czaczkes, a Regenburgi Egyetem hangyákkal foglalkozó biológusa. „Ez a két egyszerű szabály együtt valami rendkívülit eredményez.” A pozitív visszacsatolás hangyakolóniákban működő hatásait mindenki megtapasztalhatta, aki látott már hangyákat libasorban masírozni a fűbe leejtett étel felé. A boly elhagyása komoly kockázatokkal jár, így a kolóniának tudnia kell, mikor érdemes a ragadozóknak és egyéb veszélyeknek kitenni tagjait. Gyenge bemeneti jel esetén (például ha kevés élelemről érkezik hír) a pozitív visszacsatolás dominál. Ha a bemeneti jel erős, akkor viszont a gátló hatások kezdenek dominánssá válni, hogy megakadályozzák a teljes összeomlást.
1936-ban egy biológus, T. C. Schneirla tanúja volt egy hangyacsapat „halálspiráljának”. Az általa tanulmányozott dél-amerikai hangyakolónia feromonokat használt a tájékozódáshoz, és az események szerencsétlen összejátszása következtében egy teljes feromonkört hoztak létre egy nagyobb fa körül. Az elől haladó állatok rátaláltak saját nyomukra, és ezt kezdték követni. Innentől kezdve nem volt megállás, hiszen az útvonalat újabb feromonokkal jelölték meg, végtelenített pozitív visszacsatolási kört hozva létre. A kolónia tagjai napokig köröztek a fa körül a szakadó esőben, míg végül végkimerülésben elpusztultak. „Kizárólag pozitív visszacsatolásra támaszkodni tehát nagyon kockázatos” – mondja Czaczkes. Hasonló visszacsatolási körök az agyban is léteznek, mind az egyes neuronok közt, mind pedig az egész agyi hálózat szintjén. Ha egy-két hangya nagyobb mennyiségű táplálékot fedez fel, rövidesen tömeges kivándorlás indul meg a bolyból a megfelelő irányba. Ehhez hasonlóan néhány nátrium-ion sejtbe való bejutása is nagymértékű beáramlást indíthat be. A pozitív feedback hatására feszültségnövekedés indul meg a sejtben, amely egy bizonyos küszöböt átlépve a neuron elsülését váltja ki. Ennek megtörténtekor viszont a nátrium-ionok beengedése leáll, és megindul a kálium-ionok kiáramlása. Az egyes neuronok működése elektromágneses mezőket hoz létre az agyban, amelyek elektroenkefalográffal megfigyelhetők. Az EEG-jel szintén a pozitív visszacsatolás egyik formája. A Yale kutatói vadászgörények agya körül hoztak létre gyenge elektromos mezőket. Az alvó állapotban levő agyat a mezők megfelelő manipulálásával intenzív idegi aktivitásba tudták kergetni, ellentétes irányú mezők révén pedig sikerrel lecsillapították az idegsejtek működését.
Mivel az agyban mindezen eseményeket meglehetősen nehéz tanulmányozni, Gordon és Goldman úgy döntött, hogy a hangyák viselkedésén keresztül próbálják megérteni az egyes folyamatokat. A kutatás első fázisában a viselkedés egy specifikus elemére koncentráltak: azt kezdték vizsgálni, hány interakcióra van szükség ahhoz, hogy egy hangya elhagyja a boly területét, és táplálék után kezdjen kutatni. 2013 augusztusában Gordon tehát visszatért ugyanarra az arizonai sivatagi területre, amelyet az előző három évtizedben minden nyáron meglátogatott. A vizsgálat tárgyául a 889-es bolyt választotta ki, így tanítványaival együtt ennek közelében vert tanyát egyebek mellett műanyag vödrökkel, napernyőkkel és mogyoróvajjal felszerelkezve. A vizsgálatok megkezdése előtt Gordon előkapott egy tekercs Spongyabob-figurákkal díszített szigetelő szalagot, a csapat tagjai pedig nekiálltak öltözékük megigazításának. Az ingek nadrágba, illetve a nadrágszárak zokniba történő betűrése után szigszalag került mindenki derekára, bokájára és csuklójára, lezárva minden olyan rést, ahol a hangyák esetleg bejuthatnának a ruha alá. Egy biztos: mióta világ a világ egyetlen idegtudományi kutatócsoport sem nézett ki hasonlóan. A csapat tagjai két kamerát állítottak fel, az egyik a boly bejáratára, a másik pedig egy ettől nagyjából egy méterre található, 30x30 centiméteres négyzet alakú területre irányult, amelynek sarkait kövekkel jelölték