A hatodik érzék: a helyes helyzetérzékelés

Látás, hallás, szaglás, tapintás, ízlelés. Érzékelésünk kapcsán legtöbbünknek először ez az öt fogalom jut eszébe. Létezik azonban egy "hatodik érzék" is, amelynek fontosságát hiányában érezzük meg leginkább. Mibenlétét nehéz pontosan megfogalmazni, talán egyfajta helyzetérzékelésként jellemezhető a leghelyesebben. Ennek köszönhetjük például, hogy csukott szemmel, bármiféle gondolkodás nélkül is könnyedén megérintjük akármelyik testrészünket. A hatodik érzékünkkel agyunk testünk, illetve végtagjaink egymáshoz viszonyított térbeli elhelyezkedését dolgozza fel, ami a különböző mozgások kialakításához nélkülözhetetlen. Ennek hiányában idegrendszerünk elveszíti a végtagjaink feletti koordinációt. Ekkor - bár izmaink akár tökéletesek is lehetnek - nem leszünk képesek többé felegyenesedni vagy karunkat felemelni, mert agyunk nem tudja meghatározni, hová küldje az adott mozgásnak megfelelő információt.

Egy nagyon ritka és rendkívül súlyos betegség, az ún. akut szenzoros ideggyengeség kapcsán merült fel először, hogy a hatodik érzék talán mesterségesen helyettesíthető. Az akut szenzoros ideggyengeség úgy alakul ki, hogy valamilyen tényező - például vírusfertőzés - hatására elhalnak a különböző mozgások kialakulásához szükséges információ felvételét biztosító érző (szenzoros) idegvégződések. Ennek következtében gátlás alá kerül a mozgásban szerepet játszó izmok beidegzése, így a beteg képtelenné válik azok irányítására.

A helyzetérzékelés újraalakulásának egyik lehetséges módjára egy beteg tapasztalatai alapján találtak rá a kutatók. A páciens nem tudott beletörődni állapotába, és hosszú éveken keresztül nap mint nap próbálta kényszeríteni szervezetét, hogy engedelmeskedjen akaratának. Lassan, állandó és intenzív összpontosítással sikerült elérnie, hogy mára a legtöbb olyan mozdulat elvégzésére képessé váljon, amit betegsége előtt a világ legtermészetesebb dolgának tartott.

A tudósok először nem értették, hogyan lehetséges mindez, később azonban rájöttek, hogy az erős, vizuális ingerek hatására az agy "kitalálta", mit kell tennie. Ha a beteg ugyanis például fel akarta emelni a kezét, folyamatosan a karját nézte, mialatt erősen koncentrált a mozdulat kivitelezésére. A kar látványa tehát mint egy pozitív visszacsatolás jelent meg az agy számára, s helyettesíteni tudta az eredeti érzőideg-végződések által közvetített jeleket.

Azok a betegek tehát, akiknek az izmai, illetve a mozgatóidegei nem sérültek, hatalmas erőfeszítések árán, de önálló mozgásra is képesek lehetnek. Ennek alapján létrehozhatók olyan szerkezetek is, amelyek irányítása pusztán gondolatok segítségével lehetséges. Ehhez azonban szükség van a hiányzó helyzetérzékelés kialakítására, az agy megfelelő területei és a szóban forgó eszköz közötti "kommunikáció" nélkülözhetetlensége miatt. Jelenleg a szenzoros visszacsatolási ingerek további olyan formáit is keresik, amelyek a vizuális ingerekhez hasonlóan eredményesen szolgálják a mozgások szerveződését.

Mesterséges helyzetérzékelés

Az úgynevezett agy-(számító)gép interface-szel régóta folynak már kísérletek. Lényege, hogy elektródok százait tartalmazó implantátumot ültetnek az agykéreg megfelelő területére, ahol a mozgások szerveződését irányító legmagasabb rendű központok találhatóak. Az implantátum elektródjai felveszik azokat az idegsejtjek által közvetített jeleket, amelyek például egy mozgás eltervezése során jönnek létre a beteg agykérgében, majd továbbítják őket egy számítógép felé. Megfelelő programmal a bevitt jelek feldolgozhatók és felhasználhatók bizonyos szerkezeteknek, például a számítógép kurzorának a mozgatására.

Az agy-számítógép interface-ek jövőbeli felhasználása a komplexebb mozgások kivitelezését - például művégtagok mozgatását - célozza, amihez az érintett agyterületekről, illetve a hatodik érzék működéséről még rengeteg ismeretanyag begyűjtésére van szükség. Ahhoz ugyanis, hogy egy ilyen, gondolati úton vezérelt művégtag segítségével valaki felemelhessen például egy csésze kávét, interaktívvá kell válnia az információáramlásnak az agy és a számítógép között, imitálva a valódi reflexek (ún. proprioceptív- vagy monoszinaptikus reflex) működését.

Egy proprioceptív reflex működéséről a következőket tudjuk biztosan. Az érző idegrost - ami a betegek esetében sérült - felveszi az adott, külvilágból érkező ingert (például tapintás, fájdalom stb.), s elszállítja azt a gerincvelőbe (központi idegrendszer). Onnantól az ingerület két irányban halad tovább: az egyik útvonalon motoros idegvégződésekre áttevődve a megfelelő izmok beidegzésével bezárja a reflexívet, egy másik pályarendszeren keresztül pedig (a köztiagyi thalamusban átkapcsolódva) eljut az agykéreg megfelelő érzőközpontjába. Az agykérgi központban "tudatosul" a mozgás, s megtörténik annak irányítása.

