A chiméra állapot egy különös, elsőre szinte hihetetlen jelenség, amely akár most is zajolhat az Ön fejében. Eredetileg a fizika és a matematika területén azonosították, és olyan rendszert ír le, ahol egyes részek tökéletesen szinkronban működnek, míg más részek egyszerre kaotikusan viselkednek. Képzeljük el például egy kórust, ahol a tenorok tökéletes összhangban énekelnek, miközben a szopránok mindegyike saját dallamát, saját tempójában adja elő.
Évekig ez csupán elméleti érdekesség volt. Azonban a Calgary Egyetem kutatói által a Frontiers in Neural Circuits folyóiratban megjelent tanulmány szerint ez a pontos dinamikai keveredés – a rend és káosz együttélése – lehet az a hiányzó láncszem, amely segít megérteni, hogyan alakulnak ki emlékeink az agyban.
Az agy furcsa órája: a hippokampusz és a theta ritmus
Nézzünk közelebbről az agy emlékközpontjára, a hippokampuszra. Amikor állatok – köztük mi emberek is – navigálnak környezetükben vagy új emlékeket alkotnak, a hippokampusz egy állandó, pulzáló agyhullámot generál, amit theta ritmusnak nevezünk. Ez az agy belső „órája”, amely körülbelül 8 ütés/másodperc (8 Hz) sebességgel ketyeg.
Egyes „háztartási” neuronok, az úgynevezett interneuronok, erre az órára hangolódnak: minden ütésre tüzelnek, tökéletes szinkronban. Ám a „memória” neuronokként ismert piramis sejtek furcsán viselkednek: kissé gyorsabban tüzelnek, mintegy 9 Hz-en.
Ez a kis sebességkülönbség egy különleges jelenséget hoz létre, amit fáziselőretolódásnak (phase precession) nevezünk. Képzeljük el, hogy egy barátunkkal sétálunk együtt, aki egy kicsit gyorsabb léptekkel halad. Eleinte egymás mellett vagyunk, de minden lépéssel egyre előrébb kerül. A piramis neuronok tüzelése is így „előretolódik” minden theta ütéssel – ez alapvető szerepet játszik abban, hogy a hippokampusz hogyan térképezi fel a teret és az időt.
A nagy kérdés: hogyan létezik egyszerre rend és káosz?
Eddig mindig az volt a kérdés: miként képes az agy fenntartani ezt a furcsa kevert állapotot? Hogyan lehet az egyik neuroncsoport mereven szinkronizált, míg egy másik csoport éppen ellenkezőleg, szándékosan nincs összhangban?
Rend és káosz keveréke: a chiméra állapot mint magyarázat
Itt lép be a képbe az új kutatás: Maria Masoliver, Jörn Davidsen és Wilten Nicola „Hippocampal phase precession may be generated by chimera dynamics” című tanulmányukban párhuzamot vontak. Az agyi állapot – ahol együtt léteznek fáziselőretoló és fázishoz kötött sejtek – pontosan megfelel egy chiméra állapot formális definíciójának.
Hipotézisük szerint nem csupán bonyolult biológiai sajátosságról van szó, hanem arról, hogy a fáziselőretolódás egy fizikai chiméra állapotból eredő emergens tulajdonság lehet.
A kutatás menete: fizikai modellektől az idegi hálózatokig
A kutatócsoport nem állatokkal dolgozott közvetlenül, hanem számítógépes modelleket alkalmazott. Egy klasszikus fizikai modellt használtak (Kuramoto oszcillátorokat), amely ismert arról, hogy képes chiméra állapotokat létrehozni. Ebben a modellben van egy „gázpedál” paraméter, amely szabályozza az oszcillátorok természetes frekvenciáját.
Amikor ezt a paramétert finoman hangolták, elérték azt az állapotot, amikor spontán két csoport alakult ki: egyikük alacsony frekvencián szinkronizált (8 Hz), míg a másik csoport gyorsabban és szinkronizálatlanul (9 Hz) oszcillált. Ez pontosan megfelelt annak, amit az agyban látunk: az interneuronok 8 Hz-en maradnak szinkronban, míg a piramis sejtek 9 Hz-en tüzelnek.
A modell nem csak helyes frekvenciákat produkált; az oszcillátorok szinkronizálatlan csoportja valódi fáziselőretolódást mutatott.
Az elmélettől a biológiai valóságig: spiking neuron hálózatok
Mivel azonban oszcillátorok nem neuronok, további lépést tettek: egy biológiailag realisztikusabb spiking neuron hálózatot tanítottak meg arra, hogy utánozza ezt a chiméra modellt. Céljuk annak vizsgálata volt, hogy valódi neuronális dinamikák képesek-e fenntartani ezt az állapotot.
Az eredmény sikeres volt: miután megtanították, ez a hálózat önállóan is fenntartotta a chiméra állapotot. Az egyes szimulált neuronokat vizsgálva kiderült, hogy néhány főként fázishoz kötött (mint az interneuronok), míg mások fáziselőretolódást mutattak (mint a piramis sejtek). Lényegében sikerült felépíteniük a fáziselőretolódást kizárólag fizikai chiméra szabályok alapján.
Milyen jelentősége van ennek?
Sok korábbi modell merevnek tekintette a fáziselőretolódást – mint fixen beprogramozott tulajdonságot. Ezzel szemben a chiméra állapot hipotézise sokkal dinamikusabb képet fest.
- Rugalmasság: A chiméra állapot egyik kulcsfontosságú jellemzője éppen az alkalmazkodóképesség. Nem feltétlenül fix mely neuronok tartoznak melyik csoportba; ez könnyen megváltoztatható kis külső hatással vagy kezdőfeltételek módosításával.
- Emlékek kódolása: A szerzők szerint pont erre van szüksége a hippokampusznak ahhoz, hogy különböző emlékeket tudjon rugalmasan tárolni. Például egy új helyszín („A kontextus”) olyan jeleket adhat be az agynak, amelyek beállítják ezt a chiméra konfigurációt úgy, hogy bizonyos piramis sejtek gyorsabb előretolódó üzemmódba kerüljenek.
- Különböző kontextusok: Egy másik helyzet („B kontextus”) eltérő jelekkel aktiválhat más neuronpopulációkat ebben az előretoló szerepkörben.
Ez az elmélet elegánsan magyarázza meg azt is, hogyan képes a hippokampusz különböző neuronpopulációkat kiválasztani rugalmasan ahhoz, hogy számos eltérő kontextust kódoljon. Ezzel azt sugallja, hogy emlékeink nem merev áramkörökben tárolódnak, hanem folyékonyan szerveződő dinamikus mintázatokban.
Záró gondolatok: A chiméra állapot mint agyi működés alapja
A chiméra állapot tehát nem csupán egy furcsa fizikai fogalom többé; lehetséges alapvető működési mechanizmusa annak, ahogyan agyunk írja le és tárolja világunk élményeit. Ez új perspektívát nyithat nemcsak az idegtudományban és pszichológiában, hanem akár mesterséges intelligencia fejlesztésében is.