meg. A bejáratot műanyag kanalakkal egy kicsit kiszélesítették, majd megkezdődött a tényleges megfigyelés. Az első húsz percben a boly mindennapi életét filmezték, ahogy a hangyák elhagyják lakhelyüket, majd magvakkal térnek vissza oda. Ezt követően Gordon fogta magát, és összeszedte a kijelölt négyzeten tartózkodó hangyákat, egy műanyag vödörbe gyűjtve ezeket. A kamerák eközben folyamatosan rögzítették az eseményeket, így azt is filmre vették, ahogy a bejárat rövidesen teljesen néptelenné válik. A bolyban tartózkodó egyedek nem kaptak visszacsatolást kinti társaiktól: senki sem ment be a bejáraton, így a belül levők nem jutottak hozzá azokhoz a jelekhez, amelyek útnak indulásukhoz kellettek volna, mondja Gordon. A kutatók megfigyelték, hogy amikor egy hangyacsapat táplálékkal megrakodva ért vissza, a boly tagjai három másodpercen belül fokozott kirajzásba kezdtek. A munkások távolmaradására ennél jóval lassabban reagált a kolónia: négy-öt perc kellett ahhoz, hogy a bejárat közelében várakozók visszahúzódjanak a járat mélyére. A kutatók azt is vizsgálták, hogy a túszul ejtett állatok szabadon engedését követően mennyi idő alatt áll helyre a korábbi rend. Ezen adatok számszerűsítése rendkívül fontos a kutatás neurológia ága számára. Az idegsejtek viselkedése kapcsán is beszélhetünk ugyanis első, második és harmadik hullámban történő reakciókról. Amikor egy neuron elsül, vezikulákba csomagolt neurotranszmittereket bocsát a szinaptikus résbe. Ezen vezikulák egy része közvetlenül a sejtmembrán határán helyezkedik el, így gyorsan bevethető, viszont kevés tagot számlál, így hamar kifogynak a készletek. Ha a neuron tüzelése tovább folytatódik, egy újabb neurotranszmitter adag kerül mozgósításra, ha pedig szükség van rá, idővel egy harmadik adag is bevethetővé válik. A bolyba visszatérő dolgozó tehát olyan, mint az akciós potenciál, a bejárat közelében várakozó hangyák pedig a szinaptikus vezikuláknak felelnek meg. A boly mélyére vezető alagútban várakozó egyedek közül a hátul tartózkodók csak nagyon erős bejövő jel esetén kerülnek bevetésre, az elől levők viszont már a gyengébb jelre is kirajzanak. A neuron esetében is hasonlóan zajlik a dolog, így Goldman abban bízik, hogy a hangyaviselkedés tanulmányozása révén jobban megértheti, hogyan folyik a különböző jellegű neurotranszmitter-adagok mozgósítása. A kutató azt reméli, hogy a hangyakolóniákon végzett megfigyelések alapján felvázolhat egy modellt, amely az idegsejtekre is működik. Ehhez össze kell szedni, hogy egy-egy hangyának mennyi időn belül hány bemeneti jelre van szüksége ahhoz, hogy táplálékot keresve útnak induljon. Az idegsejtek esetében a bejövő elektromos jelek ugyanis hasonló módon befolyásolhatják a neurotranszmitterek szinaptikus résbe ürítését. Gordon a maga részéről szintén egy precíz matematikai modell létrehozásában reménykedik, amelynek révén leírhatóvá válik a hangyák viselkedése. Úgy véli ugyanis, hogy az egyes hangyák adott helyzetben való eltérő reakcióiból levezethetők a kolóniák közti nagyobb eltérések. Kutatócsoportjával jelenleg a tavaly készült felvételek elemzését végzi: számon tartják, hogy adott körülmények közt hány hangya tartózkodott a bejárat környékén, és hogy a visszaérkezők hogyan befolyásolták ennek változásait. Abban bíznak, hogy egy napon ezek az adatok elősegíthetik a kolóniák és az agy komplex működésének megértését is.
Új hozzászólás írásához előbb jelentkezz be!

Eddigi hozzászólások

2. dongo84
2014.05.18. 21:08
Most már értelmet nyer ha valakire rámondják: hangyás az illető.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
1. Szefmester
2014.05.19. 00:40
Nem tudom miért, de a cikket olvasva Terry Pratchett Gördülő Kövek című kötetben a varázslók által megalkotott hangyaműködésű számítógépe jutott az eszembe.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!