Göröngyös út vezet a cél felé

Néhány kutatócsoport nemrég annak kidolgozásába fogott, hol és hogyan kellene stimulálni ("izgatni") az "érző idegrendszert" ahhoz, hogy reprodukálják a végtagokból az érzőkéregbe érkező információfajtákat. A kihívás ugyanis a legmegfelelőbb hely és a legmegfelelőbb stimulációs mód megtalálásában rejlik.

Bár eredményeiket még nem publikálták, elméletileg mind a hol, mind a hogyan kérdésre válaszolhatunk. A stimuláció lényegében az imént vázolt reflexív teljes bemeneti szakaszában lehetséges (érző idegrostok, gerincvelő, thalamus, érzőkéreg), míg a stimuláció módjára különböző elektromos impulzusokat lehetne használni. Ezek megfelelő paramétereinek változtatásával - például frekvencia, amplitúdó - imitálni lehetne az agy természetes impulzusait, illetve elképzelhető az is, hogy az agy megtanítható egy teljesen mesterséges, a tudósok által létrehozott jelrendszer használatára. Ez utóbbi segítségével - a megfelelő mozdulatkódok bevitelét követően - az agy képes lehet megalkotni az adott mozgásra jellemző idegi mintázatokat.

Az agy nagymértékű alkalmazkodó-képessége, "rugalmassága" régóta ismert, s emiatt sok kutató véli úgy, hogy nem feltétlenül kell pontosan reprodukálni azokat az idegi mintázatokat, amelyeket idegrendszerünk természetes működése során felhasznál. Ez az elképzelés - amellett, hogy nagymértékben megkönnyítené a tudósok dolgát - az alábbiak tükrében nagyon is helytálló lehet.

Körülbelül 110 000 siket ember belső fülébe ültettek eddig olyan implantátumokat, amelyek határfelülete (interface) érintkezik a hallóideggel (brain-machine interface). Az implantátum mesterséges jeleket közvetít a hallóidegnek, ám ezeket a jeleket a betegek először csak mint zajt érzékelik, nem tudnak azonnal kommunikálni a segítségükkel. Az idegrendszer (hallókéreg) azonban egy idő után alkalmazkodik ezekhez a jelekhez. Kiszűri a számára megfelelő, feldolgozható információt, így a betegek helyes tréninggel gyorsan megtanulják összekapcsolni az egyes kódokat az egyes hangokkal, s ezt követően teljes értékű társalgást folytathatnak. Ahhoz tehát, hogy létrehozzanak valamiféle szenzoros bemenetet - például olyan ingerületeket, amilyenek a hallóideghez is érkeznek - nem feltétlenül szükséges a természetes jelet pontosan visszaadni, elegendő lehet a megfelelő stimulációs hely megválasztása is.

Nemrégiben Pittsburghben kifejlesztettek egy modellt a szenzoros bemenet tanulmányozására. Egy macska elérzéstelenített végtagjainak érzőidegeit elektródokkal stimulálják, közvetlenül a gerincvelőbe lépésük előtti helyeken, s ezzel egyidejűleg feljegyzik az állat érzőkérgében kialakuló idegi mintázatokat. A tudósok arra is kíváncsiak, hogyan változnak az érző agykérgi területeken kialakult mintázatok abban az esetben, ha nem elektródokkal stimulálják az érzőidegeket, hanem pusztán kézzel mozgatják az állat végtagjait.

Egy másik kutatócsoport szakemberei majmokat vizsgálva az állatok agykérgi szenzoros területeit ingerlik elektromosan, s ezalatt azokat az idegi mintázatokat rögzítik, amelyek a motoros (mozgató) kérgi központokban lépnek fel a stimuláció hatására. Ezzel a mozgások kialakulásáért felelős mintázatok megtervezéséhez szeretnének eljutni.

Megint mások a thalamust választották vizsgálataik célpontjául. A thalamus a köztiagyban található, területén integrálódnak és oszlanak szét az érzőidegekből érkező ingerületek a megfelelő agykérgi központok irányába. Ez esetben a kutatók tapintás-kapcsolt jelek hatását figyelik meg majmok thalamusának elektromos stimulációjával, s a szenzoros agykéregben ennek következtében kialakult idegi mintázatok rögzítését végzik. Ehhez a majmok egyik karját a kísérlet alatt lekötözik, a másikat az állatok szabadon mozgathatják. Megtanították őket arra, hogy a lekötözött kezükön a szabad karjuk segítségével rámutassanak azokra a pontokra, ahol - agyuk stimulálásának következtében - úgy érzik, mintha megérintenék őket. Az így kapott szenzoros agykérgi mintázatokat ezután összehasonlítják azokkal, amelyeket a majmok által jelzett pontok valódi megérintése során tapasztalnak. Elmondásuk szerint így, a thalamus stimulálásával sikerült egy sor természetes választ kialakítaniuk a kéregben. A kutatócsoport tagjai később ugyanezen elv alapján szeretné kiterjeszteni kísérleteiket a helyzetérzékelés vizsgálatára is.

Visszatérve az eredeti célhoz: mint ahogyan az látható, a gondolat irányította mesterséges végtagok létrehozásáig még meg kell tennie néhány nagyobb lépést a tudománynak.