Az agy fejlődése egy fára hasonlít

Az ELTE kutatóinak vizsgálatai szerint a növekvő fához hasonló szerkezet az emberi agy kapcsolatainak fejlődését írja le. A publikáció Plos One folyóiratban jelent meg. Az ELTE Matematikai Intézet PIT Bioinformatikai Csoportja évek óta foglalkozik az Amerikai Egyesült Államok egy agytudományi kutatási programja, a Human Connectome Project adatainak gráfelméleti, matematikai feldolgozásával.

2015-ben elkészítették az emberi agy összeköttetéseinek konszenzus-modelljét: a személyes változékonyságot kiszűrve, a modell csak a sok alanynál megtalálható kapcsolatokat tartalmazza, azaz az agygráf egy egyén agya helyett a közös, emberi agygráf kapcsolatait írja le. A tavalyi eredményre épül a mostani felfedezés is.

A biológiában ritka az, hogy ugyanazon a csúcshalmazon sok különböző gráfot vizsgálnak. Az agygráfoknál azonban ez a tipikus helyzet: a csúcsok az agy szürkeállományának anatómiailag azonosított 1-1,5 cm²-es területeinek felelnek meg, és két csúcs éllel van összekötve, amennyiben egy diffúziós MRI-alapú eljárással közvetlen, idegrostokból álló összeköttetést fedeznek fel a csúcsoknak megfelelő, szürkeállománybeli területek között.

A korábban megalkotott webszerver segítségével lehet megjelentetni és ábrázolni a kisebb, illetve a nagyobb gyakorisággal megjelenő agyi kapcsolatokat, azaz az agygráf ritkábban és gyakrabban előforduló éleit.

Az ELTE-s kutatócsoport doktori hallgatója, Kerepesi Csaba a webszerver publikálása után meglepő dolgot vett észre: azok az élek, amelyek a vizsgált alanyok 100 százalékában jelen vannak, kevesebben vannak, mint azok az élek, amelyek csak az alanyok legalább 75 százalékában vannak jelen, és ezek kevesebben vannak, mint azok, amelyek legalább 50 százalékban vagy mondjuk legalább 25 százalékban vannak jelen.

Azaz, ha megvizsgáljuk azokat agyi kapcsolatokat, egyre több kapcsolatot kapunk, ahogy egyre kevesebb emberben jelenlévőket vizsgálunk. Az élek nem véletlenül, szétszórva jelennek meg, hanem egy növekedő fához hasonlóan, többnyire a már meglevő élekhez csatlakozva.

Ezt mutatja a mellékelt ábra is, a jelenségről itt megtekinthető egy animáció. Az ELTE-s webszerveren bárki saját maga is megtapasztalhatja a jelenséget, ha a „Show options” választás után a „Minimum edge confidence” csúszkát jobbról balra tolja el, és közben figyeli a megjelenő éleket.

Így fejlődik az agy?

Az ELTE PIT Bioinformatikai Csoportjának kutatói, Kerepesi Csaba, Szalkai Balázs és Varga Bálint doktoranduszok és Grolmusz Vince egyetemi tanár azt feltételezik, hogy a növekvő fához hasonló szerkezet az emberi agy kapcsolatainak fejlődését írja le. Az elsőként megjelenő kapcsolatok szinte minden alanyban ugyanolyanok, és a kapcsolatok kialakulása során az apró, egyedi különbségek fokozatosan összeadódnak, és így a később kialakuló kapcsolatok esetében az egyének közötti változékonyság már jóval nagyobb, mint az előbb kialakulók között volt.

Ha a fenti feltételezés helytálló, akkor – az agyi kapcsolatok fejlődésének leírásán kívül – az agyi kapcsolatok irányának meghatározására is alkalmazhatónak látszik a most felfedezett jelenség; erre idáig az MRI-alapú módszerek nem adtak módot.